章一萍， 周 練， 隗 萍， 涂遠德， 唐麗娜

(四川省建筑設(shè)計研究院、四川省建筑工業(yè)化工程技術(shù)研究中心， 四川成都 610000)

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模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計方法研究

章一萍， 周 練， 隗 萍， 涂遠德， 唐麗娜

(四川省建筑設(shè)計研究院、四川省建筑工業(yè)化工程技術(shù)研究中心， 四川成都 610000)

文章以“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”為研究對象，分析其設(shè)計要點，對保證結(jié)構(gòu)豎向和水平整體工作性能兩大關(guān)鍵技術(shù)難題進行了攻關(guān)，提出相應(yīng)的簡易設(shè)計方法：為了保證體系的整體工作性能，各“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”間應(yīng)設(shè)置水平和豎向連接，連接可僅設(shè)置在“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”中的框架柱端位置；在連接安全可靠的前提下，“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用傳統(tǒng)的普通鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法，且其水平整體工作性能可等同于剛性樓板。

模塊化集成； 輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系； 輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊； 整體工作性能

在“以綠色建筑為宗旨，大力發(fā)展裝配式建筑，逐步實現(xiàn)建筑工業(yè)化、住宅產(chǎn)業(yè)化”行業(yè)背景下，在急需化解鋼鐵產(chǎn)能過剩的市場迫切需求下，國發(fā)〔2016〕6號《國務(wù)院關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能實現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》[1]、川府發(fā)〔2016〕12號《關(guān)于推進建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的指導(dǎo)意見》[2]等從中央到地方的政府系列文件中都提出“與建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化相結(jié)合，擴大鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域，將傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)進行改進升級，大力推廣新型鋼結(jié)構(gòu)住宅的開發(fā)和應(yīng)用，實現(xiàn)新型鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)品標準化、工業(yè)化、系列化”的要求。

本文以“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”為研究對象，分析其設(shè)計要點，對其豎向整體工作性能、水平整體工作性能兩大關(guān)鍵技術(shù)難題進行了研究分析，提出相應(yīng)的簡易設(shè)計方法。

1 模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系

“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”是指“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”通過科學(xué)、合理的平立面組合，現(xiàn)場快速裝配連接、集成為整體的結(jié)構(gòu)體系。采用該結(jié)構(gòu)體系，通常將建筑戶型劃分為多個具有獨立完備的建筑功能的空間單元，每個建筑功能空間單元的主體結(jié)構(gòu)采用輕型鋼框架結(jié)構(gòu)體系，即形成“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”，“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”與維護體系和裝修可在工廠一體化生產(chǎn)成型，再運輸至施工現(xiàn)場進行組合、快速裝配連接、集成為整體(圖1)。

圖1 輕鋼框架模塊組合集成示意[3]

“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”同傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)一致，由框架梁柱承重，維護墻體僅作為附屬構(gòu)件，相對于“冷彎薄壁型鋼龍骨體系”具有傳力路徑明確、構(gòu)件主次分明、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接構(gòu)造數(shù)量少、建筑門窗洞口布置不影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能等優(yōu)勢[4]。結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)部設(shè)計同傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)一致，可直接采用我國現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和設(shè)計方法[5]，具有MIDAS等多種成熟的配套設(shè)計軟件。但是“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”與傳統(tǒng)的鋼框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計最大的不同之處在于：如何保證“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”間豎向、水平的整體工作性能。為了保證“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”的整體工作性能，設(shè)計時應(yīng)在“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”上下之間、水平之間設(shè)置可靠連接，設(shè)置連接位置和數(shù)量則成為一待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

2 豎向整體工作性能研究

為了保證“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”內(nèi)部簡明的傳力路徑、模塊裝配連接最簡化，本文初步設(shè)定“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”之間豎向連接僅設(shè)置在上下結(jié)構(gòu)模塊的框架柱位置處。為了驗證以上連接方法的可靠性，本文基于一典型的輕鋼低層建筑模塊化集成戶型(平面布置見圖2，層高3 m)，分別在Midas/Gen結(jié)構(gòu)分析軟件中采用傳統(tǒng)鋼框架模型A與輕鋼框架模塊結(jié)構(gòu)模型B進行對比分析(圖3、圖4)。其中，兩模型具有相同的外荷載、邊界條件(底層柱腳采用剛接)、構(gòu)件截面(根據(jù)實際工程荷載初步設(shè)計確定)；采用梁單元模擬框架梁、柱以及連接，采用厚板單元模擬樓板，厚板單元通過4個節(jié)點與梁單元連接。模型B上下結(jié)構(gòu)模塊之間僅在框架柱位置處采用與框架柱同截面的短柱連接，模型A中框架梁截面為模型B中框架梁截面之和。

(a) 一層平面布置

(b) 二層平面布置圖2 典型的模塊化集成戶型

圖3 傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)模型A

圖4 結(jié)構(gòu)模型B

兩模型的前三階自振特性、構(gòu)件內(nèi)力、位移對比詳見圖5～圖10，可得：(1)兩模型的自振模態(tài)和自振周期基本一致，周期相差在5 %以內(nèi)；(2)兩模型的內(nèi)力分布基本一致，但模型B存在小短柱導(dǎo)致局部構(gòu)件應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值比模型A大約10 %，而構(gòu)件設(shè)計時為了安全起見，應(yīng)力比往往控制在0.9左右，因此，10 %的差值處于構(gòu)件設(shè)計可調(diào)控范圍；(3)兩模型的豎向位移和水平位移分布基本一致，最大位移數(shù)值相差在5 %左右。

綜上，豎向連接僅設(shè)置在結(jié)構(gòu)模塊框架柱對應(yīng)位置可保證“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”豎向整體工作性能；當各“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”豎向連接安全可靠時，可將“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”豎向簡化了傳統(tǒng)普通鋼框架結(jié)構(gòu)體系，采用現(xiàn)有成熟的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行豎向整體性力學(xué)性能設(shè)計。

圖5 模型A第一階振動模態(tài)(T1=1.02s)

圖6 模型B第一階振動模態(tài)(T1=0.98s)

圖7 模型A構(gòu)件內(nèi)力分布(最大值183.67MPa)

圖8 模型B構(gòu)件內(nèi)力分布(最大值204.15MPa)

圖9 模型A水平位移分布(最大值9.45mm)

3 水平整體工作性能研究

初步假定“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”之間的水平連接僅發(fā)生在結(jié)構(gòu)模塊上下柱端。同理，基于圖2戶型，在Midas/Gen建立三有限元模型進行對比分析，模型如圖11～圖13所示，結(jié)構(gòu)布置參數(shù)詳見表1，水平連接采用同框架梁等截面的短梁連接。

表1 三模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖11 模型A

圖12 模型B

圖13 模型C

對比自振特性(圖14～圖16)，可得：模型A與模型B的自振模態(tài)和自振周期基本一致，均呈現(xiàn)第一二階整體平動，第三階整體繞Z軸扭轉(zhuǎn)，而模型C前三階振型均呈現(xiàn)局部模塊的振動，且各階自振周期遠大于模型A和模型B。對比水平位移(圖17～圖19)，可得：模型A與模型B水平位移分布和數(shù)值基本一致，在外部水平荷載作用下均呈現(xiàn)整體的平動，而模型C的最大水平位移是模型A和模型B的2倍以上，且呈現(xiàn)在外部水平荷載作用下局部模塊平。除此之外，三模型的內(nèi)力以及豎向位移分布和數(shù)值大小基本一致。

圖14 模型A的自振模態(tài)(T1=1.01s)

圖15 模型B的自振模態(tài)(T1=0.98s)

圖16 模型C的自振模態(tài)(T1=1.40s)

圖17 模型A的水平位移(最大值：9.99mm)

圖18 模型B的水平位移(最大值：9.36mm)

綜上，水平連接僅設(shè)置在結(jié)構(gòu)模塊框架柱端位置可保證“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”水平整體工作性能，此時其水平整體工作性能可等同于剛性樓板。

5 結(jié)論

本文對“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”的設(shè)計方法進

圖19 模型C的水平位移(最大值：20.15mm)

行研究，研究保證其豎向整體工作性能、水平整體工作性能的技術(shù)措施，得到如下結(jié)論：

(1)為了保證體系的豎向整體工作性能，各“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”間應(yīng)設(shè)置豎向連接，豎向連接可僅設(shè)置在框架柱對應(yīng)位置；在連接安全可靠的前提下，“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用傳統(tǒng)普通鋼框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計方法；

(2)為了保證在“模塊化集成輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系”中各模塊的整體水平工作性能，必須在各“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”間設(shè)置水平連接，水平連接可僅設(shè)置在“輕鋼框架結(jié)構(gòu)模塊”中的框架柱端，此時其水平整體工作性能可等同于剛性樓板。

[1] 國發(fā)〔2016〕6號 關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能實現(xiàn)脫困發(fā)展的意見[S]. 2016.

[2] 川府發(fā)〔2016〕12號 關(guān)于推進建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的指導(dǎo)意見[S]. 2016.

[3] 殷敏，范昀.如何像生產(chǎn)零件一樣生產(chǎn)房子?[OL].http://diyitui.com/con-tent-1471827884.51814260.html.

[4] 苑小麗.水平地震作用下多層冷彎薄壁型鋼房屋抗震設(shè)計理論及方法研究[D].甘肅：蘭州大學(xué)，2011.

[5] GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

四川省建筑節(jié)能配套能力專項資金項目“裝配式輕鋼輕骨料混凝土低層房屋結(jié)構(gòu)研究”(SCIT-ZG-20150557)

章一萍(1961～)，女，碩士，教授級高級工程師，主要從事裝配式結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)體系研究。

TU392.5

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[定稿日期]2017-03-16