趙寶軍，王 瓊，陳志河，黃少文，譚 健

（1、廣東海龍建筑科技有限公司 珠海519000；2、深圳海龍建筑科技有限公司 深圳518110；3、南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 南昌330031）

0 引言

模塊化建筑是一種集結(jié)構(gòu)、建筑內(nèi)裝與外飾、機(jī)電、給排水與暖通等建筑全要素于一體，高度集成、新型高效的建筑形式。模塊化集成建筑可以將90%以上的施工作業(yè)在工廠完成，現(xiàn)場(chǎng)只需完成吊裝及處理模塊拼接處的管線接駁及裝飾等少量工作，現(xiàn)場(chǎng)施工免支模，減少現(xiàn)場(chǎng)施工工序，極大提高建造效率，縮短施工工期，是裝配式建筑的最高形式，因而它具有一系列顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及社會(huì)意義。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的大量流入，深圳市的教育設(shè)施供給不足、空間分布不均衡、優(yōu)質(zhì)教育資源短缺等問題日益凸顯，且亟待解決。目前，深圳市福田區(qū)正在興建8 座多層模塊化鋼結(jié)構(gòu)幼兒園，通過利用模塊化建筑的具有嚴(yán)格的質(zhì)量保障，能實(shí)現(xiàn)快速建造的優(yōu)越性，來解決福田區(qū)幼兒園教育資源供給不足的問題。

張鵬飛等人［1-2］針對(duì)多層鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑和鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，采用了模塊單元插銷螺栓連接節(jié)點(diǎn)，根據(jù)其傳力路徑提出了該節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化方式，并對(duì)簡(jiǎn)化方式的合理性進(jìn)行了研究。楊曉杰［3］提出一種采用槽形截面鋼作為模塊梁柱的型鋼模塊建筑體系，該體系的模塊之間采用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，并以一棟采用槽形截面鋼作為主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的箱式模塊化鋼結(jié)構(gòu)，考察了該種模塊建筑體系的適用性。王煒［4］通過采用異形角柱與螺栓相結(jié)合的方式進(jìn)行模塊箱體與箱體之間的連接，并結(jié)合該連接形式對(duì)多層箱式模塊化建筑進(jìn)行了抗側(cè)移剛度的理論分析。李若然［5］基于模塊化鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程，模塊之間的連接采用插銷定位與模塊角柱表面進(jìn)行蓋板螺栓連接結(jié)合的節(jié)點(diǎn)連接形式，對(duì)模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力分析，研究了模塊結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，提出了模塊間連接節(jié)點(diǎn)的主要受力模式。邱韻［6］設(shè)計(jì)了一種“X 型”卡件節(jié)點(diǎn)用于連接多層集裝箱式房屋外表面四相鄰箱體，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并給出了節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化等效彈簧模型。丁陽(yáng)［7］從模塊化結(jié)構(gòu)層面和模塊化建筑層面分別綜述了國(guó)內(nèi)外模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式和研究現(xiàn)狀。此前模塊之間的節(jié)點(diǎn)連接多為插銷螺栓連接，高強(qiáng)度螺栓連接，異形柱結(jié)合螺栓連接，插銷式結(jié)合高強(qiáng)螺栓連接等形式。

這8座多層鋼結(jié)構(gòu)模塊化幼兒園的模塊之間均采用了新型的連接方式，即采用長(zhǎng)螺桿結(jié)合帶有抗剪連接錐的連接板相連接。因此結(jié)合其中1座幼兒園，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能指標(biāo)分析研究，并結(jié)合分析結(jié)果提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。

1 多層模塊化鋼結(jié)構(gòu)信息

1.1 工程概況

本項(xiàng)目為3層鋼結(jié)構(gòu)模塊化幼兒園，是由底層框架，第2、第3層為模塊組成的鋼框架結(jié)構(gòu)體系。頂層樓梯模塊頂面標(biāo)高為14.65 m，設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。建筑面積2 709 m2。其2層建筑平面以及2層模塊平面布置分別如圖1、圖2所示。

圖1 幼兒園2層建筑平面Fig.1 Layout of the Second Floor of the Kindergarten

圖2 幼兒園2層模塊平面布置Fig.2 Layout of the Second Floor Module of the Kindergarten （mm）

本幼兒園為乙類建筑，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）：GB 50011—2010》［8］的規(guī)定，其結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，抗震等級(jí)為三級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.1 g。建筑物場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0.35 s，地面粗糙類別為C類。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，基本風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.75 N/m2。

1.2 建模信息

多層鋼結(jié)構(gòu)幼兒園底部框架柱為箱型柱，梁采用“H”型鋼梁，第2、第3層模塊化結(jié)構(gòu)的梁柱均采用箱型截面。建模時(shí)樓板厚度設(shè)置為0，恒荷載按照考慮樓板實(shí)際重量輸入，安裝相鄰模塊之間的樓板相互獨(dú)立?？紤]到模塊之間通過長(zhǎng)螺桿結(jié)合帶有抗剪連接錐的連接板相連接特點(diǎn)（見圖3），實(shí)際建模時(shí)模塊之間的連接簡(jiǎn)化成鉸接的形式連接［9］（見圖4），實(shí)際建模中為了安全考慮，模塊水平連接則不進(jìn)行鉸接處理。幼兒園結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件信息如表1所示，主體結(jié)構(gòu)如圖5所示，盈建科分析模型如圖6所示。

圖3 新型連接方式示意圖[8]Fig.3 Schematic Diagram of the New Connection Method［8］

圖4 節(jié)點(diǎn)連接簡(jiǎn)化圖［8］Fig.4 Schematic Diagram of the New Connection Method［8］

表1 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件信息Tab.1 Information of Main Structural Components

圖5 幼兒園主體結(jié)構(gòu)Fig.5 The Main Structure of the Kindergarten

1.3 結(jié)構(gòu)初步計(jì)算

對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下反應(yīng)譜分析，可得其最大層間位移角為1/401，小于規(guī)范規(guī)定的1/250 的限值要求。結(jié)構(gòu)第1、第2 振型均為平動(dòng)，第3 振型為扭轉(zhuǎn)，前三振型的自振周期分別為0.756 1 s，0.535 1 s和0.413 8 s，周期比為0.55。說明該結(jié)構(gòu)滿足抗震的基本要求。

圖6 盈建科分析模型Fig.6 YJK Analysis Model

2 靜力非線性分析

2.1 抗震性能化設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性等要求，在不同的地震作用下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，分析其是否達(dá)到規(guī)定的抗震性能化設(shè)計(jì)水準(zhǔn)和性能目標(biāo)。

實(shí)際分析中，結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)是否滿足要求，通常由結(jié)構(gòu)的層間位移角進(jìn)行判斷。根據(jù)文獻(xiàn)［8］的規(guī)定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)抗震性能要求對(duì)應(yīng)的層間位移角限值如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)抗震性能要求對(duì)應(yīng)層間位移限值Tab.2 Inter-story Displacement Limits Corresponding to the Requirements of Structural Members to Achieve Seismic Performance

由于本項(xiàng)目為幼兒園，結(jié)構(gòu)重要等級(jí)為乙類，本文分析設(shè)定的性能指標(biāo)為性能2，即結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)保持完好，結(jié)構(gòu)的層間位移角遠(yuǎn)小于彈性位移限值；在設(shè)防烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)基本完好，結(jié)構(gòu)的層間位移角略大于彈性位移限值；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)存在輕微的塑性變形，變形小于2倍的彈性位移限值。

2.2 靜力彈塑性分析結(jié)果

采用倒三角形（分別沿X、Y 正方向）和等加速度的加載方式（分別沿X、Y 正方向）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力非線性分析，其中X、Y 方向分別對(duì)應(yīng)模型長(zhǎng)邊、短邊方向。在4 種工況作用下，性能點(diǎn)［10］處層間剪力與層間位移角的分析結(jié)果如圖7所示。

結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，4 種工況對(duì)應(yīng)的性能點(diǎn)的最大層間剪力和最大層間位移角如表3所示。

圖7 4種工況下層間剪力及位移角Fig.7 Interlayer Shear Force and Displacement Angle under Four Working Conditions

表3 4種工況作用下性能點(diǎn)處樓層最大響應(yīng)Tab.3 Maximum Response of Floors at Performance Points under Four Working Conditions

在4 種工況作用下，靜力彈塑性分析X 向和Y 向?qū)娱g剪力的最大值分別為6 554 kN和5 826 kN。結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/126，小于表2中選定的性能2，即小于1/125。在罕遇地震作用且在同一加載方向的情況下，采用倒三角形加載方式均大于等加速度加載方式下產(chǎn)生的最大層間位移角。4 種工況作用下，在同一加載方向的情況下，采用倒三角形加載方式均小于等加速度加載方式下產(chǎn)生的最大層間剪力。由此可知，加載方式的不同對(duì)所分析的結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的響應(yīng)影響較大。

2.3 構(gòu)件性能化狀態(tài)統(tǒng)計(jì)

本文分析中，梁柱的滯回曲線采用軟件默認(rèn)的滯回曲線，梁柱的從應(yīng)力強(qiáng)化到出現(xiàn)塑性鉸直至最終破壞期間的梁柱構(gòu)件性能狀態(tài)統(tǒng)計(jì)如圖8所示。

圖8 柱構(gòu)件性能狀態(tài)統(tǒng)計(jì)Fig.8 Column Member Performance Status Statistics

由分析可知，在罕遇地震作用下，構(gòu)件性能狀態(tài)為“基本完好”，則未出現(xiàn)塑性鉸，其余性能狀態(tài)均為已出現(xiàn)塑性鉸，出現(xiàn)塑性鉸情況的構(gòu)件大部分的性能狀態(tài)為輕微損傷。由4種工況下構(gòu)件性能狀態(tài)統(tǒng)計(jì)情況可知，只有在倒三角形Y+向推覆的情況下，出現(xiàn)了極少數(shù)梁破壞退出工作的情況；在X+向推覆加載的情況下，結(jié)構(gòu)的柱先于梁進(jìn)入塑性鉸狀態(tài)，在Y+向推覆加載的情況下，結(jié)構(gòu)的梁則先于柱進(jìn)入塑性鉸狀態(tài)。

3 彈塑性時(shí)程分析

彈塑性時(shí)程分析方法是將特定的地震動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)中加以分析，求得在地面加速度隨時(shí)間變化期間內(nèi)，結(jié)構(gòu)因地震波的輸入所產(chǎn)生響應(yīng)的全過程。

本文根據(jù)所分析結(jié)構(gòu)以及文獻(xiàn)［8］要求，選用了2條自然波（Coyote Lake波、Coalinga-01波）和1條人工波對(duì)本結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。罕遇地震作用下，3 條地震波所對(duì)應(yīng)的層剪力和層間位移角如圖9～圖10所示，分析結(jié)果如表4所示。

圖9 地震波作用下層間剪力最大值Fig.9 The Maximum Interlayer Shear Force under the Action of Seismic Waves

圖10 地震波作用下層間位移角最大值Fig.10 The Maximum Value of the Interlayer Displacement Angleunder the Action of Seismic Waves

表4 結(jié)構(gòu)在3條地震波作用下樓層的最大響應(yīng)Tab.4 The Maximum Response of the Structure under the Action of 3 Seismic Waves

由分析可知，罕遇地震作用下，彈塑性時(shí)程分析X向和Y向?qū)娱g剪力的最大值分別為4 771 kN和4 125 kN。罕遇地震作用下，X、Y 分別為主方向時(shí)彈塑性時(shí)程分析所得的層間位移角最大值分別為1/61 和1/56，均滿足規(guī)范規(guī)定的1/50的限值要求。

4 總結(jié)

⑴靜力彈塑性分析時(shí)，不同的加載方式對(duì)最終的分析結(jié)果有所不同。倒三角加載方式下的多層鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑的首層剪力小于等加速度加載方式下的首層剪力。同時(shí)層間位移角則同樣小于等加速度加載方式下的層間位移角。

⑵靜力彈塑性分析時(shí)，結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)存在輕微的塑性變形，變形小于2 倍的彈性位移限值要求。彈塑性時(shí)程分析時(shí)，結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足彈塑性層間位移不應(yīng)大于層高的1/50的限值要求。

⑶靜力彈塑性分析時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件大部分未進(jìn)入屈服狀態(tài)，且極少數(shù)梁出現(xiàn)破壞退出工作的情況，說明大部分構(gòu)件的性能儲(chǔ)備較大。在X+向推覆加載作用下，柱先于梁進(jìn)入塑性鉸狀態(tài)，說明X 方向的柱強(qiáng)度小于梁的強(qiáng)度，因此結(jié)合大部分構(gòu)件性能儲(chǔ)備較大的情況，可適當(dāng)減少構(gòu)件截面尺寸，且構(gòu)件截面減少后需保證滿足“強(qiáng)柱弱梁”要求。

⑷通過本文的分析結(jié)果，驗(yàn)證了采用新型連接節(jié)點(diǎn)的此類多層鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑體系合理性。因此，將此類具有綠色節(jié)能、高品質(zhì)、高建造效率等一系列顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)的多層鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑推廣應(yīng)用于學(xué)校教育設(shè)施建設(shè)，應(yīng)急防疫類醫(yī)院等的快速建造有著巨大的社會(huì)效益。