李艷愛(ài)

（山西元工電力工程設(shè)計(jì)有限公司，太原 030000）

1 引言

近年來(lái)，多層鋼框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍不斷拓展，而多層鋼結(jié)構(gòu)中有很多重要構(gòu)件，如鋼桁架、鋼梁、鋼柱等環(huán)節(jié)，連接方式是以螺栓連接、傳統(tǒng)焊接為主，且連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量趨于多樣化，工作人員每天需要完成較大工程量。 同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)在不同模塊單元連接時(shí)，由于模塊單元連接方法過(guò)于簡(jiǎn)單，且不同大小的模塊連接方法存在嚴(yán)重差異性， 工作人員通常采用專用節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行連接。 在正常情況下，專用節(jié)點(diǎn)連接方式采用螺栓拉桿連接和插銷連接方式， 從而保證模塊間角部連接節(jié)點(diǎn)的剛度能達(dá)到行業(yè)要求。 基于此，本文以一棟多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑為主要研究對(duì)象，根據(jù)建筑要求和模塊尺寸數(shù)據(jù)，來(lái)選擇結(jié)構(gòu)體系類型，提出鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)體系和鋼結(jié)構(gòu)模塊，合理設(shè)計(jì)所采用的構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)。 同時(shí)，將模塊建筑和傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比后，合理應(yīng)用傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，來(lái)提高建筑物整體穩(wěn)定性。 另外，通過(guò)利用有限元軟件構(gòu)建分析模型，計(jì)算在不同情況下建筑物的實(shí)際數(shù)據(jù)， 并將實(shí)際數(shù)據(jù)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，確保建筑物每個(gè)指標(biāo)都能滿足行業(yè)規(guī)范要求[1]。

2 工程概述

某辦公樓項(xiàng)目坐落在天津市濱海新區(qū)， 西側(cè)是中央大道旅游區(qū)，南面距離航海道2.5 km，辦公樓總面積為2 536.2 m2，建筑層數(shù)為3 層，高度16.4 m，首層高度在5.4 m，標(biāo)準(zhǔn)層高度3.9 m。 目前，工作人員未設(shè)計(jì)地下空間，是現(xiàn)代最常見(jiàn)的多層建筑， 整體結(jié)構(gòu)是由鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)體系和鋼結(jié)構(gòu)模塊體系組成[2]。

3 結(jié)構(gòu)體系與構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系選擇

鋼結(jié)構(gòu)屬于建筑工程中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)之一， 主要分為鋼板和型鋼，主要有鋼桁架、鋼柱、鋼梁等構(gòu)件，這些構(gòu)件通常采用焊縫、螺栓、鉚釘?shù)冗B接方式進(jìn)行拼裝，形成完整的鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)在綠色施工方面的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在如下方面：首先，相比于傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)， 鋼結(jié)構(gòu)具有明顯的實(shí)用性和綠色環(huán)保性。 其抗震性能要遠(yuǎn)高于混凝土結(jié)構(gòu)， 當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重地震災(zāi)害時(shí)，由于鋼結(jié)構(gòu)自身承重較輕，強(qiáng)度指標(biāo)較高，能有效緩解變形破壞程度和振動(dòng)位移程度，提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性。其次，由于鋼結(jié)構(gòu)建筑自重較輕， 其通常是以冷彎薄壁構(gòu)造體系為主體，融合冷軋鍍鋅防腐措施，能有效避免建筑結(jié)構(gòu)受到銹蝕因素影響。

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)具有較好的耐久性、抗震性、抗風(fēng)性等，雖然也存在很多方面的問(wèn)題，但可通過(guò)利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行解決，能充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的綜合性能。 基于本文辦公樓鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸要求，鋼結(jié)構(gòu)模塊單元要在工廠內(nèi)進(jìn)行加工，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，再讓工作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝安裝，嚴(yán)格遵循行業(yè)吊裝標(biāo)準(zhǔn)。 模塊單元寬度為2.5 m，高度低于4.2 m。 根據(jù)建筑功能要求，工作人員要將辦公樓首層設(shè)置咖啡廳、模塊展示區(qū)等空間，建筑高度為5.4 m，在第二層設(shè)置通往西側(cè)工廠的天橋，所以不能全部使用純模塊體系。 通過(guò)上述分析確定結(jié)構(gòu)體系是復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，前3 層為傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)，其他環(huán)節(jié)采用鋼結(jié)構(gòu)模塊單元。

3.2 模塊單元類型

鋼結(jié)構(gòu)模塊單元總體是以鋼框架結(jié)構(gòu)， 具體分為角部加強(qiáng)模塊單元、普通模塊單元、支撐模塊單元、中柱模塊單元等。普通模塊單元被設(shè)置在辦公室區(qū)域中； 中柱模塊單元是在普通模塊單元基礎(chǔ)上安裝中柱， 確保橫向模塊和中柱能相互通暢，有利于工作人員控制鋼結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行多點(diǎn)位連接，無(wú)形中提高模塊建筑的整體性。 同時(shí)， 鋼結(jié)構(gòu)在不同模塊單元連接時(shí)，采用專用節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行連接。 在正常情況下，專用節(jié)點(diǎn)連接方式采用螺栓拉桿連接和插銷連接方式， 從而保證模塊間角部連接節(jié)點(diǎn)的剛度能達(dá)到行業(yè)要求。 同時(shí)，支撐模塊單元是在模塊單元中設(shè)置支撐柱，進(jìn)一步提高建筑剛度。 而角部加強(qiáng)模塊單元在模塊建筑某個(gè)環(huán)節(jié)， 主要目的是防止角部柱子過(guò)于淺薄； 模塊單元不同構(gòu)件都被應(yīng)用大量冷彎矩形鋼管和冷彎方鋼管，且采用工廠內(nèi)焊接方式進(jìn)行連接。

3.3 首層鋼框架結(jié)構(gòu)

首層結(jié)構(gòu)形式通常是由H 形鋼梁和矩形鋼管柱所形成的鋼框架結(jié)構(gòu)。 梁柱節(jié)點(diǎn)一般是利用隔板貫通式節(jié)點(diǎn)，即是利用隔板將柱子全部斷開(kāi)， 梁柱連接時(shí)利用栓焊混接方法進(jìn)行連接，其具有較強(qiáng)的受力性能，有利于工作人員進(jìn)行安裝，完全滿足模塊建筑快速施工要求。

3.4 構(gòu)件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目所采用的鋼材型號(hào)為Q345B， 嚴(yán)格遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行樓板搭設(shè)，將模塊次梁間距控制在2 m 范圍內(nèi)。 同時(shí)，在模塊單元設(shè)計(jì)過(guò)程中，要保證柱梁截面超過(guò)柱截面。 為滿足行業(yè)抗震設(shè)計(jì)要求，工作人員要在模塊柱中澆筑適量混凝土，來(lái)降低軸壓比，從而提高建筑物抗震系數(shù)。 首層框架柱截面有3種不同類型，根據(jù)設(shè)計(jì)荷載條件對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度的要求，模塊梁截面有不同等級(jí)， 和模塊柱連接的梁截面寬度為150 mm，保證梁柱連接外立面齊平，有利于模塊建筑現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工[3]。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的建立

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)相關(guān)部門要求， 建筑企業(yè)工作人員要將辦公樓抗震設(shè)防烈度為8 度，基本地震加速度為0.20g，地震分組為第一組，地類別是Ⅳ類，特征周期為0.65 s，地面粗糙度為B 類。 考慮到不同方面因素，如地震荷載、恒荷載、風(fēng)荷載、活荷載。

4.2 節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化

4.2.1 節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型

在簡(jiǎn)化模塊連接節(jié)點(diǎn)過(guò)程中， 要確保傳力和實(shí)際節(jié)點(diǎn)構(gòu)造基本相同，考慮到不同模塊中的構(gòu)件給模塊柱帶來(lái)的影響，工作人員要將模型中模塊柱和模塊梁進(jìn)行相互連接， 利用剛性短桿來(lái)控制日常運(yùn)動(dòng)。 同時(shí)，利用鉸接連接方法來(lái)實(shí)現(xiàn)平動(dòng)自由度進(jìn)行耦合， 讓短柱間拉桿的鉸能在上下模塊間傳輸彎矩，從而達(dá)到剛接效果。

4.2.2 模塊連接節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化的合理性研究

工作人員可通過(guò)ANSYS 有限元軟件建立十字形節(jié)點(diǎn)模型（見(jiàn)圖1），考慮到變形作用，其可繪制荷載位移骨架曲線，將其和辦公樓各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比， 從而計(jì)算出實(shí)體模型的極限荷載和極限位移，并將其和簡(jiǎn)化模型的極限荷載進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)值相差較小[4]。 通過(guò)將兩者彈性位置進(jìn)行對(duì)比，簡(jiǎn)化模型彈性剛度要低于實(shí)體模型彈性剛度， 大概是實(shí)體模型剛度的81%。主要原因是在簡(jiǎn)化模型中，并未考慮到實(shí)體模型的各種構(gòu)造和板材屈曲后的強(qiáng)度。

圖1 十字形節(jié)點(diǎn)ANSYS 模型

4.3 構(gòu)建模型

利用有限元軟件進(jìn)行建模，梁柱采用梁?jiǎn)卧獮橹黧w，來(lái)支撐上下模塊間的拉桿運(yùn)行， 水平模塊間的蓋板連接利用桁架單元進(jìn)行設(shè)置。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 周期與振型

通過(guò)分析特征值能得到結(jié)構(gòu)前12 階振型的頻率分布圖，可看出前3 階振型頻率較低， 低于12 階頻率變化速度較快，自振頻率過(guò)于頻繁， 除了第12 階、9 階、5 階出現(xiàn)頂部局部振動(dòng)外，其他環(huán)節(jié)都為整體振動(dòng)，這說(shuō)明整體結(jié)構(gòu)剛度分布具有較強(qiáng)的合理性，能有效提高模塊建筑的整體性。 同時(shí)，通過(guò)查看前3 階周期和振型，發(fā)現(xiàn)在第1 階振型屬于X 向平動(dòng)，周期為0.8330 s；第2 階振型是X 向平動(dòng)，周期是0.537 7 s；第3 階振型是扭動(dòng)，周期0.508 4 s，且周期比低于0.85，能滿足民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)要求[5]。

5.2 頂點(diǎn)位移

通過(guò)分析在不同情況下的頂點(diǎn)位移發(fā)現(xiàn)， 最高位移通常出現(xiàn)在頂層。 其中，在恒荷載和風(fēng)荷載組合情況下，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最高位移是5.64 mm；恒荷載和地震作用情況下，頂點(diǎn)最大位移為30.24 mm。 經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，上述這些位移數(shù)據(jù)都低于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，能滿足行業(yè)如此要求[6]。

6 多層鋼結(jié)構(gòu)模塊施工的關(guān)鍵技術(shù)

6.1 資質(zhì)審核

施工單位要注重檢查鋼結(jié)構(gòu)重要施工環(huán)節(jié)的實(shí)際進(jìn)度，關(guān)注構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)吊裝和拼裝， 嚴(yán)格遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢查工程構(gòu)件安裝質(zhì)量。 同時(shí)，在該時(shí)間段，施工企業(yè)要實(shí)時(shí)查看吊裝設(shè)備執(zhí)行情況，采用合理方式對(duì)其進(jìn)行審核，科學(xué)控制技術(shù)流程和屋架外形， 保證鋼結(jié)構(gòu)建筑吊裝方法和施工技術(shù)能符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 上述控制內(nèi)容主要目的是保證施工建筑工序能完全根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)開(kāi)展相關(guān)工作。 另外， 在審核技術(shù)資源憑證時(shí)， 工作人員要注意檢查施工企業(yè)焊工資格證， 保證焊接方法、焊接工藝評(píng)審報(bào)告、接頭方式的科學(xué)性，避免出現(xiàn)錯(cuò)漏、遺漏等問(wèn)題，有效提高鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。

6.2 施工方法應(yīng)用

在安裝鋼結(jié)構(gòu)階段， 首先要滿足鋼結(jié)構(gòu)施工各項(xiàng)施工要求，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，來(lái)建立健全的施工管理機(jī)制，保證各項(xiàng)施工操作能滿足行業(yè)要求， 并確保工程能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)竣工。 同時(shí)，在安裝鋼結(jié)構(gòu)過(guò)程中要注重提高建筑安全性和空間穩(wěn)定性。 在正式安裝前要做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，如施工場(chǎng)地清理、機(jī)具吊裝準(zhǔn)備工作、運(yùn)輸?shù)缆沸藿?、運(yùn)輸構(gòu)件就位等工作。 其次，在鋼結(jié)構(gòu)工程施工中要測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)各方面數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和工程質(zhì)量有直接聯(lián)系， 且在鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量中要重復(fù)測(cè)量土建工程工序交接點(diǎn)， 保證鋼柱在安裝前的垂直度標(biāo)準(zhǔn)，從而合理控制沉降觀測(cè)[7]。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，從我國(guó)目前鋼結(jié)構(gòu)建筑工程施工情況來(lái)看，其仍然存在很多方面的問(wèn)題，需要工作人員進(jìn)行不斷完善，相關(guān)部門也應(yīng)增強(qiáng)對(duì)多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建設(shè)理念的重視程度， 將多層鋼結(jié)構(gòu)模塊理念應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)建筑工程各環(huán)節(jié)中， 來(lái)保證我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑工程能順利進(jìn)行。