多层钢结构模块的结构设计与力学性能探析

多层钢结构模块的结构设计与力学性能探析

丛芮赵洪辉

蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司山东蓬莱265607

摘要：建筑工程施工技术的发展，简化了施工模式，加快了建筑工程的施工速度。多层钢结构模块在建筑工程施工中的应用，大大缩短建筑工程的施工周期，减少费用支出。本文从三个方面进行阐述，详细说明多层钢结构模块在建筑工程施工中的应用优势，推动建筑工程的快速发展。

关键词：多层钢结构模块；结构设计；力学性能

近几年，国家较为重视住宅产业化的发展，大力推行装配式建筑，模块建筑属于装配式建筑的一种形式，能够有效缩短建筑工程的施工周期，实现建筑施工的绿色环保发展。多层钢结构设计主要是以建筑设计方案为基础先构建一个符合规定要求的框架，以构建科学的、合理的建筑结构体系，钢结构模块间通过插销螺栓进行连接，与传力路径设计原则保持一致，能够简化方案，简化设计，科学有效的分析设计结果，最大化的展现多层钢结构具备的优势。

一、多层钢结构模块的优势

大部分多层钢结构模块是在工厂中进行加工与制作的，属于一种流水线作业，能够有效提高建筑工程的施工质量，大大缩短建筑工程的施工周期。

1.建造时间缩短

建筑工程中使用多层钢结构模块在工厂中进行加工制作时，建筑施工现场可进行基础工程的施工建设，而多层钢结构模块在工厂中制作完成后进入施工现场，在施工现场所需的施工操作量较少。且多层钢结构模块在工厂中进行加工制作时，不用担心气候与温度等天气因素的影响，大大缩短多层钢结构模块的制作时间，缩短工程建造时间，同时也大大减少资金成本的投入。

2.施工质量良好

模块化建筑属于一种装配式建筑，装配率超过80%，因此大部分的模块化建筑的配件与建造过程是在工厂中完成施工装配的，通过机械化形式进行操作，能够有效避免误差，大大降低施工差错率，使得建筑工程的施工质量得到有效保证。

3.实现建筑工程施工的绿色环保发展

多层钢结构模块是在工厂中加工制作完成的，大大降低建筑工程施工现场丢弃的垃圾量，特别是多层钢结构模块在建筑工程施工中应用时，能够有效避免建筑材料的浪费，能够大大降低建筑工程施工现场的噪音量与粉尘量，有效避免施工现场建筑材料的过量堆积，实现建筑工程的绿色环保发展，同时也有效避免对施工现场周围居民的日常生活产生过多的不良影响。

4.减少人力物力的投入

多层钢结构模块在工厂中施工建造时是通过流水线作业的模式进行的，加工人员仅需熟练掌握某几道将工序即可，机械化的加工作业形式大大降低人工作业量，避免不必要人力的浪费。加工工厂中的施工环境比建筑施工现场的环境较佳，加工人员可集中注意力进行加工制作，有效避免交工材料的浪费，大大提高钢材料的利用率，降低人力物力的投入量，节约施工成本。

二、多层钢结构模块的结构设计

1.有限元模型的构建

在有限元模型构建时需以某建筑案例为基础进行分析，编制设计方案。如：某办公大楼为多层建筑，地上建筑为三层，局部设有四层，未设置地下停车空间，大楼总高度为16.4m，使用多层钢结构模块进行施工建设。

（1）结构体系

该办公大楼所需的钢结构模块均需在工厂中加工制作，完成后再将其运送至施工现场进行整体吊装，因此钢结构模块的设计制作尺寸需在可运输范围内，需满足道路建设与吊装的要求，设计出最佳尺寸的钢结构模块，在方便加工制作的同时，能够大大缩短钢结构模块的制作时间。一般情况下，单个钢结构模块的长、短、高分别是3.5m、2.5m、4.2m，以建筑布置与建筑功能为基础设计钢结构空间，大楼一层主要用于人们的放松与观赏，二楼需设置天桥，因而不能整体使用模块设计进行。

（2）单元划分

本次选用的办公大楼和传统形式的建筑存在很大区别，无法沿用同一种设计模式进行，需设计人员根据办公大楼的具体结构进行设计，划分科学、合理的模块，钢结构模块首先需遵循对称、规则的原则，易于运输和吊装，且同一功能的建筑房间需统一设置在一个钢结构模块中，再另外设置独立区域。本办公大楼由设计人员划分为51个单元，又依据结构需求又被分为角部加强、支撑、中柱、普通等多种类型；其中角部加强主要用于模块角部位的加固，大大提高模块的稳定性；支撑模块的设置能够大大增加建筑工程的抗侧刚度，多用于楼梯与外部周围的模块建造；中柱则是在普通的基础上再在横向模块中增加中柱，实现模块的上下贯通，实现多点连接，提高建筑的整体性；普通钢结构模块主要为地板梁与模块柱，躲在办公区中使用。钢结构模块多选用冷弯矩、冷弯方钢管进行焊接加工。

2.模块建模和连接

在模块制作完成后，选择节点进行连接，能够完成模块节点的刚接。单元模块构建是在结构荷载的基础上进行的，依据结构荷载选择钢材型号，第一层选用矩形钢管与钢梁，三个规格的截面，在与国家要求相符的基础上简化模块设计。

三、多层钢结构模块的力学性能分析

1.弹塑性时程

在分析弹塑性时程时，是以层间位移角变化为基础计算结果。通过软件进行不常见三条地震波的模拟，并对地震波的位移角变化进行详细分析。例如：发出TH2TG065波后，钢连接与插销螺旋连接在办公大楼中应用的X方向的位移角分别是1/56、1/662、1/83、1/130与1/153、1/96、1/54、1/710；Y方向的位移角分别是1/107、1/172、1/183、1/137与1/106、1/182、1/142、1/181，将上述各位移点在模拟图中标出后进行连线，以对理论合理性进行验证。

2.弹性时程

弹性时程主要是通过gen821/midas软件进行分析，（1）应力：主要用于钢连接、插销螺栓等最大值应力的检验，在发出Taft波后，模块的插销螺栓会向两面用力，选择多个位置进行最大应力值的测验，例如：办公楼二层：X方向、东桁架，为194.50MPa；办公楼二层：Y方向、东北单元柱，为118.82MPa；（2）基底剪力：通过第地震波进行模拟，地震波均移动至X、Y两个方向，波形不一，人工波对应的总剪力为2611.17KN、2001.91KN，总剪力波则是2707.95KN与2104.21KN，利用模型的力量与反应可计算出地震波总应力平均为2605.15KN与2062.15KN，与规定要求相符。地震波可通过铰连接模型进行计算与验算，在钢连接模型测验中，地震波的平均数为2628.51KN与2059.97KN，与模型数据相符。

结语：

综上所述，多层钢结构模块在建筑工程施工建设中的应用，能够有效加快建筑工程的施工速度，缩短施工周期，降低资金成本。插销螺栓能够有效保证节点连接的可靠性与稳定性，通过简化模型与实际模型的分析能够保证静动力性能，确保钢结构模块具备良好的力学性能，大大降低钢结构建模的难度。

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