多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析

多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析
摘要：随着建筑的使用功能被扩展，很多城市建筑都有多种功能设置需求，为
了满足建筑的功能设计，设计人员在会通过将常规建筑结构改造为符合建筑结构，进一步对复合式的建筑进行设计。

而在搭建这种具有复合型结构的建筑时，设计
人员需要结合应用多种设计方法，将钢框架设计法与多层钢结构模块设计法结合
应用。

使结构设计工作更具合理性，本文以实际的建筑设计案例为参考，对其该
类建筑的结构设计方法进行研究。

关键词：多层钢结构模块；钢框架；复合建筑结构；设计方法
随着城市的现代化程度增强，很多复合式建筑出现在城市之中，虽然复合式
建筑可以满足多种建筑应用需求，但是其结构设计工作却比一般的建筑的结构设
计更为艰难，设计者需要对建筑的各个部分进行协调，避免建筑的不同部位出现
冲突的情况。

在设计复合式建筑的结构时，设计者常常会选择构建出钢框架与多
层钢结构模块的复杂结构形式，本文对其设计状况进行分析。

1 案例情况分析
由于复合式结构建筑的设计工作难度系数高，本文将结构设计方法带入到实
际的建筑结构设计工作之中，进行具体化分析，本文先对工程概况进行研究。

案例之中建筑属于办公楼，其位于城市新区之中，周围具有极为丰富的旅游
资源，周边环境极好，与航海道相连，建筑的总体面积为2536.3m2，建筑总体层数为3层，局部位置为4层，建筑的整体高度为16.4m，建筑标准层的高度为
3.9m，首层高度为5.4m，该建筑并没有地下空间，从其层数特点来看，可以被划分到多层建筑范围之中，选用的结构模式为复合式钢框架结构系统为钢结构模块。

2 设计概况
2.1 设计结构系统
在为该建筑提供结构设计时，需要做好模块单元的处理工作，在其他结构设
计工作开始之前，先加工好结构单元，再将已经完成加工的结构单元运送到建筑
现场，通过吊装的方法来安装模块单元，负责安装结构单元的工作人员需要事先
了解吊装规范，按照规范完成安装模块单元，吊装的宽度大约为3m，高度不能
超过4m。

建筑的结构设计工作需要以建筑的使用功能为参照，确保结构设计是符合建
筑的功能设定的。

由于该建筑为办公楼，因此其内部空间设计极为丰富，在首层
位置有展示区、餐厅以及咖啡厅的设置需求，因此需要在首层预先留出比较大的
空间，设计人员要将模块设置到相应的位置上。

在该建筑的二层位置，需要搭建
天桥，使建筑之中的人可以通过天桥达到西侧工厂之中，如果只使用单一化的控
制方法，设计人员是难以完成多种建筑结构设计工作的，因此本文将框架设计法
与模块设计法两种设计方法加以结合，在内部结构较为复杂的首层、二层以及三
层应用框架设计法，而在对其他建筑空间结构进行设计时，应用单元模块设计法。

2.2 确定模块类型
在这种模块设计系统之中，可选用的设计方法有很多中，包括中柱单元、普
通单元、支撑单元等。

四种单元设计情况如图1所示。

图1 模块类型
2.3 设计结构构件
在对钢框架结构进行设计的时候，可以将H型钢梁与矩形钢管柱进行结合使用，在对梁
柱的节点进行设计的使用，可以选用隔板贯通型的新型节点，借助隔板来打断梁柱没在连接
梁柱的时候，采用焊栓混合连接的方法进行连接。

这种结构连接方法具有受力性能比较好，
安装工作也比一般的设工作更为便捷。

2.4 设计结构节点
节点设计也是初期结构设计环节之中的一个重点设计任务，在对连接方式进行选择的时候，可以选择螺栓拉杆、插销、特制铆钉电能几种连接方法，在开展连接节点这项工作的时候，不仅需要确保节点的刚度符合要求，同时还要对节点的强度进行测量，这种节点设计的
优势在于，其传力系统较为可靠，在进行施工建设的时候也能降低施工难度。

3 模块设计情况分析
3.1 对节点进行简化
模块连接节点的简化要做到传力与实际的节点构造一致，具体简化方式为：考虑到上下
模块之间各构件对模块柱的约束，模型中模块柱与模块梁连接点到上下模块间柱头节点间用
刚性短杆表示；上下模块间柱头柱牌节点为铰接连接，且饺接节点之间进行平动自由度耦合；上下模块梁的拉杆用样单元模拟。

运用ANSYS有服元软件建立简化的十字形节点模型，其中，梁、杜以及短杜用Bean189
单元模拟，拉杆用Link8 单元模拟。

对其柱顶施加位移约束，考虑大变形，绘制荷载-位移骨
架曲线，将其与模型尺寸、约束条件以及加载方式均相同的实体模型的骨架曲线进行对比，
得到实体模型的极限荷载约为86kN，对应的极限位移为134.1mm，而简化模型的极限荷载约为77kN，对应的极限位移为114.1mm，二者相差不大。

对比者的弹性位移，均约为50mm，
且弹性花围内刚度差别不大：简化模型的弹性刚度小于实体模型的弹性闸度，约为实体模型
刚度的81.6%。

究其原因应该是在简化模型中未考虑实体模型的各种构造，且简化模型中未
考虑板件展曲后的强度。

由于设计中要求材料处于弹性阶段，所以这样的简化对设计来说是
可以接受的。

3.2 创建模型
采用有限元软件MIDAS/Gen821建模，整体模型如图2所示。

梁杜采用梁单元建立；支撑、上下模块之间的拉杆水平模块之间的盖板连接采用桁架单元建立。

图2 模型设计
4 结束语
本文以实际的复合式建筑为研究对象，对这一类建筑设计方法进行了简要介绍，设计人
员除了需要做好建筑体系的整体构建工作之外，还需要对复杂结构的特殊位置加以细化处理。

明确了建筑的结构形式之后，设计者需要将各个结构模块完整地划分出来，应用模块设计法
可以简化结构设计工作，设计人员把握好节点的受力状况就可以提升建筑结构的整体合理性，在计算节点受力数据时，需要对影响节点的因素加以考虑，在对数据进行验算时，不能遗漏
地震情况，使复合式建筑结构更为安全。

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