同济大学土木工程学院
佳源房地产集团有限公司
概括
本文从结构选型、单元划分、模块设计、结构建模分析等方面介绍了模块化钢结构学生公寓的结构设计。针对不同的建筑功能需求，模块内设置了无屈曲波形钢板剪力墙和普通支撑两种不同的抗侧力构件。经过结构分析，比较了两者对结构设计的影响。模块之间的连接采用梁端盖螺栓连接，方便施工，并通过模型比较选择合理的模拟方法。
1项目概况
拟建项目为大学生公寓，总用地面积5378平方米钢结构面积计算规则，总建筑面积29380平方米。公寓由4栋宿舍楼和中间的公共走廊组成。宿舍楼周围有4栋宿舍楼，中央空地是公共庭院。宿舍楼为6层建筑，高18m，提供住宿功能。屋顶局部退缩，立面镂空，屋顶安装太阳能电池板。公共走廊共4层，高12m。下两层提供室外交通功能，上两层提供宿舍之间的室内交通功能，屋顶提供室外活动功能。
2结构选择
学生公寓楼的功能决定了其平面图中大部分区域为标准公寓房间。每个房间的尺寸基本为8 700毫米×3 300毫米，层高为3 000毫米。房间的内部布局也基本一致，标准化程度非常高。因此，结构系统选择了环保、快速、优质的模块化钢结构建筑系统。由于本项目为多层建筑，结构抗侧力要求不高，可直接采用建筑模块来抵抗水平力，因此可采用纯模块化结构体系。
由于采用模块化的建造方式，该学生公寓可以在工厂内完成模块内部的结构骨架、建筑墙板和管道的制造和安装。运输到现场后，只需完成模块之间的结构连接和拼缝处理，从而大大缩短了现场施工时间，使得学生公寓的建设可以在学校假期期间完成，而不影响学校教学工作。同时，由于模块化建筑可以方便地异地拆除和重建，还可以在不同校区甚至不同学校之间动态分配宿舍资源，甚至可以创造宿舍楼等新的学生宿舍建设模式。租赁。
基本模块的结构体系仅包括框架柱和框架梁，应用于层数较高的多层建筑时存在抗侧力不足的问题。关于模块化钢结构建筑抗侧力构件的选择，国内几乎没有相关文献，大多集中在集装箱房屋的研究上。国外模块化钢结构建筑采用的抗侧力构件主要有普通支撑和波纹钢板墙体。但普通支撑会影响大学生公寓的建筑功能，导致过道狭窄、门窗布置困难。全波纹钢板墙体将使模块由角柱承重转变为墙体承重，造成钢板屈曲，模块内力传递复杂，增加了设计难度和工程造价。考虑到建筑结构的功能要求和经济成本，本项目抗侧力构件采用同济大学李国强团队研发的无屈曲波形钢板剪力墙。无屈曲波形钢板剪力墙如图1所示，包括两侧的垂直边构件和中间的波形钢板。由于它先屈曲后屈服，并具有承重和耗能的双重功能，其耗能能力比普通钢板墙高出几十倍。无屈曲波形钢板剪力墙除了具有优良的减震、耗能功能外，体积小、布局灵活，不影响建筑功能区的使用。其在模块中的布局如图2所示。
图1 波形钢板剪力墙示意图
图2 模块内布置的钢板剪力墙
公共连廊楼层较低，一、二层不提供室内交通功能，因此连廊结构体系中设置了十字支撑和人字形支撑。由于室内采光要求，宿舍部分组件短边不宜设置支撑。因此，宿舍部分结构体系中设置1m宽的无屈曲波形钢板剪力墙作为辅助抗侧力构件。
3 结构设计
3.1
单位划分
本项目建筑造型复杂多变。为了保证结构的规整性和便于结构计算，在转角处设置抗震缝，分解整体结构。分割形成的不同单体如图3所示。1号单元是规则的长方体单元； 2号单元是一个有退缩的长方体单元； 3、4号单元为长方体单元，立面局部突出； 5号单元有一个门洞。长方体单位。
图3 结构单元
3.2
模块化设计
模块化建筑是由标准模块组装而成，但根据建筑物的功能和结构能力要求，建筑物可以使用许多不同类型的模块。本项目根据模块外观尺寸、构件布局及构件截面尺寸可细分为9类模块，即宿舍部分有6类模块，走廊部分有3类模块。其中，标准模块占模块总数的93.09%。这保证了模块使用的标准化。宿舍部分标准模数尺寸为8 700 mm×3 300 mm×3 000 mm，走廊部分标准模数尺寸为9 900 mm×3 300 mm×3 000 mm。模块内梁、柱均为箱形截面，具体截面尺寸如表1所示。
表1 模块内部元件尺寸 mm
3.3
结构建模
本项目主要利用MIDAS/Gen对五类单体进行建模计算。典型单体的结构计算模型如图4所示。
图4 结构计算模型
MIDAS软件自带钢材为Q345，构件单元类型为普通梁/变截面梁单元。本项目为钢结构装配式建筑，结构设计寿命50年。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.3g，场地类别为II类，设计地震分组为II组。建筑抗震等级为C类，粗糙地面类别为C类，基本风压0.35kN/m2，基本雪压0.4kN/m2。宿舍楼面恒载0.94 kN/m2，宿舍走廊恒载1.35 kN/m2，屋顶荷载1.12 kN/m2。
模块之间通过螺栓盖板连接，为半刚性节点。为了模拟这种半刚性节点，比较了一种特殊的节点连接模型，如图5所示。对于模块角点在节点处的连接，提出了两种模拟方案，如图6所示。
图5 节点连接对比模型
方案一：连接处同一水平面上的角点通过水平刚性杆连接，上下角点通过垂直刚性杆连接。刚性杆一端铰接，另一端刚性连接。
a——计划1； b—计划 2。
图6 两节点仿真方案
方案二：连接处同一水平面的角部采用交叉刚性杆连接，上下两组交叉刚性杆采用垂直刚性杆连接。
对比结果如表2所示。可以看出，这两种不同的模拟方案对结构的周期和位移影响不大，构件的内力相差不大。建模时采用了相对简单的方案1。刚性杆的弹性模量是普通钢材的1000倍，截面为160毫米×160毫米的实心方柱。
表2 节点仿真对比结果
注：Wx为风荷载作用下x向柱位移； Wy为风荷载作用下y向柱位移； Ex为地震作用下柱顶x向位移； Ey为地震作用下柱顶y向位移。
非屈曲波纹钢板墙以剪切变形为主，不会形成对角受拉区，因此可以采用等效交叉支撑模型进行模拟。等效交叉支撑模型包括交叉支撑和铰接端柱两部分。具体简化如图7所示。等效交叉支撑（实心圆杆）截面是根据刚度和屈服承载力等效的原理计算的。经计算其直径为85毫米。等效横撑与梁之间的连接是通过释放杆端约束来实现的。
图 7 等效交叉支撑
对于宿舍单体部分，考虑到侧向刚度要求和立面处理，有以下两种方案。方案一：山墙上仅布置少量的无屈曲波形钢板墙，即在端部模块的短边方向布置无屈曲波形钢板墙；方案二：在山墙和立面上均布置少量的无屈曲波纹钢板墙，即在端部模块上布置少量的无屈曲波纹钢板墙。模块两个方向均布置无屈曲波形钢板剪力墙。通过对比计算可知，方案一用钢量为58.45 kg/m2，方案二用钢量为52.80 kg/m2。因此，采用方案2，山墙和立面均设置波纹钢板墙体。
3.4
结果分析
通过建模计算分析，单体体自振特性、地震作用和风荷载作用下的层间位移角以及用钢量分别如图8和表3所示。
a——一阶振动振型，T=1.35 s； b——二阶振动振型，T=0.97 s； c——三阶振动振型，T=0.75 s。
图8 2号电池前三阶振动振型
表3 最大层间位移角及单台用钢量
注：rx、ry 分别为地震作用下 x、y 方向最大层间位移角； wy和wy分别是风荷载作用下的x和y层间位移角。
取最不利的细胞，即后退的2号细胞，观察其前三种振动模式。一阶振动形状是x方向的平移，二阶振动形状是y方向的平移，三阶振动形状是水平扭转。都是合理的振型，周期也满足周期比要求。从表3可以看出，各单体的最大层间位移角均小于1/250。
从表3可以看出，宿舍区2号单体的钢材消耗量高于其他3号单体。这是由于2号单体受挫，导致扭转刚度较差。从表1可以看出，走廊区域支撑截面尺寸大于角柱截面尺寸，因此走廊区域用钢量明显大于宿舍区域，说明非屈曲波纹钢板墙更能抵抗侧向力。适用于模块化钢结构建筑。
4节点设计
与一般框架结构不同，模块化建筑的梁、柱不是连续的。相邻模块需要通过角部的连接节点传递荷载并协调变形，使多个单元形成一定规模的整体结构。模块化建筑的模块单元结构完整、承载力高。然而，如果模块之间没有可靠的连接，就很难保证由多个模块组成的建筑的完整性。同时，施工现场的主要工作是完成模块的吊装和安装。模块间连接节点的快速连接步骤以及充足的施工空间将大大加快现场施工速度。因此，模块之间的连接节点对于最终结构的完整性、稳定性和适用性起着非常重要的作用。
考虑到传力可靠和施工方便，模块之间采用梁端盖螺栓连接。典型节点的具体结构如图9所示。梁端和柱端预焊连接件，连接件内设有加强筋，加强筋之间开设螺栓孔。连接板位于上、下连接件之间，采用高强度螺栓连接。连接板上设有L型抗剪定位双功能按键。双功能按键既能保证施工时安装的准确性，又能在使用时抵抗剪力。采用这种连接节点，模块外部的连接施工可以完全在宿舍区域实现，而模块内部的连接施工只需要少部分在走廊区域进行，可以大大降低施工难度和成本。建造。
图9 模块间节点形式
在节点的具体结构设计中，连接件的外轮廓尺寸与角柱、顶梁、底梁相匹配。连接件内部加强筋厚度为10mm，加强筋间距由螺栓数量决定。螺栓尺寸、数量和连接板厚度通过节点校核确定，包括螺栓抗剪承载力校核和连接板抗拉承载力校核。验证公式分别如式（1）、式（2）所示，验证结果如表4所示，均满足承载力要求。
(1)
式中：Vb为螺栓的剪切承载力； n为连接处的螺栓数量；
为单个螺栓的抗剪承载力； V 是连接处的最大剪力。
Tp=Af>V′ (2)
式中：Tp为连接板的抗拉承载力； A为内力最大处连接板的横截面积； f——连接板的抗拉强度； V'是连接板的最大拉力。
表4 节点验证结果kN
5 结论
本文从结构选型、结构建模、节点分析等方面介绍了模块化钢结构学生公寓的结构设计，为今后模块化钢结构建筑的设计奠定了基础。主要结论如下：
1）模块化钢结构建筑作为一种高度集成的装配式建筑形式，施工速度快、绿色环保、可扩展性和可回收性强，适用于公寓、酒店等住宅建筑。
2）通过对比个别建筑采用不同抗侧力构件的用钢量可以发现，波形钢板剪力墙是一种比较经济的抗侧力构件，对建筑功能影响小钢结构面积计算规则，且具有节能性。 -耗材、减震、用钢量少的优点。
3）模块间连接的设计既要满足承载能力要求，又要保证施工的可能性和便利性。应与构件形式和建筑造型相结合，尽可能减少模块内部的施工。
资料来源：陈红雷、王彦博、陈晨等。模块化钢结构学生公寓结构设计[J].钢结构，2019，34（8）：46-49。
DOI：10.13206/j.gjg201908009
