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某模块化钢结构大学生公寓结构设计(二)

2021-07-02 14:41:59 佛山市昊顺商贸有限公司 阅读

结构设计

3.1单体划分

本项目的建筑形体复杂多变,为了保证结构的规则性并方便结构计算,在转角处设置抗震缝对整体结构进行分解。分割形成的不同单体如图3所示。1号单体为规则的长方体单体;2号单体为存在退台的长方体单体;3号和4号单体为立面有局部突出的长方体单体;5号单体为开有门洞的长方体单体。

3.2模块设计

模块化建筑由标准模块组装而成,但根据建筑功能和结构承载力要求的不同,一个建筑会使用多种不同类型的模块。本项目根据模块外观尺寸、构件布置和构件截面尺寸可细分为9类模块,即宿舍部分有6类模块,连廊部分有3类模块,其中标准模块占总模块数目的比例达93.09%,从而保证了模块使用的标准化。宿舍部分标准模块尺寸为 8 700 mm×3 300 mm×3 000 mm,连廊部分标准模块为9 900 mm×3 300 mm×3 000 mm。模块内梁柱均为箱型截面,具体截面尺寸如表1所示。

3.3结构建模

本项目主要采用MIDAS/Gen对5类单体进行建模与计算,典型单体的结构计算模型如图4所示。

钢材选用MIDAS软件自带的Q345,构件单元类型均为一般梁/变截面梁单元。本项目为结构设计使用年限为50年的钢结构装配式建筑。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,设计地震分组为第二组。建筑抗震设防类别为丙类,地面粗糙类为C类,基本风压为0.35 kN/m2,基本雪压为0.4 kN/m2。宿舍楼面恒荷载为0.94 kN/m2,宿舍走廊恒荷载为1.35 kN/m2,屋面荷载为1.12 kN/m2。


模块之间采用螺栓盖板连接,为半刚性节点。为了模拟这种半刚性节点,进行专门的节点连接模型对比,模型如图5所示。对于节点处模块角部的连接,提出两种模拟方案,如图6所示。

无屈曲波纹钢板墙以剪切变形为主,不会形成斜向拉力带,可采用等效交叉支撑模型来模拟。等效交叉支撑模型包括交叉支撑及铰接端柱两部分,具体简化如图7所示。等效交叉支撑(实心圆杆)截面根据刚度和屈服承载力等效的原则进行计算。经计算得到,其直径为85 mm。等效交叉支撑与梁的连接通过释放杆端约束实现。


方案1:连接处同一水平面的角点通过水平刚杆连接,上下角点通过竖向的刚杆连接。刚杆之间为一端铰接一端刚接。

方案2:连接处同一水平面的角点通过交叉刚杆连接,上下两组交叉刚杆通过一根竖向刚杆连接。


对比结果如表2所示。可知,这两种不同模拟方案对结构的周期和位移影响不大,构件内力相差也不多。建模中采用了实施相对简便的方案1,刚杆弹性模量为一般钢材的1 000倍,截面为 160 mm×160 mm的实心方柱。无屈曲波纹钢板墙以剪切变形为主,不会形成斜向拉力带,可采用等效交叉支撑模型来模拟。等效交叉支撑模型包括交叉支撑及铰接端柱两部分,具体简化如图7所示。等效交叉支撑(实心圆杆)截面根据刚度和屈服承载力等效的原则进行计算。经计算得到,其直径为85 mm。等效交叉支撑与梁的连接通过释放杆端约束实现。


对于宿舍部分单体,考虑到侧向刚度要求以及外立面的处理,有以下两种备选方案。方案1,仅在山墙布置少量无屈曲波纹钢板墙,即在端部模块的短方向布置无屈曲波纹钢板墙;方案2,在山墙及立面均布置少量无屈曲波纹钢板墙,即在端部模块的两个方向均布置无屈曲波纹钢板剪力墙。通过对比计算可知,方案1用钢量为58.45 kg/m2,方案2用钢量为52.80 kg/m2,故采用在山墙和立面均布置波纹钢板墙的方案2。


3.4结果分析

通过建模计算分析,得到单体的自振特性、地震作用和风荷载下层间位移角及用钢量分别如图8、表3所示。

取最不利单体即退台2号单体,观察其前3阶振型。第1阶振型为x方向平动,第2阶振型为y方向平动,第3阶振型为水平扭动,均属合理振型且周期也满足周期比要求。从表3可以看出:各单体最大层间位移角都小于1/250。


从表3可以看出:宿舍区2号单体的用钢量高于另外三个单体,这是由于2号单体存在退台,导致抗扭转刚度差。从表1可知,连廊区支撑的截面尺寸相对于角柱截面尺寸较大,使得连廊区单体的用钢量明显大于宿舍区单体,说明无屈曲波纹钢板墙这种抗侧力构件更适用于模块化钢结构建筑。