多层装配式模块住宅结构方案分析与优化探索

陈竣+祝叶

摘 要：在工业化建筑的中国，装配式模块建筑具有广阔的发展前景，为了使得建筑的整体结构性能得以提高，并能充分掌握这种装配结构的特点，本文的研究分析中，用了新的尺寸设计出的箱体模块，设计出7层住宅结构，并对其进行分析后，建立起有限元模型，将其与增加横梁、立柱等方案进行对比，考察不同的方案对抗侧刚度产生的影响，通过各种分析和对比，提出合理的优化方案，为多层装配式的建筑结构的应用提供参考。

关键词：装配式模块结构；抗侧构造措施；节点刚度；优化方案

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.101

0 前言

采用装配式模块构建的建筑，有很多的优点，具有很多优点，抗震性能较好、消耗的能源较低、污染也较小，并且施工的周期较短，可以再次回收等，学生公寓、商店、博物馆以及快捷酒店等各种用途的建筑结构都采用了这种建筑模式。当前，装配式建筑在国外有很多的实践应用，众多的行业者对其作出了很多的研究，重点分析满足建筑功能后的，该模式的可行性。本文用的是新尺寸的箱体模块，建立起7层标准户型住宅，通过相应的分析，提出适用于这种结构的高效的抗侧构造的措施，为装配式建筑的设计和实践应用，提供重要的参考。

1 建立结构模型

1.1 结构体系概述

整个建筑结构采用的是装配式模块，模块的标准长为7.354米，宽度为2.438米，高度为3米。整个建筑结构的总长是39.328米，总宽为12.290米，总高度是19.500米。我中的最顶层的高度是1.5米。1到6层每层高为3米。一共设置出4种户型。其中，A种户型的面积为36.26平方米（2个模块），B种户型的面积为54.39平方米（3个模块），C种户型的面积为18.13平方米（1个模块）。D种户型的面积是27.20平方米。每个标准层包含3个A型，2个B型，2个D型和1个C型。并设置出2个小型的箱体模块当做楼梯间和电梯间。

1.2 截面设计

按照原有的集装箱的建筑，和集装箱模块常用的构件截面，构建出最初的构件截面，作为初期的设计方案，按照设计指标和参数，分析行静力和模态，还要对地震的作用进行分析，并在这基础上，对采取的各种抗侧措施对结构的抗侧刚度产生的影响进行分析。其中，角柱和顶梁柱都采用的是方管，上端梁和下端梁都采用的是H型管，底侧梁采用的是矩形管。

设计试验中，在最初的方案上（不添加辅助梁），增加抗侧刚度的相应措施，作为相应的对比方案。其中方案1是在模块内部增加了横梁和立柱，方案2是在满足建筑所使用的空间后，增加了侧向辅助的拉索，对于初始方案以及对比方案进行抗震和静力分析后，对其抗侧构造措施的合理性进行分析和评估。

2 分析工况

（1）设计参数。该建筑结构设在沿海区域，设为二级重要性，设计的使用期限为50a。墙板和楼面板选用的是混凝土板，楼面和屋面的活荷分别为2.00kN/㎡，和0.50kN/㎡，以及风荷载的基本风压取值为0.60kN/㎡。

（2）静力分析。对于整体结构的静力进行分析，包括恒荷载、风荷载、温度荷载和活荷载，并按照相应的承载能力的极限以及正常使用时的极限状态，共进行了60种组合的荷载，将应力比、位移角以及柱顶的位移等作为重要的指标，对结构进行合理评估。

（3）动力分析。对地震影响下的建筑进行分析，采用的是时程分析和振型分解反映普法。建筑所处区域的震设防烈度设置为8度，根据相应的设计规范，对于一些多发生的地震阻尼比设置为0.04，罕见地震阻尼比设置成0.05。

3 抗侧构造对比分析

（1）应力比。3种方案在最不利的静力荷载中，对其分布的应力比进行分析。其中应力比指的是，多种工况出现的情况下，构件的最大应力和设计强度之间的比值，比值大于1就是超限杆件。

最初的方案中最大的应力比是1.633，超限杆件为191根。与方案1 中最大应力比有所降低。而方案2中有0.3%的杆件超限，有6根杆件的应力比超过限值，因此，从结果看来，增加的辅助的立柱以及横梁对结构性能的改善比较有限，而增加侧向辅助的拉索对于结构的受力性能更有改善效果。

（2）层间位移角和柱顶的最大位移。因为结构的长轴向的刚度比较大，三个结构的方案在风荷载的作用下，层间的位移角能否满足相应的规范和要求，因此，在这里，主要要考察的是短轴向在不同的抗侧构造下的产生的刚度有多大的差异。经过对比研究，发现，在初始方案中，短轴向中的层间位移有很大部分超限，短轴向抗侧的刚度显得明显不足。与方案1 相对比，其空间位移要比初始位移小很多，但是仍然有多个楼层的位移超过限值（限值为h/400）。而与方案2 相对比，其抗侧位移刚度，则有明显的加强，层间的位移都比规范的限值要小。因此，侧向拉索的增加能使得结构的侧向刚度有效提升。

4 节点刚接和铰接对抗侧刚度产生的影响

对于已有的装配式模块构建的体系进行分析时，常常将模式假定为铰接的连接方式，但是在實际的应用中，节点连接并不完全是铰接，因此需要对节点的刚度给结构性能带来的影响进行考擦。将以最初的设计方案为基础，对节点铰接形式下的铰接和刚接支座以及节点刚接形式下的铰接和刚接支座进行工况分析，考察不同支座形式下节点刚度对装配式建筑的影响。

通过分析，不管是节点刚接还是支座刚接，都能对结构的整体的抗侧刚度产生一定的影响，其中，节点处的连接方式更能显著地影响到结构的性能。模块之间的节点刚接对于抗侧移的刚度能有效地增强，使得结构的受力性得到改善。而节点的具体形式，设计结构时，可以转动节点的刚度，提升抗侧移的刚度。

5 结束语

通过多种的抗侧结构的措施的实施，与舒适的设计方案进行对比后，发现，在装配式模块中增加横梁和立柱对于结构的抗侧刚度，并没有明显的改善作用，而在侧向增加拉索，能使得结构的抗侧刚度大大提升，在实际的工程建设中，如果空间足够大，就可以适当地增加侧向辅助拉索，提升结构的侧向刚度，使得结构的受力性得到改善。装配式的建筑技术还不成熟，但是在未来的研究发展中，必会显示出强大的生机。

作者简介：陈竣（1976-），男，湖北武汉人，工学硕士，副教授，主要研究方向：结构工程。endprint