1  工程概況

擬建工程為某大學生公寓，總用地面積 5 378 平方米，總建筑面積為29 380 平方米。該公寓由4棟宿舍樓和中部的公共連廊組成。宿舍樓由4棟宿舍單體圍合而成，中央空地為公用庭院。宿舍單體為6層，高度為18 m，提供居住功能。局部存在屋面退臺和立面掏空，屋頂布置有太陽能板。公共連廊為4層，高度為12 m，下面兩層提供室外交通功能，上面兩層提供宿舍間的室內交通功能，屋頂提供室外活動功能。

2  結構選型

學生公寓建筑的功能決定了其平面布置中大部分區域均為標準的公寓房間，每個房間的尺寸基本為8 700 mm×3 300 mm，層高均為3 000 mm，房間內部的布置也基本一致，標準化程度非常高。所以結構體系選擇了環保、快捷、高質量的模塊化鋼結構建筑體系。由于本項目均為多層建筑，結構抗側力要求較低，可以直接用建筑模塊來抵抗水平力，因此可采用純模塊的結構體系。

由于采用了模塊化的建造方式，本學生公寓可以在工廠完成模塊內部的結構骨架、建筑墻板和管線的制造和安裝，運到現場后僅需完成模塊間的結構連接和接縫處理，從而大大縮短現場建造的時間，使得學生公寓的建設可以利用學校假期完成，從而不影響學校的教學工作。同時由于模塊化建筑可以方便地進行拆解和異地重建，不同校區甚至不同學校之間宿舍資源的動態調配也成為可能，甚至有可能產生宿舍租賃等新的學生宿舍建設模式。

基本模塊的結構系統僅包含框架柱和框架梁，當應用于層數較高的多層建筑中時存在著抗側力能力不足的問題。關于模塊化鋼結構建筑抗側力構件的選用，國內幾乎沒有與此問題相關的文獻，大多還集中在集裝箱房屋的研究。而國外在模塊鋼結構建筑中使用的抗側力構件主要有普通支撐和波紋鋼板墻。但普通支撐會影響大學生公寓的建筑功能，導致過道變窄、門窗布置困難。滿布的波紋鋼板墻會將模塊從角柱承重轉變為墻承重，從而引起鋼板屈曲、模塊內傳力復雜，增大設計難度和工程造價。綜合考慮建筑結構功能需求和經濟成本，本項目抗側力構件采用同濟大學李國強團隊研發的無屈曲波紋鋼板剪力墻。無屈曲波紋鋼板剪力墻如圖1所示，包括兩側的豎向邊緣構件和中間的波紋鋼板。由于它屈服先于屈曲，具備承載、耗能雙功能，故耗能能力比一般鋼板墻提高數十倍。除了**的減震耗能功能外，無屈曲波紋鋼板剪力墻尺寸小，布置靈活，不影響建筑功能區間的使用，其在模塊內布置如圖2所示。

圖1 波紋鋼板剪力墻簡圖

圖2 模塊內布置鋼板剪力墻

公共連廊部分樓層較低，且一層、二層不提供室內交通的功能，所以在連廊部分的結構體系中設置了交叉支撐和人字支撐。而宿舍部分由于室內采光的要求，不宜在模塊短邊側布置支撐，因此在宿舍樓部分的結構體系中布置1 m寬的無屈曲波紋鋼板剪力墻作為輔助抗側力構件。

3  結構設計

本項目的建筑形體復雜多變，為了保證結構的規則性并方便結構計算，在轉角處設置抗震縫對整體結構進行分解。分割形成的不同單體如圖3所示。1號單體為規則的長方體單體；2號單體為存在退臺的長方體單體；3號和4號單體為立面有局部突出的長方體單體；5號單體為開有門洞的長方體單體。

圖3 結構單體

模塊化建筑由標準模塊組裝而成，但根據建筑功能和結構承載力要求的不同，一個建筑會使用多種不同類型的模塊。本項目根據模塊外觀尺寸、構件布置和構件截面尺寸可細分為9類模塊，即宿舍部分有6類模塊，連廊部分有3類模塊，其中標準模塊占總模塊數目的比例達93.09%，從而保證了模塊使用的標準化。宿舍部分標準模塊尺寸為 8 700 mm×3 300 mm×3 000 mm，連廊部分標準模塊為9 900 mm×3 300 mm×3 000 mm。模塊內梁柱均為箱型截面，具體截面尺寸如表1所示。

表1 模塊內構件尺寸 mm

本項目主要采用MIDAS/Gen對5類單體進行建模與計算，典型單體的結構計算模型如圖4所示。

圖4 結構計算模型

鋼材選用MIDAS軟件自帶的Q345，構件單元類型均為一般梁/變截面梁單元。本項目為結構設計使用年限為50年的鋼結構裝配式建筑?？拐鹪O防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.3g，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第二組。建筑抗震設防類別為丙類，地面粗糙類為C類，基本風壓為0.35 kN/m2，基本雪壓為0.4 kN/m2。宿舍樓面恒荷載為0.94 kN/m2，宿舍走廊恒荷載為1.35 kN/m2，屋面荷載為1.12 kN/m2。

模塊之間采用螺栓蓋板連接，為半剛性節點。為了模擬這種半剛性節點，進行專門的節點連接模型對比，模型如圖5所示。對于節點處模塊角部的連接，提出兩種模擬方案，如圖6所示。

圖5 節點連接對比模型

方案1：連接處同一水平面的角點通過水平剛桿連接，上下角點通過豎向的剛桿連接。剛桿之間為一端鉸接一端剛接。

a—方案1；b—方案2。
圖6 兩種節點模擬方案

方案2：連接處同一水平面的角點通過交叉剛桿連接，上下兩組交叉剛桿通過一根豎向剛桿連接。

對比結果如表2所示?？芍?，這兩種不同模擬方案對結構的周期和位移影響不大，構件內力相差也不多。建模中采用了實施相對簡便的方案1，剛桿彈性模量為一般鋼材的1 000倍，截面為 160 mm×160 mm的實心方柱。

表2 節點模擬對比結果

注： W x 為風荷載下x向柱位移； W y 為風荷載下 y 向柱位移； E x 為地震作用下柱頂 x 向位移； E y 為地震作用下柱頂 y 向位移。

無屈曲波紋鋼板墻以剪切變形為主，不會形成斜向拉力帶，可采用等效交叉支撐模型來模擬。等效交叉支撐模型包括交叉支撐及鉸接端柱兩部分，具體簡化如圖7所示。等效交叉支撐(實心圓桿)截面根據剛度和屈服承載力等效的原則進行計算。經計算得到，其直徑為85 mm。等效交叉支撐與梁的連接通過釋放桿端約束實現。

圖7 等效交叉支撐

對于宿舍部分單體，考慮到側向剛度要求以及外立面的處理，有以下兩種備選方案。方案1，僅在山墻布置少量無屈曲波紋鋼板墻，即在端部模塊的短方向布置無屈曲波紋鋼板墻；方案2，在山墻及立面均布置少量無屈曲波紋鋼板墻，即在端部模塊的兩個方向均布置無屈曲波紋鋼板剪力墻。通過對比計算可知，方案1用鋼量為58.45 kg/m2，方案2用鋼量為52.80 kg/m2，故采用在山墻和立面均布置波紋鋼板墻的方案2。

通過建模計算分析，得到單體的自振特性、地震作用和風荷載下層間位移角及用鋼量分別如圖8、表3所示。

a—第1階振型， T =1.35 s；b—第2階振型， T =0.97 s；c—第3階振型， T =0.75 s。
圖8 2號單體的前3階振型

表3 單體*大層間位移角及用鋼量

注： r x , r y 分別為地震下 x ， y 方向*大層間位移角； w y , w y 分別為風荷載下 x 、 y 向層間位移角。

取*不利單體即退臺2號單體，觀察其前3階振型。第1階振型為 x 方向平動，第2階振型為 y 方向平動，第3階振型為水平扭動，均屬合理振型且周期也滿足周期比要求。從表3可以看出：各單體*大層間位移角都小于1/250。

從表3可以看出：宿舍區2號單體的用鋼量高于另外三個單體，這是由于2號單體存在退臺，導致抗扭轉剛度差。從表1可知，連廊區支撐的截面尺寸相對于角柱截面尺寸較大，使得連廊區單體的用鋼量明顯大于宿舍區單體，說明無屈曲波紋鋼板墻這種抗側力構件更適用于模塊化鋼結構建筑。

4 節點設計

與一般的框架結構不同，模塊化建筑的梁柱并不是貫通的。相鄰的模塊需要通過角部的連接節點傳遞荷載、協調變形，使多個單元形成具有一定規模的整體結構。模塊化建筑的模塊單元結構完整，具有較高承載力，但若模塊之間沒有可靠的連接，由多個模塊組成的建筑就難以保證其整體性。同時施工現場的主要工作是完成模塊的起吊和安裝，模塊間連接節點快捷的連接步驟和充分的施工空間也會大大加快現場施工速度。因此模塊間連接節點對*終結構的整體性、穩定性和適用性方面起著非常重要的作用。

綜合考慮傳力可靠和施工方便，模塊間連接采用梁端蓋板螺栓連接。典型節點具體構造如圖9所示。在梁端和柱端預先焊有連接件，連接件內設有加勁肋，加勁肋之間開有螺栓孔。連接板位于上下連接件之間，通過高強度螺栓連接。連接板上帶有L形抗剪定位雙功能鍵，雙功能鍵在施工時能保證安裝的精度，在服役時又能起到抵抗剪力的作用。采用這種連接節點，在宿舍區可以完全實現模塊外連接施工，在連廊區也僅有很少部分的模塊內連接施工，能夠大幅降低施工難度和施工成本。

圖9 模塊間節點形式

節點的具體構造設計中，連接件外輪廓尺寸與角柱和頂梁、底梁匹配，連接件內加勁肋厚10 mm，加勁肋間距由螺栓個數決定。螺栓尺寸、個數和連接板厚度通過節點驗算確定，包括螺栓抗剪承載力驗算和連接板抗拉承載力驗算。驗算式分別如式(1)、式(2)所示，驗算結果如表4所示，均滿足承載力需求。

(1)

式中: V b 為螺栓抗剪承載力； n 為連接處螺栓個數；為單個螺栓抗剪承載力； V 為連接處*大剪力。

                  T p = A f > V ′                                   (2)

式中: T p 為連接板抗拉承載力; A 為內力*大處連接板橫截面積; f 為連接板抗拉強度; V ′為連接板內*大拉力。

表4 節點驗算結果 kN

5 結束語

本文從結構選型、結構建模、節點分析等方面，介紹了模塊化鋼結構大學生公寓的結構設計，為今后模塊化鋼結構建筑的設計打下基礎，得到主要結論如下：

1)模塊化鋼結構建筑作為一種高度集成化的裝配式建筑形式，其施工速度快，綠色環保，具有很強的拓展性和可循環性，適用于公寓、酒店等居住建筑。

2)通過對比使用不同抗側力構件的建筑單體的用鋼量可以發現，波紋鋼板剪力墻是一種相對經濟的抗側力構件，對建筑功能使用影響小，具有耗能減震、用鋼量少的優點。

3)模塊間連接的設計不僅僅要滿足承載力要求，還要保證施工的可能性和便利性，與構件形式和建筑形體相結合，盡可能在模塊內部減少施工。