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文／朱健 上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司山东分公司 山东济南 250013
孙伟、李本兵 山东同创设计咨询集团有限公司 山东济南 250013
在多层钢混结构建筑的设计阶段，要重视通过计算机软件对建筑结构的框架系统、构件等单体进行设计，为建筑后期的大钢筋采购、小横杆的结构，以及节点间受力关系的协调提供了必要的设计依据。另外，由于多层钢构的设计给建筑结构的框架系统提供了骨架结构，各组件之间的联系也是利用枪法实现的，而其结构中又贯彻了连续传力路径的原理，所以这样的结构简化方法也是科学的研究结论，能够说明多层钢构的优越性和结构的简单度。虽然如今，钢构建筑的结构形式已经相对较多了，但从一般的建筑设计条件上来看，在钢梁、钢柱的设计过程中，要关注的设计内容仍然是结构的整体强度，这也是目前设计人员在设计过程中，通过完善的力学分析和建立相应的物理模型，进一步分析整体强度情况，并根据结构设计过程中所需进行改进，进而通过合理的钢结构来减少钢材的使用，以进一步提高我国多层钢结构的组合和复合钢结构建筑的整体设计水平[1-2]。
钢结构建筑与传统混凝土建筑的主要区别在于施工方法：传统混凝土建筑需要大量的现场施工工作，而钢结构建筑可以由工厂生产的部件制造，这大大减少了所需的现场工作量，大部分的施工工作可以通过现场组装部件来完成。由于钢结构可以在以后重新使用，钢结构建筑也符合当前建筑领域的环境可持续性概念。多层钢结构建筑现在被广泛用于民用住宅、商业建筑和工业大厅。钢结构的整体强度高于传统的混凝土结构，整体质量相对较小，因此可以更好地减少地震荷载对建筑的结构破坏，从而获得更好的抗震性能。钢结构建筑的设计是基于可以由各种专业制造商生产的部件。对构件的有效质量控制足以控制设计的整体质量，所以钢结构建筑的设计质量是比较高的。在施工效率方面，与传统的混凝土施工相比，施工总量相对较小，构件在工厂准备好后，运到施工现场进行组装和安装，大部分施工工作已经完成，因此，施工效率较高，总的施工周期相对较短[3]。
多层框架钢结构工程结构的平面布置。从每层楼的顶部艺术平面单视图开始，确定柱网和框架的纵向和横向位置。单节点建筑应减少杆件的类型，多层钢结构的设计应保证结构的空间稳定性，便于结构间水平荷载的传递，多层钢结构各层的水平力分布和空间稳定性起着重要作用，应设计水平布置的刚性板，使整个结构在水平力作用下有相同的侧向位移。如果楼板的刚度不够或楼板钻孔加工。如果对水平刚度有影响，应在框架的整体刚度之外采取必要的措施，例如在楼板梁、翼缘向水平支撑布置转移水平力。刚性地板或水平框架还可以使框架在纵向和横向上共同发挥作用。它们共同抵御扭矩。一旦建筑物确定了地板布局，就会进行垂直布局，并根据生产和使用要求确定适当的纵向和横向框架系统。在这一点上，需要注意的是，在动态水平荷载（或地震作用）下，层间刚度不应突然改变。整个建筑的多层钢结构应尽可能接近整体刚度中心在纵向和横向的总水平力，不包括水平力引起的扭转力矩。水平荷载传递路径必须短而可靠[4]。
关于建筑的形状，必须根据客户的要求和设计，为各种住宅选择不同的钢结构系统。多层钢架系统主要包括框架系统、中心框架支撑系统、偏心框架支撑系统、框架系统和巨型框架系统等。其中，框架主要是作为支撑结构来支撑房屋的主要受力，框架也是抵抗侧向力的系统。根据上述体系的抗侧力排序，抗侧力从高到低的顺序是圆柱和巨型框架体系〈框架梁体系〉框架体系，可以得出结论，框架体系是抗侧力最低的钢结构体系。在建造房屋时，钢结构系统的选择是非常重要的。如果选择的钢结构系统不合适，整个房屋的生命和安全将受到严重影响。因此，在选择多层钢结构时必须考虑以下几点：
3.1 多层钢框架结构选择
应考虑到设计要求和首选的建筑高度。因此，如果一座大楼要具有强大的防震功能，就必须采用一个骨架的建筑体系，其不但易于架设，同时具备高度的侧向安全性。如果房屋较高大，则很易于遭受强风和地震的冲击。如果防火等级很好，房屋的高度没有那么高大，应该选用比较简易的预应力砼框架结构系统；
如果房屋高度比较高，中间的楼梯和各种管道构件比较多，就应该选择结构与中央钢结构系统相结合的形式[5]。
3.2 设计与使用要求
例如，对于一些客户来说，建筑必须有足够的使用空间，所以这种类型的围护结构可能需要钢筋和支撑系统或钢筋筒体系统，这两种系统既要满足客户的空间要求，又要满足结构的抗震性能要求。
3.3 施工条件的制约
根据施工情况，可以选择不同的钢结构系统。如果施工时间有限，在满足设计要求的情况下，可以使用不同的钢结构系统。由于钢结构一般只需在现场组装，可以在短时间内完成，从而避免了施工时间的增加。另一方面，混凝土结构有较长的组装时间，因为混凝土必须被浇注、压实和事后进行长期维护。
3.4 工程造价预算
对于钢结构的多层建筑，有必要选择一个具有成本效益的系统。一般来说，抗侧力越高，项目的成本就越高。如果使用混凝土抗侧力系统，必须考虑到混凝土自身重量对整个结构的影响，这不可避免地会增加成本。另一方面，如果不需要抗侧力，可以采用纯钢框架系统，这种结构的建筑成本较低[6]。
4.1 节点设计
4.1.1 钢框架之间的连接节点
钢框架之间的连接节点的设计，一种特殊的方法是使用特殊的铆接和螺栓连接组合，以确保高楼地下停车场和底层钢结构之间的连接强度和刚度，并提高对地震和自然灾害的保护。设计形式更合理，设计更复杂，但连接节点的刚度和强度由连接节点的组合有效提供，满足了刚性节点的要求。
4.1.2 模块单元之间的连接节点
模块单元之间的连接采取了特殊结的形式。这种连接方式采用了特殊的销子、螺栓和铆钉的组合，以确保模块之间的角接点的强度和刚度。这种设计稳固、牢靠、易于制造，符合刚性单元的要求。这种节点系统将各个模块单元连接成一个完整的结构系统，可用于多层钢结构模块建筑。
4.1.3 传统钢框架与模块单元之间的连接节点
底层钢筋的顶部应与模块单元重叠，使地下连续墙穿透单元与模块单元由结合。将上隔板转换为类似于模块单元的销轴形状；
在上隔板的端部焊接一个隔板，使其与上模块梁重叠；
在钢柱的不连续部分焊接横向肋条，以加固单元区域；
在腹板的每一侧焊接一块加固肋条到相应的加固肋条隔板的底部中心，防止局部腹板不稳定[7]。
4.2 节点的简化与简化的合理性
4.2.1 节点的简化模型及其在模型中的实现
模块结构节点的优化应符合实际的节点结构，优化后的节点如下：考虑到模块柱上下功能之间对每个元素数量的限制，模型以模块柱与模板梁之间的最短钢柱表示，连接在上下功能中间的柱头节点；
柱头节点与上下模板连接的梁底节点之间是铰链连接，与铰合单元的渐进自由度有关；
上下模板梁的连杆是模型化。这些连接形式都要求在短柱内部的铰链和环路之间可以传递上下模板连接的弯矩，形成刚性的铰链效应。
4.2.2 模块连接节点简化的合理性研究
利用ANSYS 有限元软件构建了一种简单的十字形节点模型，用Beam189 块仿真梁、立柱和短梁，用Link八块仿真连接。在模板长度、位置与加载方法一致的情形下，将骨架的荷载－位移曲线与全身模板上的骨架曲线实现了比较。全身模型的载荷－位移能力约为86kN，相应的位移为134.1mm，而简化模型的载荷－位移能力约为77kN，相应的位移为114.1mm，不过两个模型之间的差异不大。如果我们比较两个模型的弹性位移，都是50mm 左右，在弹性领域的刚度差异不大：简化模型的弹性刚度低于实体模型，约为实体模型的81.6%。这就意味着简化模型中并未考虑实体模型的不同结构，也并未考虑板的屈曲后的刚度。而既然在工程中需要材料达到一定弹性水平，这种优化对于设计人员而言也是能够进行和保守的，所以简化连接处理是合理的。
4.3 新型的节点构造设计
新型的节点构造设计方式主要有两种，一种是梁端削弱式节点，另一种是梁端加强式节点。下面对两种节点分别进行分析[8]：
4.3.1 对于梁端削弱式节点
其目的在于减少结点附近的梁及柱子数量，减小结点和梁及柱子之间的高度差异。在地动时，梁和柱子的动态性能比较好，但因为结点之间是连接在一起的，焊接的时候结点会出现焊接缺陷，所以就算没有焊接缺陷，接头的动力学性能也远远不及梁和柱子，所以在这两个方面都必须加以协调。前者对连接处理的精确度要求较高，圆形松弛的大小需要十分准确，切面需要抛光，以减少应力聚集；
分体式连接的优点在于可以降低连接部位的应力聚集，使金属连接向外移动，进而改善连接的破坏状态。
4.3.2 梁端加强式节点
它主要是利用提高横梁与钢柱间的连接面积而做到的，这样一来横梁端面的节点附近的力学性能也较其他地方好。所以，当地动发生后，一般的钢柱连接因横截面积减小，首先出现变形，而在塑性变形出现以前，在桥端和节点之间建立塑性连接，以便保存桥端和节点。在梁的两端的这些加固连接通常以两种方式实现：通过增加一个重叠连接或一个轴向连接。重叠连接通过改善延展性增加了连接的承载能力，但这种加固方法不容易检查，只能通过破坏性试验来验证，这需要高质量的焊缝。盖板和梁的凸缘之间的距离。此外，轴组件主要由节点以下的三角轴加固，这增加了节点处的横截面积。
4.4 模块的柱的计算长度系数研究
设计柱长系数对整个框架柱的稳定承载力有一定影响。例如，在真实的模块结构中，模块的柱子不是上下相连的，而且模块的某一层也有固定的梁和大梁，这与传统的建筑结构不同，所以有限元软件分析的结果可能存在精度问题，导致设计的柱长消耗大量的钢材，影响设计结果。在实际的装配式建筑设计中，柱子和组合梁都是焊接在角部构件上的，可以认为是刚性连接，整体连接力很强，但现有规范没有对设计长度系数和计算方法进行分析，所以这种设计中存在两端柱子的密封和平衡问题，如果忽略了相邻组合柱单元的应力，整个结构的组合梁和柱子也可能存在问题。
连接方法及其质量直接影响到钢结构的性能。钢结构的连接必须安全可靠，传力明确，设计简单，生产方便，节省钢材。连接接头应足够坚固，并为连接提供足够的空间。下面将讨论三种连接方法和钢结构的性能：
5.1 焊缝连接
焊缝由电弧产生的热量形成，局部熔化焊条和工件并凝结成冷却珠，从而将待焊接的部件连接成一个整体。
优点：构件截面无削弱，节省钢材，设计简单，易于加工，接头刚度高，密封性能好，在一定的自动化操作条件下易于使用，生产效率高。缺点：焊接接近钢材时，由于焊接温度高，形成热变形区，会削弱部分材料；
焊接钢材时温度高且冷却分布不均匀，结构上产生焊接残余应力和残余变形，对结构的承载能力、刚度和利用性能有一定影响；
焊缝的延展性和强度都较低，可能出现焊接缺陷，引起疲劳强度。
5.2 螺栓连接
螺栓连接是一个连接元件，例如一个螺栓，它把要连接的部分连接成一个整体。螺栓连接有两种类型：传统螺栓连接和高强度螺栓连接。
优点：施工方法简单，容易组装，特别是在现场的连接，当结构需要组装和拆卸以及需要临时连接时，容易拆卸。缺点。需要在板和连接孔上钻孔，增加了劳动力，对制造精度要求高；
螺栓孔也削弱了构件的横截面，连接部分往往必须相互重叠或有额外的二次连接板（或角），使钢结构施工更加复杂和昂贵。
5.3 铆接接头
铆接是指铆钉的一端有一个装配好的半圆头，在钉柄退火后迅速插入接头的钉孔中，然后用铆枪将另一端铆入钉头，使接头密封。
铆接的优点：可靠的能量传递，良好的延展性和韧性，易于检查和保证质量，适用于重型结构和直接承受动态载荷的结构。缺点：铆接过程复杂，耗时，材料和劳动力密集。因此，它在很大程度上已被焊接和高强度螺栓所取代。
多层钢结构模块与钢框架复合结构建筑由钢结构和结构模块组成，可以有效地组合和分离，具有建筑成本低、稳定性高、形式简单、强度高等优点。相比之下，传统的钢结构是一个由梁和柱组成的系统，连接手段简单。这导致了一个相对较大的结构，其缺点是厚度低、稳定性低和强度低。模块化钢结构与传统钢结构的相似之处在于，这两种类型的建筑都需要高质量的钢材，其质量和具体参数在施工过程中被反复检查，也可以使用相同的设计规范进行修改，而且都充分利用了钢材的三个主要特性，即耐用、强度和轻质。不同的是，钢结构建筑模块是对传统框架结构的改进，它是一个多柱多梁的系统，8 根柱子和16 根梁可以用预制的方式在交叉点共存，这是钢结构建筑模块与传统钢框架结构的主要区别。与反对使用螺栓和销钉的传统钢架结构不同，多层钢结构模块对焊接方法、节点施工等提出了更高、更严格的要求。
在多层钢结构的建筑设计过程中，除了需要设计构件和整体结构的拉力外，还需要关注管道的工程设计过程，要注重避免管道与整体结构的冲突，减少在后续施工安装过程中对钢结构框架的调整，确保管道能与整体结构的框架相匹配。同时，在设计过程中注重施工的重要性，而将其限制在适当的施工技术上。
综上所述，多层钢结构模块和复合钢结构建筑不仅在材料成本方面有优势，而且在建筑质量和功能方面也有比较明显的优势，能有效地限制污染，实现真正意义上的"绿色"建筑。在当今的建筑中，采用钢结构和复合结构的模块化和多层建筑所占的比例越来越大。与传统的建筑设计相比，这些建筑不仅在材料成本、施工工艺和整体质量方面具有明显的优势，而且对环境的影响也很小，其钢构件可以回收利用，是真正的可持续建筑。对于建筑的整体质量来说，在初始阶段进行适当的、科学的设计是至关重要的，可以为建筑的后续施工提供指导意义。
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