新型模塊化分層裝配鋼結(jié)構(gòu)全螺栓節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及連接計(jì)算方法

何祥榮（西南科技大學(xué)土建學(xué)院 四川綿陽(yáng)621010）

0 引言

模塊化分層裝配鋼結(jié)構(gòu)具有施工簡(jiǎn)便快速、易管理、易質(zhì)量控制等優(yōu)點(diǎn)，其與傳統(tǒng)裝配式鋼結(jié)構(gòu)有所不同，模塊化分層裝配鋼結(jié)構(gòu)通常在結(jié)構(gòu)每層處將柱斷開(kāi)，以每層或每層中某幾個(gè)房屋功能區(qū)為一個(gè)模塊，在施工現(xiàn)場(chǎng)將模塊整體吊裝進(jìn)行模塊間連接，以搭積木的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)建造，故設(shè)計(jì)一種適用于模塊化分層裝配鋼結(jié)構(gòu)的柱斷開(kāi)式梁柱節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要。學(xué)者們已設(shè)計(jì)多種構(gòu)造的柱斷開(kāi)式節(jié)點(diǎn)，但始終存在相關(guān)缺陷，如節(jié)點(diǎn)過(guò)于復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)不能應(yīng)用于不等高度梁間連接、節(jié)點(diǎn)處梁布置不夠靈活等。基于學(xué)者們研究成果進(jìn)行功能優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種新型模塊化分層裝配鋼結(jié)構(gòu)全螺栓節(jié)點(diǎn)。

1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)及說(shuō)明

圖1 十字形節(jié)點(diǎn)構(gòu)造裝配圖

圖1、圖2為節(jié)點(diǎn)的一種十字形模型構(gòu)造做法，其通過(guò)摩擦型高強(qiáng)螺栓將H型鋼梁、方鋼管柱、法蘭盤(pán)及連接板連接起來(lái)。

節(jié)點(diǎn)具有以下特點(diǎn)：

（1）可將節(jié)點(diǎn)完全拆分，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕量化，便于運(yùn)輸及安裝（見(jiàn)圖2）；

圖2 十字形節(jié)點(diǎn)拆分示意圖

（2）可實(shí)現(xiàn)同節(jié)點(diǎn)不等高度梁間連接（見(jiàn)圖3）；

圖3 不等高梁間連接示意圖

（3）梁位置布置靈活，適用于鋼結(jié)構(gòu)中邊跨、中跨等梁柱連接（見(jiàn)圖4）；

圖4 三梁節(jié)點(diǎn)拆分示意圖

（4）可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)柱在層位置斷開(kāi)，利于鋼結(jié)構(gòu)的模塊化分層裝配（見(jiàn)圖5）；

圖5 模塊化分層拼裝示意圖

（5）節(jié)點(diǎn)采用全螺栓裝配，有利于構(gòu)件修復(fù)、替換及回收；

（6）梁與法蘭盤(pán)采用Z型嵌合式連接，安裝拆卸方便；

（7）法蘭盤(pán)與柱的連接處設(shè)置內(nèi)嵌口加固節(jié)點(diǎn)連接，并且內(nèi)嵌口可在地震作用下進(jìn)行變形耗能，有利于結(jié)構(gòu)抗震；

（8）實(shí)現(xiàn)構(gòu)件全預(yù)制，利于質(zhì)量把控，在施工現(xiàn)場(chǎng)僅進(jìn)行螺栓拼裝；

（9）法蘭盤(pán)和柱內(nèi)部空心貫通，如有強(qiáng)度需求可內(nèi)填混凝土加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度（見(jiàn)圖6）。

節(jié)點(diǎn)構(gòu)件宜采用鑄造一體成型，確因鑄造工藝有難度可在工廠制作時(shí)進(jìn)行焊接。板件接長(zhǎng)須采用全焊透對(duì)接。采用角焊縫處，焊腳高度應(yīng)大于連接板件厚度較小值的1.5倍。法蘭盤(pán)上下內(nèi)插口只能全焊透對(duì)接，不得使用角焊縫連接，以保證節(jié)點(diǎn)裝配。法蘭盤(pán)中部為空心方鋼管，在節(jié)點(diǎn)工作時(shí)法蘭盤(pán)應(yīng)力復(fù)雜，宜對(duì)法蘭盤(pán)中部方鋼管壁進(jìn)行加厚。

圖6 十字形節(jié)點(diǎn)法蘭盤(pán)剖面圖

2 節(jié)點(diǎn)構(gòu)件連接計(jì)算方法

2.1 梁端連接截面抗彎承載力

在梁端連接處采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)法，即梁端高強(qiáng)螺栓群連接強(qiáng)度不小于梁端螺栓孔削弱凈截面強(qiáng)度。梁彎矩由上下翼緣共同承擔(dān)，先計(jì)算螺栓連接梁翼緣板的軸心抗拉、壓承載力N，再用N計(jì)算出梁端螺栓連接截面的抗彎承載力M。梁端上、下翼緣螺栓連接處的抗拉、壓承載力N由公式（1）、（2）、（3）確定：

式中：

n1為梁上翼緣計(jì)算截面處高強(qiáng)摩擦螺栓數(shù)目；n為梁上翼緣螺栓數(shù)目；An為梁上翼緣螺栓孔削弱處凈截面面積；A為梁上翼緣毛截面面積；f為翼上緣板抗拉承載力設(shè)計(jì)值；Nv為單個(gè)摩擦螺栓抗剪承載力；nf為單個(gè)摩擦螺栓傳力摩擦面數(shù)目；μ為摩擦面抗滑移系數(shù)（按接觸面的處理方法取值）；P為螺栓預(yù)拉力（按螺栓性能等級(jí)和公稱直徑取值）。

梁端連接截面抗彎承載力M為：

式中：

h為H型鋼梁高度。

2.2 梁端連接截面抗剪承載力

節(jié)點(diǎn)由高強(qiáng)摩擦螺栓連接，即節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)不考慮螺栓滑移。故梁與法蘭盤(pán)間屬剛性連接，可認(rèn)為梁彎矩完全由梁翼緣承擔(dān)，梁翼緣不分擔(dān)剪力。梁端連接截面抗剪承載力計(jì)算內(nèi)容包括H型鋼梁腹板受剪（常用規(guī)格H型鋼梁可省略此步驟）、連接板受剪和梁腹板處摩擦螺栓受剪。梁端連接截面抗剪承載力FP為公式（4）、（5）、（6）確定的最小值。

式中：

Iw為梁腹板毛截面慣性矩，tw為腹板厚度，fvw為腹板抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，Sw為腹板上半部分毛截面對(duì)中和軸的面積矩。

式中：

n為剪切截面處連接板數(shù)目，Il為單塊連接板毛截面慣性矩，tl為連接板厚度，fvl為連接板抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，Sl為單塊連接板上半部分毛截面對(duì)中和軸的面積矩。

式中：

n為梁腹板處承受承受單向剪切力的摩擦螺栓數(shù)目，其余變量定義與公式（3）相同。

2.2 柱端連接截面抗彎抗剪承載力

如圖2所示，柱與柱端板在工廠采用全焊透對(duì)接，柱與法蘭盤(pán)連接時(shí)，柱先插入法蘭盤(pán)上內(nèi)嵌口，再用摩擦螺栓將柱端板與法蘭盤(pán)端板鎖緊。考慮安裝精度，內(nèi)嵌口外截面尺寸略小于柱內(nèi)空心截面尺寸，故此處計(jì)算柱端連接截面抗彎、抗剪承載力時(shí)不考慮內(nèi)嵌口的嵌固效應(yīng)。柱端板上螺栓群承受拉剪或壓剪作用，根據(jù)高強(qiáng)摩擦螺栓工作原理可知端板最邊緣處承受拉剪作用的螺栓屬危險(xiǎn)部件，對(duì)連接截面抗彎剪能力起控制作用。最邊緣處的單個(gè)摩擦螺栓承受的剪力Nv和拉力Nt應(yīng)滿足關(guān)系式（8）和（9）：

式中：

根據(jù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)思想，單塊柱端板上摩擦螺栓規(guī)格型號(hào)宜設(shè)置相同，可認(rèn)為連接截面處總剪力FP由端板上n個(gè)螺栓平均分擔(dān)。故柱端連接截面抗剪承載力為：

計(jì)算時(shí)認(rèn)為端板發(fā)生線性形狀變形，即端板上每個(gè)螺栓受到的拉力與螺栓中心到轉(zhuǎn)動(dòng)截面中性軸的距離成正比，則柱端連接截面抗彎承載力為：

式中：

n1為單塊端板上抗拉螺栓數(shù)目，yi為第i個(gè)抗拉螺栓中心到轉(zhuǎn)動(dòng)截面中性軸的距離，y為最邊緣處的螺栓中心到轉(zhuǎn)動(dòng)截面中性軸的距離。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)新型模塊化分層裝配鋼結(jié)構(gòu)全螺栓節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明，并提出節(jié)點(diǎn)在正常使用狀態(tài)下的簡(jiǎn)易連接計(jì)算方法。但受力狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)法蘭盤(pán)的傳力路徑和應(yīng)力分布尚不明朗，節(jié)點(diǎn)的抗震性能和地震作用下動(dòng)力響應(yīng)并不清楚，故研究該節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)和有限元研究工作還有待于進(jìn)一步開(kāi)展。