模塊化鋼框架單元新型盒式連接節(jié)點及其設計方法

秦佳俊，譚平，尚繼英，李一明，戴淑丹

(1.廣州大學 工程抗震研究中心；廣東省地震工程與應用技術重點實驗室；工程抗震減震與結構安全教育部重點實驗室，廣州 510405；2.廣州建筑產業(yè)研究院有限公司，廣州 510405)

模塊化鋼結構建筑的梁、柱等構件均由工廠加工生產，施工現場只需進行螺栓拼接或者人工焊接即可，具有工業(yè)化程度高、輕質高強、施工周期短等優(yōu)點，是一種極具工業(yè)化特性的建筑結構體系[1]。形成可靠模塊化結構體系的難點在于一個節(jié)點上需要連接兩柱四梁、四柱八梁、甚至是八柱十六梁，而且高裝配率模塊單元需要在工廠完成，現場連接不占用室內空間。目前已經開發(fā)了多種模塊單元連接形式，Annan等[2]提出全焊接式模塊化鋼支撐體系的連接節(jié)點，并對節(jié)點以及鋼框架支撐體系進行了深入的研究。Park等[3]提出的采用拼接板、高強度螺栓進行模塊之間的水平和豎向連接，理論和試驗研究的重點在于節(jié)點處4根柱作為嵌入式地基的整體。Lee等[4]以不削弱柱截面為前提，提出采用L型、T型、十字型連接件將模塊單元連接在一起，并且對上、下兩個模塊連接節(jié)點進行了抗震性能的試驗研究。中國學者也開展了對模塊化結構的節(jié)點形式及其性能的探索，Deng等[5]提出用柱端開孔，采用十字型拼接板螺栓連接，蓋板焊接封口的模塊單元連接方式，并且對角節(jié)點和邊節(jié)點的抗震性能進行了深入研究，結果表明，節(jié)點在往復荷載作用下的破壞均發(fā)生在梁端。Chen等[6-7]采用插入式連接件和對穿螺栓實現了模塊單元之間的連接，分別對模塊單元角節(jié)點和邊節(jié)點進行了足尺試驗。王燕等[8]提出一種內套筒加焊接的連接件用于多個模塊的連接，用有限元分析不同套筒厚度、連接板厚度下節(jié)點的應力路徑，提出了可供參考的套筒厚度。

筆者提出了一種新型盒式模塊單元連接形式，可以僅使用螺栓即可完成模塊單元之間的連接。用于連接模塊單元的連接組件包括BCC-1、BCC-2以及一些連接板，根據實際需要確定不同連接位置的連接組件類型和個數，所有的連接工作可以在模塊單元外部完成且無焊接流程。除此以外，設計時以節(jié)點核心區(qū)受剪而穩(wěn)定耗能且塑性鉸形成于BCC-1、BCC-2腹板為目標，讓節(jié)點能用于抗震設防烈度地區(qū)并實現BCC-1、BCC-2的可更換。闡述了節(jié)點的構造和設計理念，基于“等強度理論”，結合《結構抗震設計規(guī)范》[9]、《鋼結構設計規(guī)范》[10]給出盒式節(jié)點設計的一般過程，將該方法用于7度設防區(qū)的某模塊化鋼結構辦公樓的模塊單元連接設計中，并使用有限元軟件Abaqus 6.14對節(jié)點性能進行驗證。

1 盒式節(jié)點構造及原理

設計了用于模塊單元連接的盒式連接組件，可以實現2、4、8個模塊單元之間的連接，圖1(a)、(b)分別為連接2個和4個模塊單元的邊節(jié)點示意圖。每4個模塊單元按圖1(b)完成連接固定后，再通過連接板在模塊單元柱加勁肋上連接即可完成8個模塊單元的連接。根據設計需要的個數和位置開螺栓孔，并且模塊單元柱端有一小段懸臂長度用于上、下模塊單元柱之間的連接。BCC-1用于角節(jié)點上、下模塊單元的連接，BCC-2可以同時實現模塊單元的水平和豎向連接。

基于對鋼結構節(jié)點的性能要求[11]，兼顧模塊單元連接的實際需要，闡述本模塊單元連接節(jié)點的設計理念和傳力機制。首先，用BCC-1和BCC-2的豎向連接板實現上、下模塊單元柱與柱的直接連接，保證豎向荷載傳遞的連續(xù)性，同時，避免因為模塊單元柱截面上拉應力存在而在上、下模塊單元之間產生縫隙。其次，讓BCC-1和BCC-2腹板參與受剪，實現穩(wěn)定的能量耗散。對于角節(jié)點，在水平荷載作用下，BCC-1腹板上受到的剪力來自兩個部分，柱腹板拼接板和水平加勁肋之間的腹板區(qū)域受剪引起B(yǎng)CC-1腹板的受剪，以及BCC-1水平連接板上螺栓孔受螺栓擠壓引起B(yǎng)CC-1腹板受剪，相對來說，作用在BCC-1腹板截面上的剪力較小，通過設置合理的截面尺寸或者采用低屈服應力、高變形能力的材料使BCC-1腹板參與受剪耗能，將塑性鉸集中在BCC-1腹板上。BCC-2因為長度較小，截面上的剪應力不可忽略，且BCC-2水平、豎直兩個方向受剪，容易實現BCC-2的腹板耗能。對于中間節(jié)點，水平方向的受力及耗能機理同邊節(jié)點，可以滿足抗震設防地區(qū)的需要。最后，僅由BCC-1、BCC-2、腹板連接板等采用高強度螺栓即可完成模塊單元之間的連接，安裝方便且可拆卸，地震作用下塑性變形集中在BCC-1、BCC-2腹板上，震后可以快速更換BCC-1和BCC-2，以恢復結構的使用功能。

圖1 模塊單元盒式連接節(jié)點Fig.1 Schematic diagram of box connection

2 盒式節(jié)點設計流程

模塊單元連接節(jié)點作為模塊化結構體系中的重要部分，在設計時除了考慮強度、剛度外，還要具有良好的延性以及耗能能力。具體來說，盒式節(jié)點設計時主要通過3個方面來提高盒式節(jié)點的抗震性能，使模塊化鋼框架體系能用于抗震設防烈度地區(qū)。第一，強度方面，豎向連接截面的強度要大于模塊單元柱的截面強度；第二，剛度方面，通過有限元計算驗算小震作用下層間位移角是否滿足《結構抗震設計規(guī)范》[9]的要求；最后，通過合理設計BCC-1、BCC-2腹板實現節(jié)點的穩(wěn)定耗能，使得模塊化鋼結構體系能用于抗震設防區(qū)，具體的盒式節(jié)點設計流程見圖2。

圖2 模塊單元連接設計流程圖Fig.2 Connecting design flowchart of modules

3 盒式節(jié)點設計

3.1 豎向連接設計

按照“等強度理論”要求實現模塊單元之間的豎向連接，盒式角節(jié)點、邊節(jié)點的豎向連接公式可以統一為式(1)。

(1)

(2)

(3)

3.2 水平連接設計

邊節(jié)點中BCC-2豎向截面要滿足彎矩、剪力在水平方向的傳遞，BCC-2的豎向截面、豎向連接所需高強度螺栓個數需要分別滿足式(4)、式(5)。

(4)

(5)

3.3 節(jié)點域驗算

對于盒式角節(jié)點和邊節(jié)點，節(jié)點核心區(qū)①、②的設計同普通鋼結構節(jié)點核心區(qū)，盒式節(jié)點的設計理念為BCC-1腹板耗能，BCC-2腹板除了耗能外還需傳遞水平方向外力，其合理設計是實現模塊化結構體系用于抗震設防區(qū)以及實現BCC-1、BCC-2可更換的前提。圖3給出了盒式角節(jié)點、盒式邊節(jié)點的受力示意圖，盒式邊節(jié)點受力示意圖取一半結構。

圖3 模塊單元受力示意圖Fig.3 Forced diagram of modular unit

對于盒式角節(jié)點，BCC-1腹板需要滿足截面1-1上剪應力小于核心區(qū)①，且能保持腹板的局部穩(wěn)定性。

(6)

對于盒式邊節(jié)點，作為受彎構件設計的BCC-2，其截面上剪力較大，2-2截面上的剪表達式為

(7)

2-2截面上剪力面上的剪應力需滿足強度要求，即式(8)，以及局部穩(wěn)定性要求。

(8)

3.4 極限抗彎承載力

(9)

(10)

4 盒式節(jié)點工程應用及驗證

4.1 連接設計

以某11層模塊化建筑示范綜合辦公樓為例，完成了新型盒式節(jié)點的研發(fā)與設計研究。辦公樓的設計使用年限為50年，建筑類別丙類，地面粗糙度為B類，II類場地，50年設防烈度為7度，設計地震分組第2組，基本地震加速度0.1g。辦公樓平面尺寸為42 m×15.6 m，選擇一層模塊單元和二層模塊單元之間的盒式節(jié)點進行連接設計。一、二層模塊單元柱截面為HW250×250×9×14，模塊單元梁截面均為HN150×300×6.5×9。模塊化鋼結構單元、BCC-1、BCC-2、腹板連接板、翼緣連接板用鋼均為Q235鋼，螺栓采用10.9級M20的高強度螺栓。

根據模塊單元的梁、柱尺寸，按前述設計流程，分別進行角節(jié)點、邊節(jié)點的設計。盒式角節(jié)點處使用的連接構件為BCC-1(×1)、腹板拼接板(×1)、翼緣拼接板(×1)，其中，翼緣拼接板尺寸同BCC-1的豎向連接板。盒式邊節(jié)點處使用的連接組件為翼緣連接板(×2)，其中，翼緣拼接板尺寸同BCC-1的豎向拼接板，腹板連接板(×2)、BCC-2(×1)。

4.2 有限元模型

為驗證盒式節(jié)點的抗震性能，采用有限元軟件Abaqus 6.14分別對角節(jié)點和邊節(jié)點進行靜力推覆分析。模型中，模塊單元、連接組件用鋼的設計屈服強度為fy=235 N/mm2，極限強度fu=370 N/mm2；采用10.9級M20高強度螺栓，屈服強度為fy=940 N/mm2，極限強度fu=1 040 N/mm2。建模時，模塊單元、連接構件以及高強度螺栓均采用實體元建模，在模型中分別考慮上模塊與下模塊之間、連接組件與模塊單元之間、連接組件與高強度螺栓之間、模塊單元與高強度螺栓之間的接觸。參考《鋼結構設計規(guī)范》，各部件之間采取噴硬質石英砂處理，摩擦系數取為0.45，在Abaqus 6.14里采用bolt force對螺栓桿施加的預緊力。角節(jié)點、邊節(jié)點的加載作用點均在柱端，用點rp耦合角節(jié)點整個柱頂截面，邊節(jié)點的加載點在相鄰柱柱端，分別用點rp1、rp2耦合左、右模塊柱柱頂截面，角節(jié)點、邊節(jié)點均施加X方向的位移，如圖4所示，模型中均考慮了0.1的軸壓比。

圖4 節(jié)點有限元模型和0.02 rad時的應力云圖Fig.4 Finite element model and stress diagram of connection at 0.02 rad

4.3 數值分析

通過螺栓上預緊力(bolt force)加載步來驗證有限元模型的正確性，角節(jié)點模型中，螺栓單元上的平均應力為317.8 N/mm2，邊節(jié)點模型中，螺栓單元上的平均應力為316.5 N/mm2，螺栓截面上拉力等于所施加的預緊力100 kN，說明模型的模擬結果可靠。經驗證的盒式角節(jié)點、盒式邊節(jié)點的滯回曲線如圖5所示，曲線呈明顯梭形且飽滿，表明節(jié)點在加載過程中均消耗大量的能量，具有良好的抗震性能。圖6為角節(jié)點、邊節(jié)點的骨架曲線，可以看出，角節(jié)點、邊節(jié)點均符合ANSI/AISC 360-10[12]第1～8部分節(jié)點分類中對半剛性節(jié)點的要求。

圖5 節(jié)點滯回曲線Fig.5 Hysteresis of connections

圖6 節(jié)點骨架曲線Fig.6 Skeleton curve of connection

圖6結合表1分析表明：強度方面，節(jié)點在正、反方向加載時均沒有表現出明顯峰值，角節(jié)點能夠傳遞90%以上彎矩，BCC-2較大幅度地增加邊節(jié)點的極限抗彎承載力，傳遞彎矩為128.5%。延性方面，角節(jié)點、邊節(jié)點均表現出較好的延性，正、反方向加載時，角節(jié)點的延性系數μ均值為2.703 5，邊節(jié)點的延性系數μ均值為4.911、5.384 5。Mu,P為預測的節(jié)點極限抗彎承載力，其對角節(jié)點和邊節(jié)點的極限抗彎承載力預測值與有限元結果比值Mu,P/Mu的平均值分別為1.01、0.905，具有很高的精度，Mu取層間位移角0.02 rad對應的彎矩承載力為極限抗彎承載力。

表1 節(jié)點有限元模型結果Table 1 Finite element model results of connection

中國規(guī)范[9]的“三水準”設防目標要求為“小震不壞、中震可修、大震不倒”，盒式角節(jié)點、在正、反方向加載的屈服層間位移角分別為：1/135、1/140，盒式邊節(jié)點在正、反方向加載的屈服層間位移角分別為：1/200、1/202，均大于1/250，在層間位移角為1/50時，角節(jié)點、邊節(jié)點的抗彎承載力沒有下降趨勢，剛度方面滿足中國規(guī)范[9-10]要求。

5 結論

設計了基于盒式連接組件BCC-1、BCC-2的全螺栓盒式節(jié)點，對節(jié)點構造以及設計理念進行詳細的闡述，并基于“等強度理論”給出了盒式節(jié)點的設計流程和豎向、水平方向的連接設計公式，分析了節(jié)點的極限抗彎承載力，并以塑性鉸形成于BCC-1、BCC-2腹板為目標，進行了BCC-1、BCC-2的腹板設計，采用有限元軟件ABAQUS 6.14對角節(jié)點、邊節(jié)點抗震性能進行分析，結論如下：

1)采用提出的模塊單元盒式節(jié)點連接設計方法設計的角節(jié)點和邊節(jié)點在往復加載作用下的塑性變形集中在節(jié)點核心區(qū)，并且BCC-1、BCC-2腹板截面削弱處首先屈服形成塑性鉸，既滿足了節(jié)點域腹板受剪耗能的理念，又可以在震后快速更換BCC-1、BCC-2以恢復節(jié)點的使用功能，表明提出的盒式節(jié)點設計理念和設計方法合理。

2)盒式角節(jié)點和邊節(jié)點均符合ANSI/AISC 360-10規(guī)范對于半剛性節(jié)點的要求，正、反方向下，角節(jié)點、邊節(jié)點能傳遞的極限抗彎承載均值分別為93.5%、128.5%；角節(jié)點和邊節(jié)點在層間位移角為1/250時，均處于彈性，層間位移角達到1/50時，沒有表現出抗彎承載力的降低，而且滯回曲線、骨架曲線和模型結果數據顯示節(jié)點具有良好的抗震性能，說明盒式節(jié)點的設計方法合理。

3)正、反方向下，盒式角節(jié)點極限抗彎承載力的預測值與有限元結果的比值Mu,P/Mu均值為1.01，盒式邊節(jié)點極限抗彎承載力的預測值與有限元結果的比值Mu,P均值為0.905，說明給出的節(jié)點極限抗彎承載力公式能很好地預測節(jié)點的極限抗彎承載力。