裝配式模塊化鋼框架模塊間拼接節點受力性能研究

張呈乾，王 燕，馬 輝，周廣興

(青島理工大學 土木工程學院，青島266525)

模塊化建筑是綠色建筑的典型代表，具有低碳節能、快速高效、經濟適用等特點，在抗震救災、重大突發疫情救治、辦公產業園等領域可實現高效、快速整體安裝，發揮其他建筑形式不可替代的重要作用。目前我國模塊化房屋集成技術研究尚處于起步階段，現有模塊化房屋大多是由集裝箱改建的低層建筑，房屋使用效率低，模塊間連接節點剛度較弱，工程應用尚存在技術瓶頸問題。

國內外學者針對模塊化鋼結構框架間的連接節點構造形式和受力性能開展了大量研究工作。劉明揚、曾武鳳[1-2]分別建立有限元模型，研究了套筒連接節點受力性能以及抗震性能，分析了套筒厚度等參數對節點耗能性能的影響,LEE等[3]對模塊化建筑梁柱連接節點進行了試驗研究，提出了該節點的傳力機制。LACEY等[4]對模塊化互鎖連接節點進行剪力-滑移試驗，分析了螺栓預緊力、螺栓孔徑及是否設置定位銷對節點抗剪、抗滑移性能的影響，研究表明，抗剪強度主要取決于滑移系數和螺栓預緊力。劉佳迪[5]對模塊化梁-梁連接節點進行了試驗研究，分析了不同軸壓比、梁截面及肋板對節點抗震性能的影響，研究表明，肋板對節點抗震性能影響較大。DENG、劉立波等[6-7]分別針對模塊化螺栓-蓋板連接節點進行了試驗研究，分析了節點抗震性能。李豫明[8]對模塊化單邊螺栓連接節點進行了試驗研究，分析了方鋼管類型、鋼插件厚度、高強螺栓對節點抗震性能的影響，研究表明，鋼插件厚度、不同方向高強螺栓對節點耗能能力影響較大。蘇明周等[9]對十字板-端板式模塊化連接節點進行了試驗研究，分析了梁柱間有無斜撐對節點抗震性能的影響。秦佳俊等[10]對模塊單元新型盒式連接節點進行了角節點和邊節點的設計及有限元分析，研究表明，該類節點抗震性能良好。王修軍等[11]對裝配式矩形鋼管柱與H型鋼梁連接節點的研究現狀進行了總結，提出了待解決和研究的問題。文獻[2-11]主要研究了模塊化節點在高強螺栓、對拉螺栓連接下的力學性能及抗震性能，解決了鋼框架模塊間的連接問題，但現場安裝環節較為復雜。

本文提出一種新型裝配式模塊化鋼框架模塊間拼接節點，如圖1所示，各模塊通過水平連接板與柱頂板采用單向高強螺栓連接，實現模塊間有效拼接，節點剛度大，安裝效率高。采用有限元分析軟件ANSYS對圖1所示模塊拼接節點的受力機理開展分析，研究了水平連接板厚度、單向螺栓直徑、設置內隔板等參數對裝配式模塊化鋼框架模塊間拼接節點力學性能的影響，并對節點抗震性能進行了分析，研究內容可為裝配式模塊化鋼框架結構工程應用提供參考。

1 有限元模型及參數設計

1.1 建立有限元模型

采用裝配式模塊化結構體系，確定模塊梁、柱截面尺寸，單個模塊的幾何尺寸如圖1 (a)所示。參照文獻[12]選擇模塊化鋼框架柱中點、模塊梁中點為反彎點，選取模塊化鋼框架節點子結構建立有限元模型，如圖2(b)所示。其中，鋼框架滿足設計要求。利用有限元軟件ANSYS對節點進行有限元建模，采用Solid186單元在節點區域進行網格細化。鋼材采用Q355B，彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比取0.3，采用10.9級分體式單向高強螺栓，本構關系選用等向強化三折線模型并采用Von Mises屈服準則。為提高計算效率采用半結構對稱建模。

鋼板之間的焊縫均采用綁定模擬，水平連接板與柱頂板之間采用標準接觸，摩擦系數0.4[13]。柱底鉸接，柱頂約束水平方向Ux、平面外方向Uz自由度，約束梁翼緣平面外自由度，防止其發生出平面失穩，軸壓比取0.3，如圖2所示。

1.2 參數設計

共設計9個有限元模型試件，如表1所示。節點水平連接板厚度應具有較大剛度，有效傳遞水平荷載，水平連接板厚度應大于柱壁厚度，試件S-01的水平連接板厚度大于柱壁厚度3 mm，其節點尺寸如圖3所示，其他模型在S-01基礎上分別增加或減小水平連接板厚度、單向螺栓直徑以及是否設置內隔板，試件編號及參數等如表1所示。

圖2 模塊化鋼框架結構及節點有限元模型

表1 試件編號及參數

圖3 S-01模塊間拼接節點詳圖

2 節點靜力分析

2.1 加載制度

在模塊節點梁兩端同時施加反向位移，靜力加載直至出現下列情況時停止：①節點發生破壞；②節點承載力下降至峰值荷載的85%。

2.2 破壞模式

從圖4所示應力云圖可見，試件S-01—S-09主要有梁端破壞和柱壁破壞兩類形式。試件S-01—S-08梁翼緣與柱連接焊縫處應力增長較快，最終破壞形式均為梁端焊縫區域破壞，如圖4(a)所示，符合“強節點、弱構件”設計要求。試件S-09的柱壁未設置內隔板，與試件S-01—S-08設置內隔板的8個試件相比，柱壁區域出現較大應力并發生屈曲破壞，如圖4 (b)所示，建議在節點柱壁區域設置內隔板，避免發生“強梁弱柱”破壞。

2.3 節點應力分析

圖5所示為試件荷載-位移(F-Δ)曲線，可以看出，節點水平連接板厚度、單向螺栓規格兩種不同的參數對節點承載力的影響程度并不相同。

圖5 試件荷載-位移曲線

2.3.1 水平連接板

圖5(a)所示為試件S-01—S-04對應的荷載-位移曲線，4個試件水平連接板厚度依次為8，10，12，6 mm，荷載-位移曲線變化規律及極限承載力基本相同，說明水平連接板厚度對節點承載力影響不明顯。

圖6為極限承載力狀態下水平連接板的應力云圖。試件S-01—S-04水平連接板應力主要集中在螺栓孔壁位置。其中，試件S-04的水平連接板厚度為6 mm，在水平連接板外側具有較明顯的應力集中區域。試件S-01—S-03水平連接板厚度為8～12 mm，應力分布較為均勻，沒有出現明顯的應力集中。建議水平連接板厚度應大于柱壁厚度2～4 mm。

圖6 極限承載力狀態下水平連接板應力狀態

2.3.2 柱頂板及單向螺栓

圖7為極限承載力狀態下柱頂板應力狀態。試件S-01—S-08柱頂板的厚度均為6 mm，其應力主要集中在螺栓孔壁位置。其中，試件S-08螺栓孔處應力最大且出現變形，這是由于螺桿剛度較大，對柱頂板上的螺栓孔壁擠壓作用較強導致的。試件S-01—S-07的單向螺栓規格為M12—M18，應力分布較為均勻，沒有出現明顯的應力集中。

圖7 極限承載力狀態下柱頂板應力狀態

試件S-01—S-08中單向螺栓均未到達屈服應力，其應力集中主要位于螺栓桿端部與螺母處。其中，試件S-05的單向螺栓為M12，在螺栓桿端部出現應力集中；其余試件中螺栓的應力集中位置均存在于螺母處。

圖5 (b)所示為試件S-01，S-05—S-08單調靜力加載的荷載-位移曲線，5個試件單向螺栓的直徑分別為M16，M12，M14，M18，M20，水平連接板厚度均為8 mm，各試件的極限承載力隨單向螺栓直徑增加呈現減小趨勢，這是由于單向螺栓孔徑對節點承載力有一定影響，隨高強螺栓孔徑增大，水平連接板凈截面減小，連接板承載力降低，在水平連接板等厚度情況下，較大的螺栓孔徑對節點極限承載力有不利影響，建議單向螺栓直徑不宜大于水平連接板厚度的2倍。

3 節點抗震性能分析

3.1 加載制度

針對圖2所示節點開展了低周往復加載數值模擬分析，采用層間位移角控制梁端加載位移，在節點梁兩端同時施加反向位移。參考《美國鋼結構抗震標準》(AISC/ANSI 341-10)[14]層間位移角依次取0.00375，0.005，0.0075，0.01，0.015，0.02，0.03，0.04，0.05，0.06，0.07 rad，每級循環加載一次，往復加載直至出現下列情況時停止：①節點發生破壞；②節點承載力下降到峰值荷載的85%。

3.2 滯回曲線

圖8(a)—(i)為試件S-01—S-09在不同參數下節點的滯回曲線。試件S-09的滯回曲線呈反S形，滯回環包圍面積較小，耗能能力較低，這是由于該試件未設內隔板導致柱壁剛度不足，在加載過程中產生較大變形導致的。試件S-01—S-08的滯回曲線呈紡錘形，具有良好的抗震性能。

3.3 骨架曲線

由圖9及表2可知，試件S-01—S-09的層間位移角及延性系數均滿足現行規范[15]的要求。參照文獻[15]，鋼結構彈性、彈塑性階段的層間位移角限值分別為0.4%，2%，延性系數最小值為1。由此可得，當梁端位移分別達到12，60 mm時，試件S-01—S-09可滿足不同階段的層間位移轉角及延性系數的要求。試件S-09的骨架曲線較為平緩，其承載力遠小于其他試件，未出現下降段，其延性系數為1.26，遠低于其他試件。試件S-01—S-08的骨架曲線有明顯的彈性階段和屈服階段，其延性系數介于1.43～1.75之間，平均值為1.48，約為試件S-09的1.2倍。其中，試件S-01—S-04延性系數基本不變，與S-05的延性系數相差較大，試件S-05與試件S-01相比延性系數增加了22.4%。

圖8 試件節點的滯回曲線

圖9 節點試件的骨架曲線對比

表2 節點試件力學性能指標

3.4 節點剛度退化曲線

圖10為試件S-01—S-09在不同參數下節點的剛度退化曲線。由圖10(c)可知，試件S-09的初始剛度遠低于其他試件，約為其他試件初始剛度的1/4，且較早地進入剛度退化階段。試件S-01—S-08的初始剛度及剛度退化趨勢大致相同，剛度退化曲線先后經歷了2個階段：第1階段曲線呈平直狀態，處于剛度退化彈性階段，該階段試件剛度沒有明顯的退化現象；第2階段曲線呈下降狀態，處于剛度退化階段。由圖10(a)(b)可知，水平連接板厚度對節點剛度退化影響較小；單向螺栓直徑對節點剛度退化有一定的影響，但影響程度不大。

圖10 節點剛度退化曲線對比

3.5 節點耗能能力分析

節點耗能能力通常采用等效黏滯阻尼系數和能量耗散系數作為衡量標準[15]。圖11為各試件的節點耗能能力直方圖，可見，試件S-01—S-08的等效黏滯系數平均值為0.346，較試件S-09高出0.35倍；能量耗散系數平均值為2.176，較試件S-09高出0.87倍，說明帶內隔板試件的耗能能力更好。此外，試件S-01—S-04的等效黏滯阻尼系數、能量耗散系數差別較小，因此，水平連接板厚度對節點耗能能力影響不大。

4 結論

提出一種新型裝配式模塊化鋼框架模塊間拼接節點。對模塊間拼接節點的力學性能進行了有限元數值模擬分析，主要結論如下：

1) 在模塊間拼接節點柱壁內通過設置內隔板可有效改善節點耗能能力，顯著提高節點的承載能力，建議在節點柱壁內設置內隔板以提高模塊間拼接節點的抗震性能及承載能力；

2) 增加水平連接板厚度對模塊間拼接節點的承載能力、抗震性能影響不明顯，但可改善模塊間拼接節點水平連接板處的應力分布，建議水平連接板厚度應在柱壁厚度的基礎上增加2～4 mm；

3) 單向高強螺栓的孔徑對節點承載力有較大影響，當單向高強螺栓的孔徑取值過大時，將對水平連接板承載力產生較大影響，建議單向螺栓直徑不宜大于水平連接板厚度的2倍。