新型模塊化鋼結構插入式連接節點受力性能研究

徐龍河，楊曉樂，張 格

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

模塊化建筑是一種高度裝配化的新興建筑形式，具有施工高效、質量精良、綠色環保等優點，呈現出可持續發展趨勢[1-3]。模塊化建筑將工廠預制生產的模塊單元運送至施工現場，通過有序拼裝以組成整體結構，模塊單元通常按照一定的三維建筑空間進行劃分，可根據建筑的功能需求和結構的設計要求進行靈活設計，在工廠內完成其主體結構、樓板、天花板和墻板的預制及內部裝修，使其具備完整的建筑使用功能。

模塊化建筑結構的性能高度依賴于模塊間的連接，因此，模塊化結構連接節點應確保結構的完整性、可靠性和安全性，需滿足強度高、傳力穩定、整體性強、便于施工等要求[4-6]。劉學春等[7-8]對模塊化裝配式多高層鋼結構的全螺栓梁柱連接節點的受力性能進行試驗研究。結果表明，該類節點轉動剛度較大、承載力高、延性及耗能能力較好。DENG 等[9-10]提出了一種適用于模塊化建筑的蓋板螺栓連接節點，對該節點進行擬靜力試驗研究其傳力機理、承載能力和抗震性能，并根據現行抗震設計規范評估節點的抗震性能。結果表明，該節點具有令人滿意的變形能力。CHEN 等[11]提出了一種預應力連接節點，并通過一系列擬靜力試驗與數值模擬研究其抗震性能。結果表明，該節點可以提供足夠的強度和剛度，減輕結構損傷。DAI 等[12]開發了一種模塊化結構自鎖連接器，在模塊柱端設置空心鋼箱，梁柱均與空心鋼箱焊接相連，上、下模塊柱之間通過摩擦自鎖機制連接，該節點安裝方便且具有優良的抗震性能。LACEY 等[13]提出一種新型聯鎖接頭，該接頭中聯鎖件及定位銷可為模塊單元提供橫向約束，提高整體節點的抗剪性能，其在初始滑動后額外產生的剪切阻力可保證結構在較大荷載下的穩定性。王偉和王明興[14]提出一種應用于鋼管柱-H 型梁連接的模塊化節點，該節點能較大程度利用節點域剪切變形，具有穩定的耗能能力。現階段研究所提出的大部分連接節點均可實現模塊單元間的可靠連接，但在地震作用下，模塊梁柱連接區域常出現應力集中現象，且模塊梁柱間多采用焊接的連接方式，焊縫質量難以控制，易引起結構脆性失效。即使保持了結構完整性，但構件震后難以拆卸更換，修復成本高，與模塊化建筑“綠色環保，經濟高效”的建造宗旨相悖，制約了其在高層建筑及抗震設防區域的推廣和應用。

本文提出一種具有附加耗能的全裝配模塊化鋼結構插入式連接節點，能夠提供可靠的連接剛度且具有良好的抗震性能。根據其受力特征，推導其初始轉動剛度理論公式，通過ABAQUS 建立了半裝配與全裝配插入式連接節點的精細化數值模型，對比研究兩個節點在低周往復荷載作用下的抗震性能。

1 節點構造

1.1 半裝配模塊化鋼結構插入式連接節點

ZHANG 等[15]提出一種半裝配模塊化鋼結構插入式連接節點，其構造如圖1 所示，模塊柱采用承載力高、抗扭剛度大的箱型截面方鋼管柱，模塊梁采用側向剛度大、抗彎能力強的工字型截面和槽型截面梁，模塊地板梁和天花板梁均垂直焊接至模塊柱端部側翼緣，為保證節點在水平和垂直方向上均具有可靠的連接剛度和強度，通過十字型插銷連接件和蓋板完成模塊單元間的連接，插銷連接件由上下對稱的十字型插銷和水平連接板組成，可精確定位模塊單元并協同構件抵抗外部剪力，水平及豎向蓋板通過高強螺栓與模塊梁柱翼緣連接，加強構件協同工作，插銷連接件形式及蓋板數量取決于節點在結構中的實際位置。在現場安裝過程中，首先確定下部模塊單元安裝位置，隨后將十字型插銷連接件垂直插入下部模塊柱端方孔內，吊裝兩個上部模塊單元并將其依次插入連接件對應插銷位置，并通過高強螺栓連接上下模塊梁相鄰翼緣與連接件水平連接板，最后固定蓋板進一步加強結構整體性。

圖1 半裝配模塊化鋼結構插入式連接節點構造Fig.1 Construction of semi-assembled modular steel structure plug-in connection

1.2 全裝配模塊化鋼結構插入式連接節點

半裝配模塊化鋼結構插入式連接節點構造簡單、性能可靠、適用性強，無需額外的施工空間，便于維護和管理。但在地震作用下，其模塊梁柱連接處易出現應力集中，可能導致結構脆性失效。為改善模塊化鋼結構抗震性能，提高結構裝配化程度，實現損傷可控，發揮模塊化結構易拆卸更換的顯著優勢，對現有半裝配模塊化鋼結構插入式連接節點[15]進行優化升級，提出了一種具有附加耗能的全裝配模塊化鋼結構插入式連接節點，其構造如圖2 所示。該節點模塊單元梁柱之間通過T 型件螺栓連接代替原有的焊接連接方式，可一定程度改善結構延性，避免發生脆性失效。通過合理設置T 型連接件翼緣板厚度和螺栓孔位置，保證節點具有足夠的連接剛度。其中，T 型連接件腹板上設置長槽孔，并在其與模塊梁外翼緣之間增設金屬摩擦板[16-18]，高強螺栓分別穿過T 型連接件、金屬摩擦板、模塊梁外翼緣及模塊柱腹板上預留的螺栓孔完成模塊梁柱間的可靠連接。模塊單元間的連接仍通過十字型插銷連接件、蓋板及高強螺栓實現。當外部作用力大于T 型連接件和金屬摩擦板之間的初始靜摩擦力時，金屬摩擦板與模塊梁外翼緣之間可發生有限滑移，各組件接觸面之間相互摩擦共同耗散能量，調整相應螺栓預緊力可改變初始摩擦水平，改變節點滯回曲線的飽滿程度，從而滿足結構不同耗能需求。

圖2 全裝配模塊化鋼結構插入式連接節點構造Fig.2 Construction of fully assembled modular steel structure plug-in connection

2 理論初始轉動剛度

以典型平面十字形模塊化鋼結構全裝配插入式節點為例，節點理論變形機制如圖3 所示。當其模塊梁兩端受到方向相反的豎向荷載時，該節點域同時承受壓力、彎矩和剪力作用，其梁端測得的總轉角θ 主要由3 部分變形引起，分別為：考慮T 型連接件轉動效應的模塊梁彎曲變形引起的轉角θR、模塊柱彎曲旋轉引起的轉角θc以及節點核心區域剪切變形引起的轉角θp。其中，由于十字型插銷連接件水平連接板和豎向蓋板引起的變形對結構性能影響很小，通常可忽略不計。

圖3 節點變形機制Fig.3 Deformation mechanism of the connection

節點初始轉動剛度理論公式的推導基于以下基本假定：① 上部模塊地板梁和下部模塊天花板梁無組合效應，二者相互獨立，可采用疊加模型反映節點的整體行為；② 模塊柱兩端均為鉸接，模塊梁端部保持懸臂狀態；③ 模塊梁柱之間無接觸，通過連接件實現協同受力和變形；④ 模塊柱端部翼緣與十字型插銷連接件水平板及插銷接觸頂緊，保證荷載有效傳遞。圖4 為全裝配模塊化鋼結構插入式節點的主要幾何參數。其中，模塊梁柱、十字型插銷連接件及T 型連接件的尺寸為影響節點初始轉動剛度的主要參數。

圖4 節點幾何參數Fig.4 Geometry parameters of the connection

全裝配模塊化鋼結構插入式節點中考慮T 型連接件轉動效應的梁彎曲剛度KR可表示為十字型插銷連接件與模塊柱協同受力時所提供的抗彎剛度Kcp與T 型件螺栓連接的轉動剛度Kr之和，即：

十字型插銷連接件與模塊柱協同受力時所提供的抗彎剛度為：

式中：Ec為模塊柱腹板鋼材的彈性模量；Icw為柱腹板與十字型插銷連接件協同受力時所對應的慣性矩；α 為柱腹板的作用系數；tp和hp分別為十字型插銷的厚度和高度；tp,h為十字型插銷連接件水平連接板的厚度。

T 型件螺栓連接的轉動剛度為[19]：

式中：β 為考慮開設長槽孔對T 型連接件腹板削弱效果引入的折減系數；Et為T 型連接件鋼材的彈性模量；m1和m2分別為T 型連接件翼緣板螺栓孔軸線到腹板的距離；tw和lw分別為T 型連接件腹板的厚度和長度；tf和bf分別為T 型連接件翼緣板的厚度和寬度；Hb為上部模塊地板梁外翼緣與下部模塊天花板梁外翼緣之間的距離；H為模塊柱的總高度。

由T 型件螺栓連接轉動引起的轉角θR可通過模塊梁端發生的位移δR與梁端加載點到T 型連接件翼緣板的距離之比得到，可通過下式進行計算：

式中：P為梁端受到的豎向荷載；Lb為梁端加載點到T 型連接件翼緣板的距離。

模塊柱的抗彎剛度為：

式中：Ec1和Ec2分別為相鄰模塊柱鋼材的彈性模量；Ic1和Ic2分別為相鄰模塊柱的慣性矩。

模塊柱在梁端外荷載作用下的彎曲旋轉角度θc可通過由彈性力學理論推導出的柱撓曲方程的一階導數確定，相應公式如下：

式中：L為模塊梁兩端加載點之間的距離；Hc為上部模塊柱的高度。

在外部荷載作用下，節點核心區域發生剪切變形，其抗剪剛度可通過下式進行計算：

式中：Awc1和Awc2分別為水平方向上相鄰模塊柱腹板的面積；Gsc1和Gsc2分別為水平方上相鄰模塊柱的剪切模量；ks為模塊柱的剪切系數，取為1.2[20]。

由節點核心區域剪切變形引起的轉角θp可通過下式計算：

式中，hb為上部模塊地板梁上翼緣和下部模塊天花板梁下翼緣中心線之間的距離。

全裝配模塊化鋼結構插入式節點初始轉動剛度K可由式(12)計算[21-22]：

3 數值模擬與性能分析

3.1 有限元模型

3.1.1 基本信息

通過ABAQUS 對半裝配與全裝配模塊化鋼結構插入式節點進行數值分析。兩節點模型的模塊梁柱、十字型插銷連接件和豎向蓋板尺寸相同，其中，模塊柱高1310 mm，截面尺寸為150 mm×150 mm×7.5 mm；模塊梁長1840 mm，上部模塊地板梁與下部模塊天花板梁截面尺寸分別為225 mm×150 mm×6 mm×4.5 mm 與150 mm×150 mm×6 mm×4.5 mm；十字型插銷連接件由厚15 mm 的水平連接板及高240 mm 的十字型插銷組成；豎向蓋板厚7.5 mm；采用10.9 級M20 高強螺栓完成各組件間的連接。對于全裝配模塊化鋼結構插入式節點，T 型連接件尺寸的確定需考慮節點預設失效模式[23-24]。為了實現塑性轉移的目標，設計T 型連接件翼緣板厚20 mm，腹板厚6 mm；金屬摩擦板厚6 mm。模塊梁柱、十字型插銷連接件、豎向蓋板及T 型連接件均采用Q345 鋼材。

采用實體單元C3D8R 模擬十字型插銷連接件、T 型連接件、金屬摩擦板和高強螺栓，殼單元S4R 模擬模塊梁柱及豎向蓋板。鋼材本構模型選用雙線性等向強化模型，遵循Von Mises 屈服準則和相關流動法則。

3.1.2 邊界條件

通過定義接觸和約束可實現荷載在結構內部的傳遞[25]。在各組件之間的接觸區域建立相應接觸對，選擇合適的界面摩擦系數，確保對應組件間不會發生相互穿透且存在有限相對滑移。金屬摩擦板與模塊梁外翼緣需保持同步運動以實現定向摩擦行為。

在上部模塊柱頂端和下部模塊柱底端設置鉸接，且模塊梁端部保持懸臂狀態以模擬實際情況。將模塊柱端耦合至其截面中心參考點，軸向荷載以集中力形式施加在對應耦合點上；同樣地，將模塊梁端耦合至其截面中心參考點，為保證同側地板梁及天花板梁同步運動，對其參考點同時施加完全相同的位移荷載；另外，對模塊梁段中部施加面外約束，避免節點在加載過程中發生面外失穩。全裝配插入式節點的有限元精細化模型如圖5 所示。

圖5 全裝配插入式節點數值模型Fig.5 Finite element model of fully assembled plug-in connection

兩節點模型的加載過程可分為3 步：首先，對高強螺栓施加預緊力；然后，以0.2 軸壓比對柱端施加軸向荷載并在整個加載過程中保持恒定；最后，對模塊梁施加反對稱的低周往復荷載，模擬地震作用的層間剪力，加載制度如圖6 所示，加載位移最大幅值為101.28 mm，對應位移角為6%。

圖6 數值模擬加載制度Fig.6 Loading scheme of numerical simulation

3.1.3 試驗驗證

通過半裝配插入式節點擬靜力試驗驗證本文所建立數值模型的準確性與可行性，節點試件詳細尺寸及加載制度分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 節點試件詳細尺寸 /mmFig.7 Detailed dimensions of the connection

圖8 試驗加載制度Fig.8 Loading scheme of test

將節點模擬結果與試驗結果進行對比，如圖9所示。由圖可見，試驗與模擬的節點滯回響應吻合較好，峰值承載力最大相對誤差僅為4.5%，節點數值模型與試驗試件破壞模式基本相同，均在模塊梁柱連接處出現應力集中且模塊梁翼緣發生屈曲變形。說明，本文所采用的模擬方法能夠準確模擬所提出插入式模塊化節點在循環往復荷載下的滯回響應及力學行為。

圖9 試驗與數值結果對比Fig.9 Comparison of test and numerical results

3.2 結果分析

3.2.1 滯回響應與骨架曲線

兩節點在相同加載制度下的滯回響應如圖10所示。半裝配插入式節點在加載初期處于彈性階段，其荷載-位移曲線基本呈線性變化；隨著梁端加載位移增大，曲線包絡面積增加，節點逐漸進入塑性狀態，構件發生屈曲，剛度逐漸退化，滯回曲線最終呈較為飽滿的梭形。正向荷載作用下，當加載位移達到67.08 mm，對應位移角為3.97%時，節點承載力達到峰值，為92.97 kN。加載初期，全裝配插入式節點與半裝配插入式節點相似，整體結構處于彈性階段，荷載與位移呈線性關系發展；正向荷載作用下，當加載位移達到28.31 mm，對應位移角為1.68%時，曲線進入平滑段，此時外部作用力克服T 型連接件腹板與金屬摩擦板之間的初始靜摩擦力，二者開始發生相對滑動，節點通過摩擦耗散能量，顯示出良好的耗能能力，滯回曲線最終呈類平行四邊形。當加載位移達到100.34 mm，對應位移角為5.94%時，節點承載力達到峰值，為68.25 kN，比半裝配插入式節點降低約26.59%。另外，如圖10(b)所示，全裝配插入式節點初始轉動剛度數值模擬結果與理論計算值分別為8.12×103(kN·m)/rad 和8.42×103(kN·m)/rad，二者誤差約為3.6%，表明所提出的初始轉動剛度理論公式能夠較為準確地預測全裝配模塊化鋼結構插入式節點的轉動剛度。

圖10 節點滯回曲線Fig.10 Hysteretic curves of connections

圖11 為半裝配與全裝配模塊化鋼結構插入式節點的骨架曲線，能夠反映構件不同階段的強度、剛度等特性。全裝配插入式節點采用T 型件螺栓連接，其初始轉動剛度水平與半裝配插入式節點基本相同。隨著加載位移的增大，半裝配插入式節點的骨架曲線呈現持續增長趨勢，隨著加載圈數及幅度的增加，節點逐漸進入塑性階段，構件發生屈曲變形，承載能力出現一定程度的降低；全裝配插入式節點的骨架曲線在加載后期具有較長的平臺段，保持穩定的發展趨勢，且曲線基本對稱。T 型連接件和金屬摩擦板之間的相互滑動會使得節點較早進入屈服階段，在相同加載位移下，其節點承載能力小于半裝配插入式節點。

圖11 節點骨架曲線Fig.11 Skeleton curves of connections

3.2.2 耗能能力

耗能能力作為評價結構構件抗震性能的指標，能夠綜合反映構件的變形能力和強度發展情況，通常采用能量耗散系數η 來衡量構件的耗能能力[26]，計算如式(13)所示：

式中：S(ABC+CDA)為圖12 中滯回曲線的包絡面積；S(OBE+ODF)表示三角形OBE與ODF的面積之和；η 值越大，說明構件的耗能能力越好。

圖12 耗能系數計算示意圖Fig.12 Schematic diagram of energy dissipation coefficient

圖13 為兩種模塊化鋼結構插入式節點的能量耗散系數發展曲線。由圖可見，對于半裝配插入式節點，能量耗散系數隨著位移角增大而不斷增長，節點主要依靠構件的塑性變形耗散能量；對于全裝配插入式節點，當位移角大于1.68%時，T 型連接件和金屬摩擦板之間開始發生滑動，通過摩擦行為耗散能量，全裝配插入式節點能量耗散系數逐步增加并顯著大于半裝配插入式節點。加載后期，由于T 型連接件腹板開設槽孔導致截面強度降低，靠近翼緣板槽孔端部區域發生塑性變形，稍微降低摩擦耗能效率，導致節點能量耗散系數增長逐漸緩慢。當加載位移達到最大幅值時，全裝配插入式節點能量耗散系數為2.37，比半裝配插入式節點增加約70.06%，表明該節點通過T 型連接件與金屬摩擦板相互滑動可充分耗散外部輸入能量，提高整體節點的耗能水平。

圖13 節點耗能系數Fig.13 Energy dissipation coefficient of connections

3.2.3 應力與應變

圖14 為峰值加載位移下兩節點Von Mises 應力分布圖。如圖14(a)所示，半裝配插入式節點的模塊梁柱翼緣連接處出現了較明顯的應力集中現象，并產生較為嚴重的屈曲變形。十字型插銷連接件、豎向蓋板及高強螺栓與各構件接觸區域承受壓力、彎矩及剪力作用，應力水平稍高，且均處于安全范圍，表明節點核心區域構造合理，各連接件可確保荷載的有效傳遞。如圖14(b)所示，全裝配插入式節點中，T 型連接件靠近翼緣板的長槽孔端部區域及其翼緣板和腹板連接區域均形成塑性鉸線，T 型連接件發生翹曲變形；模塊梁柱連接區域應力水平較低，總體處于彈性狀態；模塊柱側翼緣與T 型連接件連接區域受剪力和拉力的共同作用，出現應力集中現象，但并未發生屈服；其余組件應力分布規律與半裝配插入式節點基本相同，兩節點核心區傳力模式基本類似。

圖14 節點應力云圖Fig.14 Stress distribution of connections

圖15 為加載全過程兩節點累積塑性應變分布圖。由圖15 可見，與半裝配插入式節點相比，全裝配插入式節點模塊梁外翼緣基本無損傷，模塊柱側翼緣與T 型連接件連接區域塑性應變稍集中，整體塑性發展得到有效控制，塑性應變水平明顯降低，損傷主要集中在T 型連接件靠近翼緣板的長槽孔端部區域及其翼緣板和腹板連接區域，并呈現輕微屈曲變形，表明通過合理設計，節點可將塑性變形控制在T 型連接件預設損傷區域，主體結構得到有效保護。

圖15 節點累積塑性應變分布Fig.15 Cumulative plastic strain distribution of connections

4 結論

本文提出一種應用于模塊化鋼結構建筑且具有附加耗能的全裝配插入式連接節點，并與半裝配插入式連接節點進行對比研究，所得結論如下：

(1) 全裝配模塊化鋼結構插入式節點，采用T 型件螺栓連接代替模塊單元內梁柱之間的傳統焊接連接，避免因焊縫質量不穩定而引發結構脆性失效的問題，提高整體結構延性，同時實現模塊化結構易于拆卸更換的優勢。

(2) 分析全裝配模塊化鋼結構插入式節點的受力特征，推導其初始轉動剛度理論公式，數值模擬結果與理論計算值吻合良好，誤差約為3.6%，驗證了所建立的節點剛度公式的準確性。

(3) 全裝配模塊化鋼結構插入式節點能夠提供可靠的連接剛度且具有良好的抗震性能，與半裝配插入式節點相比，其峰值承載力為68.25 kN，降低約26.59%；全裝配插入式節點模塊梁外翼緣與金屬摩擦板之間在外部荷載作用下可發生有限滑移，各組件接觸面間相互摩擦共同提供附加耗能，使得節點能量耗散系數最大增加約70.06%，顯示出良好的耗能能力。

(4) 合理設計T 型連接件可有效控制節點塑性發展，將損傷主要集中在T 型連接件翼緣板和腹板連接處及靠近翼緣板的槽孔端部位置處，保護主要構件并實現損傷可控，顯著提高節點的抗震性能。此外，震后針對性更換損傷構件有利于結構功能的快速恢復。