模块化建筑钢结构模块间新型节点及其承载性能

发布时间：2021-12-15 16:54所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要：本文提出了一种模块化建筑钢结构模块间螺栓-抗剪键节点,并分析了其受力性能。该节点的构造形式一方面实现了竖向承载与水平承载方式的分离，便于节点进行设计和分析;另一方面使得模块间连接工作在室内就可以完成，适用于多种安装位置。本文通过理论分析得到了双模

　　摘要：本文提出了一种模块化建筑钢结构模块间螺栓-抗剪键节点,并分析了其受力性能。该节点的构造形式一方面实现了竖向承载与水平承载方式的分离，便于节点进行设计和分析;另一方面使得模块间连接工作在室内就可以完成，适用于多种安装位置。本文通过理论分析得到了双模块连接节点抗拉承载力、抗剪承载力和抗弯承载力的计算方法。使用ABAQUS建立该节点的有限元模型进行数值模拟，验证节点承载力计算方法的有效性。通过对比双模块连接节点和四模块连接节点的数值模拟结果，说明了共用连接板对节点受力性能影响较小，从而证明双模块连接节点的承载力计算方法也适用于其他多模块连接节点。

　　关键词：模块化建筑钢结构;模块间节点;螺栓-抗剪键连接;承载力

　　1.背景

　　随着建筑工业化的推进，模块化钢结构建筑作为集成度最高的装配式钢结构建筑形式，在国内外受到广泛关注。模块化建筑是指把一个或多个建筑单元作为预制模块、在工厂预制后运到工地进行安装的建筑形式[1]。模块化钢结构建筑有着缩短工期、减少能耗和保护环境等优点，对住房产业的转型升级有着重要意义。未来大力发展模块化钢结构建筑尤其符合我国发展绿色建筑、走可持续发展道路的要求，在我国住宅产业化和建筑工业化进程中的地位不可取代[2]。

　　模块化建筑钢结构模块间节点负责传递模块间荷载、协调模块间变形，对模块化建筑的整体结构性能有着重要影响。模块间节点大致可以分为盖板螺栓连接节点、铸钢节点、预应力连接节点、焊接连接节点和组合连接节点[3]。然而目前模块间节点的性能研究严重滞后于工程实践，而且缺乏施工安装便捷、受力性能优良的节点形式，无法满足在高层建筑及抗震设防区域的应用[4]。

　　国外在高层模块化钢结构建筑领域的研究较少，所提出的节点连接形式大都仅适于单排模块组成的建筑[5]。而高层模块化建筑内模块间节点数量众多，采用适用于低多层模块化建筑的节点形式不安全也不经济。本文提出一种适用于高层模块化建筑钢结构模块间螺栓-抗剪键节点形式，便于施工安装、传力路径简单，并对其承载力进行理论计算和数值模拟分析。

　　2.节点构造形式

　　模块化钢结构建筑主要由模块的堆叠形成，模块内部、模块之间和模块与基础之间都是通过不同形式的节点进行连接，节点位置。模块内部连接是指模块内梁柱的连接形式;模块与基础连接是指底层模块与基础的连接形式;模块间连接是指相邻模块的连接形式，位于模块的四个角部。本文所研究的节点是模块间的结构节点。

　　目前已有的钢结构模块间节点大多存在着螺栓过多、施工不便和难以拆卸的问题[3]。为了解决以上问题，本文提出了螺栓-抗剪键节点。该节点主要由底铸钢件、连接板、螺栓和顶铸钢件四部分组成。以顶铸钢件为例介绍铸钢件细部构造，顶铸钢件主要包括L形盒子(紫色部分)和三角板(蓝色部分)组成。L形盒子左右两个端板与顶梁焊接，外端板与下层角柱焊接，内端板开有抗剪键孔。

　　三角板与L形盒子的内侧板焊接连接，其上开有槽形螺栓孔。连接板的外轮廓与L形盒子的内端板一致，在与抗剪键孔对应的位置焊有抗剪键。螺栓位于梁柱构件外，通过三角板上的槽形螺栓孔直接连接顶铸钢件和底铸钢件，不与连接板接触。在工程实践中，先安装下层模块，并保证模块顶面平整;然后将连接板的抗剪键嵌入下层模块顶铸钢件的抗剪键孔中;再安装上层模块，安装过程中调整模块位置使底铸钢件的抗剪键孔与连接板的抗剪键扣合;最后在模块内部完成螺栓的连接，在四个角部将上下模块固定。该构造形式的节点在传力机制和施工便捷方面有以下优势：

　　(1)节点将竖向承载和水平承载部件分解，螺栓主要承受节点拉力和弯矩引起的竖向作用，而抗剪键主要承受节点剪力引起的水平作用，清晰、明确的传力机制便于节点的分析和设计;(2)相对于在梁端或柱端开孔的节点形式，在三角板上安置螺栓能够避免对梁柱构件的削弱、保证梁柱构件的完整性;(3)施工中模块间节点的连接工作主要是螺栓的固定，该节点的螺栓安装位置克服了一般模块间节点施工空间不足的问题，在模块内部就能完成节点的连接，能够适用于多种安装位置。

　　3.双模块连接节点承载力的理论计算

　　先对连接上下一根角柱的双模块连接节点承载力进行理论分析，分析的工况为受拉工况、受剪工况和受弯工况。由于节点结构形式对称，受弯工况中仅对绕某一轴转动的抗弯承载力进行分析。

　　3.1受拉工况中节点的抗拉承载力

　　上层角柱与节点底铸钢件、下层角柱与节点顶铸钢件均为固结连接，下层角柱的底端设为固定约束，在上层角柱的顶端施加竖向拉力。计算假设如下：(1)忽略模块内构件抗拉承载力的贡献;(2)忽略抗剪键在节点纯拉时对承载力的贡献。节点受拉破坏模式有以下三种：(1)螺栓受拉屈服;(2)铸钢件三角板弯曲破坏;(3)铸钢件内侧板拉弯破坏。

　　3.2受剪工况中节点的抗剪承载力

　　双模块连接节点的抗剪承载力计算模型，上层角柱与节点底铸钢件、下层角柱与节点顶铸钢件均为固结连接，加载梁与节点底铸钢件的左端板固结连接，固定梁与节点顶铸钢件的外侧板固结连接，下层角柱的底端设为固定约束。考虑上层角柱轴压比为0.2，节点通过加载梁承受水平力。计算假设如下：(1)忽略螺栓对纯剪工况承载力的贡献，剪力仅由抗剪键传递;(2)忽略梁柱构件对抗剪承载力的贡献。节点受剪失效的破坏模式有两种：(1)抗剪键剪切破坏;(2)抗剪键孔孔壁挤压破坏。

　　4.双模块连接节点承载力的数值模拟

　　4.1材料属性和构件尺寸

　　本模型中钢材的本构关系均采用理想弹塑性本构模型。螺栓采用10.9级高强度螺栓，屈服强度

　　底铸钢件的三角板边长130mm，厚度25mm，槽孔短向26mm，螺栓端距40mm;L形盒子边长270mm，高220mm，侧壁和顶壁厚16mm，与三角板相连的底壁厚25mm，底壁开抗剪键孔50mm。顶铸钢件高度为140mm。L形连接板外轮廓与铸钢件外轮廓一致，厚度20mm，抗剪键直径50mm，抗剪键高度为25mm。

　　4.2单元类型和接触关系

　　采用ABAQUS对节点在不同工况下的承载力进行建模分析。由于构件接触关系较多，为使结果收敛采用显式分析法。为了保证模拟结果的精确度和接触关系的正常运作，模型所有单元均采用八节点线性六面体缩减单元C3D8R。铸钢件和连接板之间、抗剪键和孔壁之间以及螺栓和三角形板之间均设有接触。接触切向行为定义为摩擦系数0.15的摩擦面，法向行为定义为允许接触分离的“硬”接触。角柱、顶梁、底梁与节点的关系均为焊接，采用tie进行模拟。高强螺栓的预拉力采用降温法进行模拟[6]。

　　节点有限元模型中抗剪键和孔壁、螺栓和三角板间接触关系的设置至关重要，为验证接触关系能够正确有效地传递挤压作用力，直径40mm、长200mm的小圆柱体a和直径100mm、长500mm的大圆柱体A叠放在一起，大圆柱体A下端为固定约束，小圆柱体a上端中心作用有集中荷载

　　使用ABAQUS对该问题建立有限元模型，圆柱体的单元类型和圆柱体间的接触关系均与节点有限元模型相同，在弹性阶段进行显示分析。模型网格划分，在接触附近细化网格划分。

　　5.多模块连接节点与双模块连接节点受力性能对比

　　模块建筑的模块间节点根据所连接模块数量又可以细分为双模块连接节点、四模块连接节点、六模块连接节点和八模块连接节点[8]。前文的讨论和研究仅针对双模块连接节点，下面研究其他多模块连接节点中节点承载力的计算方法。分析本文提出的螺栓-抗剪键节点的构造形式，其他多模块连接节点是双模块连接节点通过共用连接板组成。

　　其他多模块连接节点和双模块连接节点受力性能的差异性问题，可以转化成共用连接板对节点受力性能影响的问题。因此可以通过对比四模块连接节点和双模块连接节点受力性能的差异性来验证双模块连接节点的计算方法是否适用于其他多模块连接节点。

　　如果差异不大，其他多模块连接节点可以按照双模块连接节点的计算方法分析;如果差异较大，就需要考虑共用连接板引起的组合效应。使用ABAQUS对四模块连接节点进行数值模拟，有限元模型。四模块连接节点有限元模型的材料、构件尺寸、边界条件和加载制度均与双模块连接节点相同。双模块连接节点和四模块连接节点在不同工况下荷载位移曲线的对比图。

　　受剪和受弯工况的荷载位移曲线基本一致，说明四模块连接节点和双模块连接节点在这两种工况下的传力机制相同。对于受剪工况，两个抗剪键的变形协调一致，共同承受水平作用力。对于受弯工况，在相同弯矩作用下，共用连接板的相邻节点向同一方向发生相对转动，它们的转动轴互相平行。虽然四模块连接节点中每个节点由于螺栓力臂不同导致抗弯刚度不同，但传力机制与双模块连接节点相同，都是螺栓受拉抵抗外弯矩。受拉工况中双模块连接节点和四模块连接节点受力性能的差异性，主要表现在破坏前四模块连接节点的抗拉刚度和承载力优于双模块连接节点。

　　可以发现共用连接板减弱了角柱拉力在节点中产生的弯矩、减小了节点转动的趋势，使节点更加接近单纯受拉的工况。偏于保守的，可以认为四模块连接节点的抗拉受力性能与双模块连接节点一致。通过对比荷载位移曲线，验证了不同工况下四模块连接节点和双模块连接节点的受力性能相同。这说明共用连接板对节点受力性能的影响不大，又有四模块连接节点等其他多模块连接节点是由若干双模块连接节点通过共用连接板构成的，所以双模块连接节点的承载力计算方法适用于其他多模块连接节点。

　　6.结论

　　本文提出了一种适用于模块化钢结构建筑的螺栓-抗剪键模块间节点，对其受力性能进行了理论分析和数值模拟，得到结论如下：

　　(1)本文提出的螺栓-抗剪键节点将螺栓设置在铸钢件延伸的三角板上，除使得钢结构模块间连接安装简便外，还将节点的竖向承载和水平承载分解，传力路径清晰明确，便于节点的分析和设计。

　　(2)对比不同工况下隔离体模型和整体框架模型中双模块连接节点的受力性能，验证了隔离体模型加载和边界条件的正确性。同时，通过对比受拉工况中节点外荷载与螺栓拉力，证明了该节点所受的绝大部分拉力由螺栓承担。

　　(3)对比不同工况下双模块连接节点承载力的理论计算结果和数值模拟结果，说明了节点承载理论模型的正确性。同时，通过提取受剪工况有限元模型中抗剪键所受剪力和螺栓所受剪力，证明了该节点的所受的绝大部分剪力由抗剪键承担。

　　(4)通过对比不同工况下双模块连接节点和四模块连接节点的受力性能，说明了共用连接板对节点的受力性能影响不大，证明了双模块连接节点的计算方法适用于其他多模块连接节点。

　　参考文献：

　　[1]李国强,李春和,侯兆新,等.国外全预制装配结构体系建筑[M].北京:中国建筑工业出版社,2018:3-11.LiGuoqiang,LiChunhe,HouZhaoxin,etal.Foreignfullyprefabricatedstructuresystemarchitecture[M].Beijing:ChinaConstructionIndustryPress,2018:3-11.

　　[2]叶景荣,于宏.钢结构模块建筑连接节点研究进展[J].广东土木与建筑,2019,26(3):9-12+36,10.19731/j.gdtmyjz.2019.03.003.

　　作者：陈红磊1，陈琛1，李国强1，2

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