鄧恩峰，宗?亮, 2，丁?陽, 2

?

鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑新型節(jié)點力學(xué)性能研究

鄧恩峰1，宗?亮1, 2，丁?陽1, 2

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室(天津大學(xué))，天津 300072)

為推廣鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑在抗震設(shè)防地區(qū)的應(yīng)用，解決傳統(tǒng)節(jié)點不能與模塊內(nèi)部裝修配合的技術(shù)困難，提出一種應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑的螺栓-封板組合節(jié)點．建立了其簡化力學(xué)模型，推導(dǎo)了其初始轉(zhuǎn)動剛度和抗彎承載力計算公式，并通過11個足尺試件的單調(diào)加載和循環(huán)加載試驗對其進行驗證．結(jié)果表明，上部模塊地板梁和下部模塊天花板梁無組合效應(yīng)，獨立承擔(dān)彎矩；所提螺栓-封板組合節(jié)點為半剛接節(jié)點，可有效傳遞地震作用引起的軸力、彎矩和剪力；節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度和抗彎承載力的試驗結(jié)果與所提計算公式吻合較好，驗證了節(jié)點簡化力學(xué)模型和理論計算公式．

鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑；螺栓-封板節(jié)點；力學(xué)模型；試驗研究；傳力機理；設(shè)計方法

為緩解傳統(tǒng)現(xiàn)場建造建筑環(huán)境污染大、施工周期長、勞動力成本攀升的社會問題，建筑工業(yè)化近年來逐漸成為我國建筑業(yè)轉(zhuǎn)型的重要趨勢和研究熱點[1-4].鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑是建筑工業(yè)化發(fā)展的重要方向，是一種高度集成的裝配式建筑，其顯著特點是箱式模塊單元在工廠預(yù)制完成所有的內(nèi)部裝修，具備全部建筑使用功能．因此，施工現(xiàn)場完成模塊連接之后便可快速交付使用，尤其適用于酒店、宿舍、公寓等具有重復(fù)單元的建筑[5]．

節(jié)點是鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑設(shè)計的關(guān)鍵部分，模塊連接的可靠程度直接影響結(jié)構(gòu)的整體性能，同時應(yīng)構(gòu)造合理、便于施工，能與模塊內(nèi)部裝修和使用功能相適應(yīng)．韓國學(xué)者Park等[6]提出一種鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑的全螺栓節(jié)點，通過在模塊單元間插入十字形連接板，通過高強螺栓將模塊交匯處“八柱十六梁”連接起來；Chen等[7]提出了一種箱式模塊之間的“梁梁”連接節(jié)點，并通過試驗研究和數(shù)值模擬驗證了其傳力可靠性，其連接思路是將方形截面鋼管柱插入鑄頭連接件中，在現(xiàn)場通過對穿螺栓將上部模塊地板梁和下部模塊天花板梁連接；Deng等[8]提出一種箱式模塊間的鑄頭-十字板連接節(jié)點，柱子插入焊接在十字形節(jié)點板上的鑄頭中，并通過螺栓將相鄰模塊框架梁連接，該節(jié)點形式建議模塊梁采用C型鋼，避免使用長對穿螺栓．上述節(jié)點形式均可以可靠地連接相鄰模塊，但對于已經(jīng)完成隔墻、樓板等內(nèi)部裝飾的集成模塊而言，其安裝沒有施工空間．因此，這類節(jié)點不能滿足鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑在建筑功能層面模塊化作業(yè)的需求，在工程應(yīng)用中具有一定局限性．

為解決上述節(jié)點形式不能與模塊內(nèi)部裝修配合的技術(shù)困難，本文提出一種應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑的螺栓-封板組合節(jié)點，可在建筑外部完成模塊的連接工作．對其傳力路徑進行分析，建立了其簡化力學(xué)模型，推導(dǎo)了其初始轉(zhuǎn)動剛度和抗彎承載力計算公式，并通過11個足尺試件的單調(diào)加載和循環(huán)加載試驗進行驗證．在此基礎(chǔ)上，提出了該節(jié)點的設(shè)計方法.

1?節(jié)點構(gòu)造

圖1為螺栓-封板組合節(jié)點構(gòu)造示意，為獲得平整的建筑外立面，模塊柱、地板梁和天花板梁均采用方鋼管且梁柱截面寬度相等．其安裝過程可分為兩個階段：①工廠預(yù)制，切掉節(jié)點域附近模塊柱一個腹板為安裝螺栓提供施工空間．在柱底和柱頂分別焊接柱端封板，柱端封板和柱一側(cè)翼緣分別預(yù)留有螺栓孔．同時，預(yù)制十字形節(jié)點板并在對應(yīng)位置預(yù)留螺栓孔；②現(xiàn)場裝配，依次吊裝兩個相鄰下部模塊，模塊之間預(yù)留縫隙用于插入十字形節(jié)點板，之后吊裝上部兩個模塊，通過高強螺栓和十字形節(jié)點板連接上下共4個模塊．連接完成之后，焊接節(jié)點域封板以彌補對節(jié)點域柱截面的削弱．

上述節(jié)點現(xiàn)場裝配工作全部在建筑外部完成，可與模塊內(nèi)部裝修相適應(yīng)．另外，通過節(jié)點板和螺栓連接上下模塊柱，可直接傳遞水平力引起的上下模塊柱間的拉力，可滿足鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑在高層建筑和抗震設(shè)防區(qū)域的應(yīng)用．

圖1?螺栓-封板節(jié)點構(gòu)造示意

2?節(jié)點力學(xué)模型

2.1?節(jié)點設(shè)計內(nèi)力

在水平荷載(如地震力)作用下，多層鋼框架結(jié)構(gòu)典型節(jié)點域同時承受壓力、彎矩和剪力，梁反彎點在跨中，柱反彎點在1/2高度處．以角柱節(jié)點為例，其節(jié)點域受力和節(jié)點核心區(qū)內(nèi)力分別如圖2(a)和2(b)所示．假設(shè)梁端剪力為b，則節(jié)點核心區(qū)所受彎矩b為

（a）節(jié)點域受力示意?（b）節(jié)點核心區(qū)內(nèi)力示意

?(1)

式中b為加載點至柱壁的距離．

假設(shè)上部模塊地板梁和下部模塊天花板梁無組合效應(yīng)，獨立承擔(dān)彎矩，則節(jié)點核心區(qū)所受彎矩可表示為天花板梁所受彎矩cb和地板梁所受彎矩fb之和，即

?(2)

由節(jié)點域平衡條件，可推導(dǎo)出柱端的水平反力

(3)

式中：為加載點至柱中線的距離；為柱子總高度.

由節(jié)點核心區(qū)平衡條件，可推導(dǎo)出節(jié)點核心區(qū)的水平剪力

?(4)

式中b為地板梁上翼緣和天花板梁下翼緣中線之間的距離，其計算式為

?(5)

式中：fb、cb分別為地板梁和天花板梁的高度；fb、cb分別為地板梁和天花板梁的厚度；為節(jié)點板的厚度.

2.2?節(jié)點抗彎承載力

假設(shè)雙梁各自繞其中性軸發(fā)生彎曲，其截面正應(yīng)力分布如圖2(a)所示．節(jié)點抗彎承載力u為雙梁各自塑形抗彎承載力之和，即

?(6)

式中p,fb、p,cb分別為地板梁和天花板梁的塑形抗彎承載力，對于方鋼管截面梁，其塑形抗彎承載力按美國規(guī)范ANSI/AISC 360—16[9]規(guī)定計算．

2.3?節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度

節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度可表示為節(jié)點彎矩與梁端轉(zhuǎn)角的比值[10]，即

?(7)

式中：為節(jié)點彎矩；為梁端轉(zhuǎn)角，其計算式為

?(8)

式中為梁端豎向變形，可分解為彎曲變形和剪切變形，即

?(9)

通過結(jié)構(gòu)力學(xué)求解并考慮節(jié)點半剛性的影響可推導(dǎo)出梁端豎向變形的表達式為

(10)

式中：s為考慮節(jié)點半剛性影響的位移修正系數(shù)，按第3節(jié)所述試驗確定取1.5；為截面剪應(yīng)力不均勻系數(shù)，取1.2；fb、cb分別為地板梁和天花板梁的材料彈性模量；fb、cb分別為地板梁和天花板梁的材料剪切模量，按式(11)計算；fb、cb分別為地板梁和天花板梁的截面抗彎慣性矩；fb、cb分別為地板梁和天花板梁的腹板面積．

?(11)

式中為鋼材泊松比，取0.3．

進而，將式(8)～(11)代入式(7)中，可推導(dǎo)出節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度表達式分別為

?(12)

?(13)

3?力學(xué)模型試驗驗證

3.1?試件設(shè)計

為驗證上述計算理論，通過對一座20層模塊化酒店建筑的設(shè)計復(fù)核，設(shè)計3組共11個足尺試件的試驗進行驗證[11]．試件參數(shù)如表1所示．A組為角柱節(jié)點的單調(diào)加載試驗，B組為角柱節(jié)點的循環(huán)加載試驗，C組為邊柱節(jié)點的循環(huán)加載試驗．試件設(shè)計尺寸與材料性能如圖3和表2所示．

表1?試件參數(shù)

Tab.1?Parameters of the test specimens

注：“×”表示“無”，“√”表示“有”．

圖3?試件構(gòu)造與尺寸

表2?材料性能

Tab.2?Material properties

3.2?加載與量測方案

圖4(a)和4(b)分別給出角柱節(jié)點的三維加載裝置和邊柱節(jié)點的試驗現(xiàn)場照片，均采用梁端加載方案．對A組試件，在梁端通過千斤頂向下施加拉力直至試件破壞，對B組和C組試件，在梁端施加低周往復(fù)的位移荷載直至試件破壞．通過量測加載端荷載和位移獲得節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線．當(dāng)荷載降低至極限荷載85%,時，認(rèn)為試件破壞，停止加載[12]．

圖4?試驗裝置

3.3?試驗結(jié)果及分析

所有的試件均表現(xiàn)為彎曲破壞，試件的破壞基本經(jīng)歷彈性-天花板梁局部屈曲-破壞3個階段．主要試驗結(jié)果如圖5～圖7及表3所示．由于天花板梁不承重，其截面厚度小于地板梁，在彎矩作用下發(fā)生局部屈曲(如圖5(a)所示)．對于沒有加勁板或者外蓋板加強的試件(例如QS2)，隨著層間位移角的增大，梁柱相交處焊縫根部發(fā)生斷裂，在低周往復(fù)荷載作用下柱壁被撕裂(如圖5(b)所示)，導(dǎo)致試件承載力快速下降．對于有加勁板或者外蓋板加強的試件(例如QS3、QS6)，天花板梁在低周往復(fù)荷載下屈曲并逐漸形成塑性鉸(如圖5(c)和圖5(d)所示)，具有較好的延性．

為研究節(jié)點傳力機理，沿地板梁和天花板梁截面高度分別布置3個應(yīng)變片，如圖6(a)所示．各試件雙梁應(yīng)變測試結(jié)果如圖6(b)～6(l)所示．結(jié)果表明，應(yīng)變片S1與S3示數(shù)基本呈對稱變化，S2示數(shù)基本為0，而S4與S6示數(shù)基本呈對稱變化，S5示數(shù)基本為0．以試件MS1為例，S1變化范圍為0～+933,με，S3變化范圍為-968～0,με；S4變化范圍為0～+1,133,με，S6變化范圍為-1,156～0,με．以上結(jié)果表明雙梁各自繞其中性軸發(fā)生彎曲，獨立承擔(dān)彎矩．

采用歐洲規(guī)范EC3[13]評價試件的強度與剛度特性，如圖7所示．結(jié)果表明，所提螺栓-封板節(jié)點可認(rèn)為是半剛性節(jié)點；單調(diào)荷載作用下所有試件均可以發(fā)展雙梁全截面塑形，而循環(huán)荷載下，由于梁柱焊縫提前斷裂，QS2和QS5未能發(fā)展雙梁全截面塑形．因此，當(dāng)該節(jié)點應(yīng)用于抗震設(shè)防區(qū)域時，建議采用加勁板、內(nèi)隔板或外蓋板其中一種，保證充分利用梁的截面強度．

各試件極限層間位移角(對應(yīng)荷載降至極限荷載85%,時的層間位移角)如表3所示，結(jié)果表明，A組、B組和C組平均極限層間位移角分別為0.074,7,rad、0.047,2,rad和0.046,2,rad，由于低周往復(fù)荷載作用下的累計損傷，B組和C組試件的極限層間位移角明顯低于A組．《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB,50011—2010)[14]規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值u＝0.02,rad，而地震作用下試件的極限層間位移角介于0.035,1～0.057,9,rad＝1.76,u～2.99,u，表明所提螺栓-封板節(jié)點可較好滿足我國現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范中對鋼結(jié)構(gòu)的延性需求．

圖5?典型破壞模式

圖6?雙梁應(yīng)變分布

圖7?強度與剛度特性

表3?試驗結(jié)果與節(jié)點力學(xué)模型的驗證

Tab.3?Test results and validation of the mechanical model of connection

3.4?力學(xué)模型的驗證

利用試驗結(jié)果對第2節(jié)所述節(jié)點力學(xué)模型進行驗證，對比結(jié)果如表3和圖8所示．結(jié)果表明，初始轉(zhuǎn)動剛度理論值與試驗值的比值介于0.87～1.17，平均值0.97，變異系數(shù)0.05，式(6)可以合理預(yù)測螺栓-封板節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度；抗彎承載力理論值與試驗值的比值介于0.71～1.15，平均值0.89，變異系數(shù)0.06，除沒有加勁板、內(nèi)隔板或外蓋板的試件(QS2和QS5)外，式(12)可以較為保守地預(yù)測螺栓-封板節(jié)點的抗彎承載力．由此驗證所建立的節(jié)點力學(xué)模型．

圖8?節(jié)點力學(xué)模型的驗證

4?新型節(jié)點設(shè)計方法

基于第2節(jié)所述節(jié)點力學(xué)模型，提出螺栓-封板組合節(jié)點的設(shè)計流程．節(jié)點驗算過程包含3部分.

(1)抗拉驗算．要求節(jié)點滿足基本的“強連接，弱構(gòu)件”設(shè)計要求，按式(14)驗算．

?(14)

式中：和c分別表示柱截面設(shè)計強度和截面面積；F、J和B分別表示封板、節(jié)點板和螺栓對節(jié)點域抗拉強度的貢獻[16]．

(2) 抗彎驗算．按式(15)驗算，d為節(jié)點設(shè)計彎矩．根據(jù)歐洲規(guī)范EC3[14]，將2/3,u作為節(jié)點抗彎承載力設(shè)計值，u按式(6)計算．

?(15)

(3) 抗剪驗算．驗算節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力，按式(16)驗算．

?(16)

式中：j為節(jié)點核心區(qū)剪力設(shè)計值，按式(4)計算；F、J和B分別表示封板、節(jié)點板和螺栓對節(jié)點域抗剪強度的貢獻[16]．

對第3節(jié)涉及的試件，通過計算，其節(jié)點核心區(qū)剪力設(shè)計值為511,kN，每塊封板可提供抗剪承載力為903,kN，約為剪力設(shè)計值的兩倍，說明剪力不構(gòu)成螺栓-封板節(jié)點的設(shè)計控制因素，螺栓-封板節(jié)點一般為彎矩控制，試驗中試件破壞模式均符合預(yù)期．封板可有效抵抗節(jié)點核心區(qū)水平剪力，考慮鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑施工誤差，試件QS8采用較大的橢圓形螺栓孔，但試驗中螺栓未出現(xiàn)任何滑移．因此，實際工程中可適當(dāng)增大螺栓孔尺寸，以方便完成模塊的連接．

另外，試驗結(jié)果表明，加勁板、內(nèi)隔板、外蓋板均對保證試件的強度和延性有明顯效果．加勁板和內(nèi)隔板可通過對接焊縫與構(gòu)件焊接，而外蓋板則通過角焊縫與節(jié)點核心區(qū)梁、柱焊接，需對其連接焊縫進行驗算．外蓋板計算簡圖如圖9所示．當(dāng)設(shè)計中選擇外蓋板加強節(jié)點域時，應(yīng)首先按式(17)和(18)計算外蓋板計算截面邊緣處的彎矩和剪力設(shè)計值．

?(17)

?(18)

式中p為外蓋板從柱外邊緣伸出的長度．

通過式(19)將彎矩?fù)Q算為等效力偶，從而可以計算焊縫驗算點(圖9中點)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，根據(jù)現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB,50017—2003)[15]驗算焊縫應(yīng)力，如式(20)～(22)所示．

?(19)

式中p為外蓋板高度．

?(20)

?(21)

5?結(jié)?論

本文提出一種應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑的螺栓-封板連接節(jié)點，并通過理論分析和試驗研究了其力學(xué)性能，主要得出以下結(jié)論．

(1) 所提螺栓-封板節(jié)點可與模塊內(nèi)部裝配配合，通過試驗揭示了其抗震性能，驗證了其在抗震設(shè)防區(qū)域應(yīng)用的可行性，可滿足鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑在高層建筑和抗震設(shè)防區(qū)域應(yīng)用的需求．

(2) 雙梁無組合效應(yīng)，獨立承擔(dān)彎矩．推導(dǎo)了節(jié)點抗彎承載力和初始轉(zhuǎn)動剛度計算公式，理論計算值和試驗結(jié)果吻合良好，驗證了所建立的節(jié)點力學(xué)模型和理論計算公式．

(3) 提出了螺栓-封板節(jié)點設(shè)計流程，理論分析和試驗結(jié)果表明，封板可有效抵抗節(jié)點核心區(qū)剪力，彎矩為節(jié)點設(shè)計控制因素．考慮安裝方便性，可適當(dāng)采用擴大的螺栓孔．

(4) 加勁板、內(nèi)隔板和外蓋板對保證節(jié)點承載力和延性有明顯效果，建立了外蓋板計算模型，提出其焊縫設(shè)計流程．

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(責(zé)任編輯：樊素英)

Mechanical Properties of Innovative Connection for Integrated Modular Steel Construction

Deng Enfeng1，Zong Liang1, 2，Ding Yang1, 2

(1．School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2．Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of the Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300072，China)

In order to promote the application of integrated modular steel construction in seismic areas and to settle the incompatibility of traditional connection with the internal finish，an innovative bolted connection with welded cover plate was proposed．The design formulas of initial rotational stiffness and bending bearing capacity were derived based on the simplified mechanical model．Eleven full-scaled specimens were tested under monotonic and cyclic load to verify the design formulas．It was found that the floor beam of the upper module and the ceiling beam of the lower module showed no composite action and had individual bending behavior．The proposed connection was typical semi-rigid connection and capable of transferring the axial load，bending moment and shear force caused by earthquake．The test results of initial rotational stiffness and bending bearing capacity were in good agreement with the proposed design formulas，indicating the reasonability of the simplified mechanical model and the theory calculation formulas.

integrated modular steel construction；bolted connection with welded cover plate；mechanical model；experimental study；load-transferring mechanism；design method

10.11784/tdxbz201801017

TU391

A

0493-2137(2018)07-0702-09

2018-01-03；

2018-03-15.

鄧恩峰（1990—），男，博士研究生，dengenfeng01@sina.com.

宗?亮，zongliang@tju.edu.cn.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFC0701100)；天津市自然科學(xué)基金資助項目(16PTSYJC00070).

the National Key Research and Development Program of China(No.,2016YFC0701100)and the Natural Science Foundation of Tianjin，China(No.,16PTSYJC00070).