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(jié)能、快速高效、經(jīng)濟適用等特點，在抗震救災、重大突發(fā)疫情救治、辦公產(chǎn)業(yè)園等領域可實現(xiàn)高效、快速整體安裝，發(fā)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(xiàn)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(jié)點剛度較弱，工程應用尚存在技術瓶頸問題。

國內(nèi)外學者針對模塊化鋼結(jié)構框架間的連接節(jié)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(jié)點受力性能以及抗震性能，分析了套筒厚度等參數(shù)對節(jié)點耗能性能的影響,LEE等[3]對模塊化建筑梁柱連接節(jié)點進行了試驗研究，提出了該節(jié)點的傳力機制。LACEY等[4]對模塊化互鎖連接節(jié)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(jié)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(shù)和螺栓預緊力。劉佳迪[5]對模塊化梁-梁連接節(jié)點進行了試驗研究，分析了不同軸壓比、梁截面及肋板對節(jié)點抗震性能的影響，研究表明，肋板對節(jié)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(jié)點進行了試驗研究，分析了節(jié)點抗震性能。李豫明[8]對模塊化單邊螺栓連接節(jié)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(jié)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(jié)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(jié)點進行了試驗研究，分析了梁柱間有無斜撐對節(jié)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(jié)點進行了角節(jié)點和邊節(jié)點的設計及有限元分析，研究表明，該類節(jié)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(jié)點的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，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(jié)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(xiàn)場安裝環(huán)節(jié)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(jié)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(xiàn)模塊間有效拼接，節(jié)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(jié)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(nèi)隔板等參數(shù)對裝配式模塊化鋼框架模塊間拼接節(jié)點力學性能的影響，并對節(jié)點抗震性能進行了分析，研究內(nèi)容可為裝配式模塊化鋼框架結(jié)構工程應用提供參考。

1 有限元模型及參數(shù)設計

1.1 建立有限元模型

采用裝配式模塊化結(jié)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(jié)點子結(jié)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(jié)點進行有限元建模，采用Solid186單元在節(jié)點區(qū)域進行網(wǎng)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(jié)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(shù)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(fā)生出平面失穩(wěn)，軸壓比取0.3，如圖2所示。

1.2 參數(shù)設計

共設計9個有限元模型試件，如表1所示。節(jié)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(jié)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(nèi)隔板，試件編號及參數(shù)等如表1所示。

圖2 模塊化鋼框架結(jié)構及節(jié)點有限元模型

表1 試件編號及參數(shù)

圖3 S-01模塊間拼接節(jié)點詳圖

2 節(jié)點靜力分析

2.1 加載制度

在模塊節(jié)點梁兩端同時施加反向位移，靜力加載直至出現(xiàn)下列情況時停止：①節(jié)點發(fā)生破壞；②節(jié)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(qū)域破壞，如圖4(a)所示，符合“強節(jié)點、弱構件”設計要求。試件S-09的柱壁未設置內(nèi)隔板，與試件S-01—S-08設置內(nèi)隔板的8個試件相比，柱壁區(qū)域出現(xiàn)較大應力并發(fā)生屈曲破壞，如圖4 (b)所示，建議在節(jié)點柱壁區(qū)域設置內(nèi)隔板，避免發(fā)生“強梁弱柱”破壞。

2.3 節(jié)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(jié)點水平連接板厚度、單向螺栓規(guī)格兩種不同的參數(shù)對節(jié)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(guī)律及極限承載力基本相同，說明水平連接板厚度對節(jié)點承載力影響不明顯。

圖6為極限承載力狀態(tài)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(cè)具有較明顯的應力集中區(qū)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(xiàn)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(tài)下水平連接板應力狀態(tài)

2.3.2 柱頂板及單向螺栓

圖7為極限承載力狀態(tài)下柱頂板應力狀態(tài)。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(xiàn)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(guī)格為M12—M18，應力分布較為均勻，沒有出現(xiàn)明顯的應力集中。

圖7 極限承載力狀態(tài)下柱頂板應力狀態(tài)

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(xiàn)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(diào)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(xiàn)減小趨勢，這是由于單向螺栓孔徑對節(jié)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(jié)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(jié)點抗震性能分析

3.1 加載制度

針對圖2所示節(jié)點開展了低周往復加載數(shù)值模擬分析，采用層間位移角控制梁端加載位移，在節(jié)點梁兩端同時施加反向位移。參考《美國鋼結(jié)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(huán)加載一次，往復加載直至出現(xiàn)下列情況時停止：①節(jié)點發(fā)生破壞；②節(jié)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(shù)下節(jié)點的滯回曲線。試件S-09的滯回曲線呈反S形，滯回環(huán)包圍面積較小，耗能能力較低，這是由于該試件未設內(nèi)隔板導致柱壁剛度不足，在加載過程中產(chǎn)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(shù)均滿足現(xiàn)行規(guī)范[15]的要求。參照文獻[15]，鋼結(jié)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(shù)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(zhuǎn)角及延性系數(shù)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(xiàn)下降段，其延性系數(shù)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(shù)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(shù)基本不變，與S-05的延性系數(shù)相差較大，試件S-05與試件S-01相比延性系數(shù)增加了22.4%。

圖8 試件節(jié)點的滯回曲線

圖9 節(jié)點試件的骨架曲線對比

表2 節(jié)點試件力學性能指標

3.4 節(jié)點剛度退化曲線

圖10為試件S-01—S-09在不同參數(shù)下節(jié)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(jīng)歷了2個階段：第1階段曲線呈平直狀態(tài)，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(xiàn)象；第2階段曲線呈下降狀態(tài)，處于剛度退化階段。由圖10(a)(b)可知，水平連接板厚度對節(jié)點剛度退化影響較小；單向螺栓直徑對節(jié)點剛度退化有一定的影響，但影響程度不大。

圖10 節(jié)點剛度退化曲線對比

3.5 節(jié)點耗能能力分析

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

4 結(jié)論

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

1) 在模塊間拼接節(jié)點柱壁內(nèi)通過設置內(nèi)隔板可有效改善節(jié)點耗能能力，顯著提高節(jié)點的承載能力，建議在節(jié)點柱壁內(nèi)設置內(nèi)隔板以提高模塊間拼接節(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(chǎn)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。