装配式模块化钢框架模块间拼接节点受力性能研究

张呈乾，王 燕，马 辉，周广兴

(青岛理工大学 土木工程学院，青岛266525)

模块化建筑是绿色建筑的典型代表，具有低碳节能、快速高效、经济适用等特点，在抗震救灾、重大突发疫情救治、办公产业园等领域可实现高效、快速整体安装，发挥其他建筑形式不可替代的重要作用。目前我国模块化房屋集成技术研究尚处于起步阶段，现有模块化房屋大多是由集装箱改建的低层建筑，房屋使用效率低，模块间连接节点刚度较弱，工程应用尚存在技术瓶颈问题。

国内外学者针对模块化钢结构框架间的连接节点构造形式和受力性能开展了大量研究工作。刘明扬、曾武凤[1-2]分别建立有限元模型，研究了套筒连接节点受力性能以及抗震性能，分析了套筒厚度等参数对节点耗能性能的影响,LEE等[3]对模块化建筑梁柱连接节点进行了试验研究，提出了该节点的传力机制。LACEY等[4]对模块化互锁连接节点进行剪力-滑移试验，分析了螺栓预紧力、螺栓孔径及是否设置定位销对节点抗剪、抗滑移性能的影响，研究表明，抗剪强度主要取决于滑移系数和螺栓预紧力。刘佳迪[5]对模块化梁-梁连接节点进行了试验研究，分析了不同轴压比、梁截面及肋板对节点抗震性能的影响，研究表明，肋板对节点抗震性能影响较大。DENG、刘立波等[6-7]分别针对模块化螺栓-盖板连接节点进行了试验研究，分析了节点抗震性能。李豫明[8]对模块化单边螺栓连接节点进行了试验研究，分析了方钢管类型、钢插件厚度、高强螺栓对节点抗震性能的影响，研究表明，钢插件厚度、不同方向高强螺栓对节点耗能能力影响较大。苏明周等[9]对十字板-端板式模块化连接节点进行了试验研究，分析了梁柱间有无斜撑对节点抗震性能的影响。秦佳俊等[10]对模块单元新型盒式连接节点进行了角节点和边节点的设计及有限元分析，研究表明，该类节点抗震性能良好。王修军等[11]对装配式矩形钢管柱与H型钢梁连接节点的研究现状进行了总结，提出了待解决和研究的问题。文献[2-11]主要研究了模块化节点在高强螺栓、对拉螺栓连接下的力学性能及抗震性能，解决了钢框架模块间的连接问题，但现场安装环节较为复杂。

本文提出一种新型装配式模块化钢框架模块间拼接节点，如图1所示，各模块通过水平连接板与柱顶板采用单向高强螺栓连接，实现模块间有效拼接，节点刚度大，安装效率高。采用有限元分析软件ANSYS对图1所示模块拼接节点的受力机理开展分析，研究了水平连接板厚度、单向螺栓直径、设置内隔板等参数对装配式模块化钢框架模块间拼接节点力学性能的影响，并对节点抗震性能进行了分析，研究内容可为装配式模块化钢框架结构工程应用提供参考。

1 有限元模型及参数设计

1.1 建立有限元模型

采用装配式模块化结构体系，确定模块梁、柱截面尺寸，单个模块的几何尺寸如图1 (a)所示。参照文献[12]选择模块化钢框架柱中点、模块梁中点为反弯点，选取模块化钢框架节点子结构建立有限元模型，如图2(b)所示。其中，钢框架满足设计要求。利用有限元软件ANSYS对节点进行有限元建模，采用Solid186单元在节点区域进行网格细化。钢材采用Q355B，弹性模量为2.06×105N/mm2，泊松比取0.3，采用10.9级分体式单向高强螺栓，本构关系选用等向强化三折线模型并采用Von Mises屈服准则。为提高计算效率采用半结构对称建模。

钢板之间的焊缝均采用绑定模拟，水平连接板与柱顶板之间采用标准接触，摩擦系数0.4[13]。柱底铰接，柱顶约束水平方向Ux、平面外方向Uz自由度，约束梁翼缘平面外自由度，防止其发生出平面失稳，轴压比取0.3，如图2所示。

1.2 参数设计

共设计9个有限元模型试件，如表1所示。节点水平连接板厚度应具有较大刚度，有效传递水平荷载，水平连接板厚度应大于柱壁厚度，试件S-01的水平连接板厚度大于柱壁厚度3 mm，其节点尺寸如图3所示，其他模型在S-01基础上分别增加或减小水平连接板厚度、单向螺栓直径以及是否设置内隔板，试件编号及参数等如表1所示。

图2 模块化钢框架结构及节点有限元模型

表1 试件编号及参数

图3 S-01模块间拼接节点详图

2 节点静力分析

2.1 加载制度

在模块节点梁两端同时施加反向位移，静力加载直至出现下列情况时停止：①节点发生破坏；②节点承载力下降至峰值荷载的85%。

2.2 破坏模式

从图4所示应力云图可见，试件S-01—S-09主要有梁端破坏和柱壁破坏两类形式。试件S-01—S-08梁翼缘与柱连接焊缝处应力增长较快，最终破坏形式均为梁端焊缝区域破坏，如图4(a)所示，符合“强节点、弱构件”设计要求。试件S-09的柱壁未设置内隔板，与试件S-01—S-08设置内隔板的8个试件相比，柱壁区域出现较大应力并发生屈曲破坏，如图4 (b)所示，建议在节点柱壁区域设置内隔板，避免发生“强梁弱柱”破坏。

2.3 节点应力分析

图5所示为试件荷载-位移(F-Δ)曲线，可以看出，节点水平连接板厚度、单向螺栓规格两种不同的参数对节点承载力的影响程度并不相同。

图5 试件荷载-位移曲线

2.3.1 水平连接板

图5(a)所示为试件S-01—S-04对应的荷载-位移曲线，4个试件水平连接板厚度依次为8，10，12，6 mm，荷载-位移曲线变化规律及极限承载力基本相同，说明水平连接板厚度对节点承载力影响不明显。

图6为极限承载力状态下水平连接板的应力云图。试件S-01—S-04水平连接板应力主要集中在螺栓孔壁位置。其中，试件S-04的水平连接板厚度为6 mm，在水平连接板外侧具有较明显的应力集中区域。试件S-01—S-03水平连接板厚度为8～12 mm，应力分布较为均匀，没有出现明显的应力集中。建议水平连接板厚度应大于柱壁厚度2～4 mm。

图6 极限承载力状态下水平连接板应力状态

2.3.2 柱顶板及单向螺栓

图7为极限承载力状态下柱顶板应力状态。试件S-01—S-08柱顶板的厚度均为6 mm，其应力主要集中在螺栓孔壁位置。其中，试件S-08螺栓孔处应力最大且出现变形，这是由于螺杆刚度较大，对柱顶板上的螺栓孔壁挤压作用较强导致的。试件S-01—S-07的单向螺栓规格为M12—M18，应力分布较为均匀，没有出现明显的应力集中。

图7 极限承载力状态下柱顶板应力状态

试件S-01—S-08中单向螺栓均未到达屈服应力，其应力集中主要位于螺栓杆端部与螺母处。其中，试件S-05的单向螺栓为M12，在螺栓杆端部出现应力集中；其余试件中螺栓的应力集中位置均存在于螺母处。

图5 (b)所示为试件S-01，S-05—S-08单调静力加载的荷载-位移曲线，5个试件单向螺栓的直径分别为M16，M12，M14，M18，M20，水平连接板厚度均为8 mm，各试件的极限承载力随单向螺栓直径增加呈现减小趋势，这是由于单向螺栓孔径对节点承载力有一定影响，随高强螺栓孔径增大，水平连接板净截面减小，连接板承载力降低，在水平连接板等厚度情况下，较大的螺栓孔径对节点极限承载力有不利影响，建议单向螺栓直径不宜大于水平连接板厚度的2倍。

3 节点抗震性能分析

3.1 加载制度

针对图2所示节点开展了低周往复加载数值模拟分析，采用层间位移角控制梁端加载位移，在节点梁两端同时施加反向位移。参考《美国钢结构抗震标准》(AISC/ANSI 341-10)[14]层间位移角依次取0.00375，0.005，0.0075，0.01，0.015，0.02，0.03，0.04，0.05，0.06，0.07 rad，每级循环加载一次，往复加载直至出现下列情况时停止：①节点发生破坏；②节点承载力下降到峰值荷载的85%。

3.2 滞回曲线

图8(a)—(i)为试件S-01—S-09在不同参数下节点的滞回曲线。试件S-09的滞回曲线呈反S形，滞回环包围面积较小，耗能能力较低，这是由于该试件未设内隔板导致柱壁刚度不足，在加载过程中产生较大变形导致的。试件S-01—S-08的滞回曲线呈纺锤形，具有良好的抗震性能。

3.3 骨架曲线

由图9及表2可知，试件S-01—S-09的层间位移角及延性系数均满足现行规范[15]的要求。参照文献[15]，钢结构弹性、弹塑性阶段的层间位移角限值分别为0.4%，2%，延性系数最小值为1。由此可得，当梁端位移分别达到12，60 mm时，试件S-01—S-09可满足不同阶段的层间位移转角及延性系数的要求。试件S-09的骨架曲线较为平缓，其承载力远小于其他试件，未出现下降段，其延性系数为1.26，远低于其他试件。试件S-01—S-08的骨架曲线有明显的弹性阶段和屈服阶段，其延性系数介于1.43～1.75之间，平均值为1.48，约为试件S-09的1.2倍。其中，试件S-01—S-04延性系数基本不变，与S-05的延性系数相差较大，试件S-05与试件S-01相比延性系数增加了22.4%。

图8 试件节点的滞回曲线

图9 节点试件的骨架曲线对比

表2 节点试件力学性能指标

3.4 节点刚度退化曲线

图10为试件S-01—S-09在不同参数下节点的刚度退化曲线。由图10(c)可知，试件S-09的初始刚度远低于其他试件，约为其他试件初始刚度的1/4，且较早地进入刚度退化阶段。试件S-01—S-08的初始刚度及刚度退化趋势大致相同，刚度退化曲线先后经历了2个阶段：第1阶段曲线呈平直状态，处于刚度退化弹性阶段，该阶段试件刚度没有明显的退化现象；第2阶段曲线呈下降状态，处于刚度退化阶段。由图10(a)(b)可知，水平连接板厚度对节点刚度退化影响较小；单向螺栓直径对节点刚度退化有一定的影响，但影响程度不大。

图10 节点刚度退化曲线对比

3.5 节点耗能能力分析

节点耗能能力通常采用等效黏滞阻尼系数和能量耗散系数作为衡量标准[15]。图11为各试件的节点耗能能力直方图，可见，试件S-01—S-08的等效黏滞系数平均值为0.346，较试件S-09高出0.35倍；能量耗散系数平均值为2.176，较试件S-09高出0.87倍，说明带内隔板试件的耗能能力更好。此外，试件S-01—S-04的等效黏滞阻尼系数、能量耗散系数差别较小，因此，水平连接板厚度对节点耗能能力影响不大。

4 结论

提出一种新型装配式模块化钢框架模块间拼接节点。对模块间拼接节点的力学性能进行了有限元数值模拟分析，主要结论如下：

1) 在模块间拼接节点柱壁内通过设置内隔板可有效改善节点耗能能力，显著提高节点的承载能力，建议在节点柱壁内设置内隔板以提高模块间拼接节点的抗震性能及承载能力；

2) 增加水平连接板厚度对模块间拼接节点的承载能力、抗震性能影响不明显，但可改善模块间拼接节点水平连接板处的应力分布，建议水平连接板厚度应在柱壁厚度的基础上增加2～4 mm；

3) 单向高强螺栓的孔径对节点承载力有较大影响，当单向高强螺栓的孔径取值过大时，将对水平连接板承载力产生较大影响，建议单向螺栓直径不宜大于水平连接板厚度的2倍。