模塊化鋼框架單元新型盒式連接節(jié)點(diǎn)及其設(shè)計(jì)方法

秦佳俊，譚平，尚繼英，李一明，戴淑丹

(1.廣州大學(xué) 工程抗震研究中心；廣東省地震工程與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；工程抗震減震與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510405；2.廣州建筑產(chǎn)業(yè)研究院有限公司，廣州 510405)

模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁、柱等構(gòu)件均由工廠加工生產(chǎn)，施工現(xiàn)場(chǎng)只需進(jìn)行螺栓拼接或者人工焊接即可，具有工業(yè)化程度高、輕質(zhì)高強(qiáng)、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具工業(yè)化特性的建筑結(jié)構(gòu)體系[1]。形成可靠模塊化結(jié)構(gòu)體系的難點(diǎn)在于一個(gè)節(jié)點(diǎn)上需要連接兩柱四梁、四柱八梁、甚至是八柱十六梁，而且高裝配率模塊單元需要在工廠完成，現(xiàn)場(chǎng)連接不占用室內(nèi)空間。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種模塊單元連接形式，Annan等[2]提出全焊接式模塊化鋼支撐體系的連接節(jié)點(diǎn)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)以及鋼框架支撐體系進(jìn)行了深入的研究。Park等[3]提出的采用拼接板、高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行模塊之間的水平和豎向連接，理論和試驗(yàn)研究的重點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)處4根柱作為嵌入式地基的整體。Lee等[4]以不削弱柱截面為前提，提出采用L型、T型、十字型連接件將模塊單元連接在一起，并且對(duì)上、下兩個(gè)模塊連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗震性能的試驗(yàn)研究。中國(guó)學(xué)者也開(kāi)展了對(duì)模塊化結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式及其性能的探索，Deng等[5]提出用柱端開(kāi)孔，采用十字型拼接板螺栓連接，蓋板焊接封口的模塊單元連接方式，并且對(duì)角節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載作用下的破壞均發(fā)生在梁端。Chen等[6-7]采用插入式連接件和對(duì)穿螺栓實(shí)現(xiàn)了模塊單元之間的連接，分別對(duì)模塊單元角節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了足尺試驗(yàn)。王燕等[8]提出一種內(nèi)套筒加焊接的連接件用于多個(gè)模塊的連接，用有限元分析不同套筒厚度、連接板厚度下節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力路徑，提出了可供參考的套筒厚度。

筆者提出了一種新型盒式模塊單元連接形式，可以?xún)H使用螺栓即可完成模塊單元之間的連接。用于連接模塊單元的連接組件包括BCC-1、BCC-2以及一些連接板，根據(jù)實(shí)際需要確定不同連接位置的連接組件類(lèi)型和個(gè)數(shù)，所有的連接工作可以在模塊單元外部完成且無(wú)焊接流程。除此以外，設(shè)計(jì)時(shí)以節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪而穩(wěn)定耗能且塑性鉸形成于BCC-1、BCC-2腹板為目標(biāo)，讓節(jié)點(diǎn)能用于抗震設(shè)防烈度地區(qū)并實(shí)現(xiàn)BCC-1、BCC-2的可更換。闡述了節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和設(shè)計(jì)理念，基于“等強(qiáng)度理論”，結(jié)合《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]給出盒式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，將該方法用于7度設(shè)防區(qū)的某模塊化鋼結(jié)構(gòu)辦公樓的模塊單元連接設(shè)計(jì)中，并使用有限元軟件Abaqus 6.14對(duì)節(jié)點(diǎn)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 盒式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及原理

設(shè)計(jì)了用于模塊單元連接的盒式連接組件，可以實(shí)現(xiàn)2、4、8個(gè)模塊單元之間的連接，圖1(a)、(b)分別為連接2個(gè)和4個(gè)模塊單元的邊節(jié)點(diǎn)示意圖。每4個(gè)模塊單元按圖1(b)完成連接固定后，再通過(guò)連接板在模塊單元柱加勁肋上連接即可完成8個(gè)模塊單元的連接。根據(jù)設(shè)計(jì)需要的個(gè)數(shù)和位置開(kāi)螺栓孔，并且模塊單元柱端有一小段懸臂長(zhǎng)度用于上、下模塊單元柱之間的連接。BCC-1用于角節(jié)點(diǎn)上、下模塊單元的連接，BCC-2可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)模塊單元的水平和豎向連接。

基于對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的性能要求[11]，兼顧模塊單元連接的實(shí)際需要，闡述本模塊單元連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)理念和傳力機(jī)制。首先，用BCC-1和BCC-2的豎向連接板實(shí)現(xiàn)上、下模塊單元柱與柱的直接連接，保證豎向荷載傳遞的連續(xù)性，同時(shí)，避免因?yàn)槟K單元柱截面上拉應(yīng)力存在而在上、下模塊單元之間產(chǎn)生縫隙。其次，讓BCC-1和BCC-2腹板參與受剪，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能量耗散。對(duì)于角節(jié)點(diǎn)，在水平荷載作用下，BCC-1腹板上受到的剪力來(lái)自?xún)蓚€(gè)部分，柱腹板拼接板和水平加勁肋之間的腹板區(qū)域受剪引起B(yǎng)CC-1腹板的受剪，以及BCC-1水平連接板上螺栓孔受螺栓擠壓引起B(yǎng)CC-1腹板受剪，相對(duì)來(lái)說(shuō)，作用在BCC-1腹板截面上的剪力較小，通過(guò)設(shè)置合理的截面尺寸或者采用低屈服應(yīng)力、高變形能力的材料使BCC-1腹板參與受剪耗能，將塑性鉸集中在BCC-1腹板上。BCC-2因?yàn)殚L(zhǎng)度較小，截面上的剪應(yīng)力不可忽略，且BCC-2水平、豎直兩個(gè)方向受剪，容易實(shí)現(xiàn)BCC-2的腹板耗能。對(duì)于中間節(jié)點(diǎn)，水平方向的受力及耗能機(jī)理同邊節(jié)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足抗震設(shè)防地區(qū)的需要。最后，僅由BCC-1、BCC-2、腹板連接板等采用高強(qiáng)度螺栓即可完成模塊單元之間的連接，安裝方便且可拆卸，地震作用下塑性變形集中在BCC-1、BCC-2腹板上，震后可以快速更換BCC-1和BCC-2，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的使用功能。

圖1 模塊單元盒式連接節(jié)點(diǎn)Fig.1 Schematic diagram of box connection

2 盒式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程

模塊單元連接節(jié)點(diǎn)作為模塊化結(jié)構(gòu)體系中的重要部分，在設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮強(qiáng)度、剛度外，還要具有良好的延性以及耗能能力。具體來(lái)說(shuō)，盒式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)主要通過(guò)3個(gè)方面來(lái)提高盒式節(jié)點(diǎn)的抗震性能，使模塊化鋼框架體系能用于抗震設(shè)防烈度地區(qū)。第一，強(qiáng)度方面，豎向連接截面的強(qiáng)度要大于模塊單元柱的截面強(qiáng)度；第二，剛度方面，通過(guò)有限元計(jì)算驗(yàn)算小震作用下層間位移角是否滿(mǎn)足《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]的要求；最后，通過(guò)合理設(shè)計(jì)BCC-1、BCC-2腹板實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定耗能，使得模塊化鋼結(jié)構(gòu)體系能用于抗震設(shè)防區(qū)，具體的盒式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2。

圖2 模塊單元連接設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Connecting design flowchart of modules

3 盒式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 豎向連接設(shè)計(jì)

按照“等強(qiáng)度理論”要求實(shí)現(xiàn)模塊單元之間的豎向連接，盒式角節(jié)點(diǎn)、邊節(jié)點(diǎn)的豎向連接公式可以統(tǒng)一為式(1)。

(1)

(2)

(3)

3.2 水平連接設(shè)計(jì)

邊節(jié)點(diǎn)中BCC-2豎向截面要滿(mǎn)足彎矩、剪力在水平方向的傳遞，BCC-2的豎向截面、豎向連接所需高強(qiáng)度螺栓個(gè)數(shù)需要分別滿(mǎn)足式(4)、式(5)。

(4)

(5)

3.3 節(jié)點(diǎn)域驗(yàn)算

對(duì)于盒式角節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)①、②的設(shè)計(jì)同普通鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，盒式節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)理念為BCC-1腹板耗能，BCC-2腹板除了耗能外還需傳遞水平方向外力，其合理設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)體系用于抗震設(shè)防區(qū)以及實(shí)現(xiàn)BCC-1、BCC-2可更換的前提。圖3給出了盒式角節(jié)點(diǎn)、盒式邊節(jié)點(diǎn)的受力示意圖，盒式邊節(jié)點(diǎn)受力示意圖取一半結(jié)構(gòu)。

圖3 模塊單元受力示意圖Fig.3 Forced diagram of modular unit

對(duì)于盒式角節(jié)點(diǎn)，BCC-1腹板需要滿(mǎn)足截面1-1上剪應(yīng)力小于核心區(qū)①，且能保持腹板的局部穩(wěn)定性。

(6)

對(duì)于盒式邊節(jié)點(diǎn)，作為受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)的BCC-2，其截面上剪力較大，2-2截面上的剪表達(dá)式為

(7)

2-2截面上剪力面上的剪應(yīng)力需滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，即式(8)，以及局部穩(wěn)定性要求。

(8)

3.4 極限抗彎承載力

(9)

(10)

4 盒式節(jié)點(diǎn)工程應(yīng)用及驗(yàn)證

4.1 連接設(shè)計(jì)

以某11層模塊化建筑示范綜合辦公樓為例，完成了新型盒式節(jié)點(diǎn)的研發(fā)與設(shè)計(jì)研究。辦公樓的設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑類(lèi)別丙類(lèi)，地面粗糙度為B類(lèi)，II類(lèi)場(chǎng)地，50年設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組第2組，基本地震加速度0.1g。辦公樓平面尺寸為42 m×15.6 m，選擇一層模塊單元和二層模塊單元之間的盒式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接設(shè)計(jì)。一、二層模塊單元柱截面為HW250×250×9×14，模塊單元梁截面均為HN150×300×6.5×9。模塊化鋼結(jié)構(gòu)單元、BCC-1、BCC-2、腹板連接板、翼緣連接板用鋼均為Q235鋼，螺栓采用10.9級(jí)M20的高強(qiáng)度螺栓。

根據(jù)模塊單元的梁、柱尺寸，按前述設(shè)計(jì)流程，分別進(jìn)行角節(jié)點(diǎn)、邊節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。盒式角節(jié)點(diǎn)處使用的連接構(gòu)件為BCC-1(×1)、腹板拼接板(×1)、翼緣拼接板(×1)，其中，翼緣拼接板尺寸同BCC-1的豎向連接板。盒式邊節(jié)點(diǎn)處使用的連接組件為翼緣連接板(×2)，其中，翼緣拼接板尺寸同BCC-1的豎向拼接板，腹板連接板(×2)、BCC-2(×1)。

4.2 有限元模型

為驗(yàn)證盒式節(jié)點(diǎn)的抗震性能，采用有限元軟件Abaqus 6.14分別對(duì)角節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力推覆分析。模型中，模塊單元、連接組件用鋼的設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度為fy=235 N/mm2，極限強(qiáng)度f(wàn)u=370 N/mm2；采用10.9級(jí)M20高強(qiáng)度螺栓，屈服強(qiáng)度為fy=940 N/mm2，極限強(qiáng)度f(wàn)u=1 040 N/mm2。建模時(shí)，模塊單元、連接構(gòu)件以及高強(qiáng)度螺栓均采用實(shí)體元建模，在模型中分別考慮上模塊與下模塊之間、連接組件與模塊單元之間、連接組件與高強(qiáng)度螺栓之間、模塊單元與高強(qiáng)度螺栓之間的接觸。參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，各部件之間采取噴硬質(zhì)石英砂處理，摩擦系數(shù)取為0.45，在Abaqus 6.14里采用bolt force對(duì)螺栓桿施加的預(yù)緊力。角節(jié)點(diǎn)、邊節(jié)點(diǎn)的加載作用點(diǎn)均在柱端，用點(diǎn)rp耦合角節(jié)點(diǎn)整個(gè)柱頂截面，邊節(jié)點(diǎn)的加載點(diǎn)在相鄰柱柱端，分別用點(diǎn)rp1、rp2耦合左、右模塊柱柱頂截面，角節(jié)點(diǎn)、邊節(jié)點(diǎn)均施加X(jué)方向的位移，如圖4所示，模型中均考慮了0.1的軸壓比。

圖4 節(jié)點(diǎn)有限元模型和0.02 rad時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.4 Finite element model and stress diagram of connection at 0.02 rad

4.3 數(shù)值分析

通過(guò)螺栓上預(yù)緊力(bolt force)加載步來(lái)驗(yàn)證有限元模型的正確性，角節(jié)點(diǎn)模型中，螺栓單元上的平均應(yīng)力為317.8 N/mm2，邊節(jié)點(diǎn)模型中，螺栓單元上的平均應(yīng)力為316.5 N/mm2，螺栓截面上拉力等于所施加的預(yù)緊力100 kN，說(shuō)明模型的模擬結(jié)果可靠。經(jīng)驗(yàn)證的盒式角節(jié)點(diǎn)、盒式邊節(jié)點(diǎn)的滯回曲線(xiàn)如圖5所示，曲線(xiàn)呈明顯梭形且飽滿(mǎn)，表明節(jié)點(diǎn)在加載過(guò)程中均消耗大量的能量，具有良好的抗震性能。圖6為角節(jié)點(diǎn)、邊節(jié)點(diǎn)的骨架曲線(xiàn)，可以看出，角節(jié)點(diǎn)、邊節(jié)點(diǎn)均符合ANSI/AISC 360-10[12]第1～8部分節(jié)點(diǎn)分類(lèi)中對(duì)半剛性節(jié)點(diǎn)的要求。

圖5 節(jié)點(diǎn)滯回曲線(xiàn)Fig.5 Hysteresis of connections

圖6 節(jié)點(diǎn)骨架曲線(xiàn)Fig.6 Skeleton curve of connection

圖6結(jié)合表1分析表明：強(qiáng)度方面，節(jié)點(diǎn)在正、反方向加載時(shí)均沒(méi)有表現(xiàn)出明顯峰值，角節(jié)點(diǎn)能夠傳遞90%以上彎矩，BCC-2較大幅度地增加邊節(jié)點(diǎn)的極限抗彎承載力，傳遞彎矩為128.5%。延性方面，角節(jié)點(diǎn)、邊節(jié)點(diǎn)均表現(xiàn)出較好的延性，正、反方向加載時(shí)，角節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)μ均值為2.703 5，邊節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)μ均值為4.911、5.384 5。Mu,P為預(yù)測(cè)的節(jié)點(diǎn)極限抗彎承載力，其對(duì)角節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)的極限抗彎承載力預(yù)測(cè)值與有限元結(jié)果比值Mu,P/Mu的平均值分別為1.01、0.905，具有很高的精度，Mu取層間位移角0.02 rad對(duì)應(yīng)的彎矩承載力為極限抗彎承載力。

表1 節(jié)點(diǎn)有限元模型結(jié)果Table 1 Finite element model results of connection

中國(guó)規(guī)范[9]的“三水準(zhǔn)”設(shè)防目標(biāo)要求為“小震不壞、中震可修、大震不倒”，盒式角節(jié)點(diǎn)、在正、反方向加載的屈服層間位移角分別為：1/135、1/140，盒式邊節(jié)點(diǎn)在正、反方向加載的屈服層間位移角分別為：1/200、1/202，均大于1/250，在層間位移角為1/50時(shí)，角節(jié)點(diǎn)、邊節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力沒(méi)有下降趨勢(shì)，剛度方面滿(mǎn)足中國(guó)規(guī)范[9-10]要求。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于盒式連接組件BCC-1、BCC-2的全螺栓盒式節(jié)點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造以及設(shè)計(jì)理念進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并基于“等強(qiáng)度理論”給出了盒式節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)流程和豎向、水平方向的連接設(shè)計(jì)公式，分析了節(jié)點(diǎn)的極限抗彎承載力，并以塑性鉸形成于BCC-1、BCC-2腹板為目標(biāo)，進(jìn)行了BCC-1、BCC-2的腹板設(shè)計(jì)，采用有限元軟件ABAQUS 6.14對(duì)角節(jié)點(diǎn)、邊節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

1)采用提出的模塊單元盒式節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的角節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)在往復(fù)加載作用下的塑性變形集中在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，并且BCC-1、BCC-2腹板截面削弱處首先屈服形成塑性鉸，既滿(mǎn)足了節(jié)點(diǎn)域腹板受剪耗能的理念，又可以在震后快速更換BCC-1、BCC-2以恢復(fù)節(jié)點(diǎn)的使用功能，表明提出的盒式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法合理。

2)盒式角節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)均符合ANSI/AISC 360-10規(guī)范對(duì)于半剛性節(jié)點(diǎn)的要求，正、反方向下，角節(jié)點(diǎn)、邊節(jié)點(diǎn)能傳遞的極限抗彎承載均值分別為93.5%、128.5%；角節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)在層間位移角為1/250時(shí)，均處于彈性，層間位移角達(dá)到1/50時(shí)，沒(méi)有表現(xiàn)出抗彎承載力的降低，而且滯回曲線(xiàn)、骨架曲線(xiàn)和模型結(jié)果數(shù)據(jù)顯示節(jié)點(diǎn)具有良好的抗震性能，說(shuō)明盒式節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法合理。

3)正、反方向下，盒式角節(jié)點(diǎn)極限抗彎承載力的預(yù)測(cè)值與有限元結(jié)果的比值Mu,P/Mu均值為1.01，盒式邊節(jié)點(diǎn)極限抗彎承載力的預(yù)測(cè)值與有限元結(jié)果的比值Mu,P均值為0.905，說(shuō)明給出的節(jié)點(diǎn)極限抗彎承載力公式能很好地預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)的極限抗彎承載力。