模塊化鋼框架單元新型盒式連接節點及其設計方法

秦佳俊 譚平 尚繼英 李一明 戴淑丹

摘 要：提出一種模塊化鋼框架單元（以下簡稱“模塊單元”）的連接方法，采用盒式連接組件（BCC-1和BCC-2）、連接板即可實現2、4、8個模塊單元的全螺栓連接。分析節點的受力機理，并基于中國規范給出模塊單元新型盒式連接節點（以下簡稱：“盒式節點”）的設計流程和設計方法。以某11層模塊化鋼框架辦公樓為例，分別對一角節點和邊節點進行設計，并采用有限元軟件Abaqus對節點進行循環往復加載，以驗證節點的抗震性能。結果表明：角節點、邊節點的塑性鉸均先在BCC-1、BCC-2腹板上形成，可以在震后快速更換BCC-1、BCC-2，以恢復節點使用功能;角節點和邊節點均符合ANSI/AISC 360-10規范對半剛性節點的要求，且節點滯回曲線均飽滿，抗震性能好;節點極限抗彎承載力預測值與有限元結果的比值均大于90%，說明盒式節點構造、設計理念以及提出的連接設計方法合理。

關鍵詞：模塊化鋼框架;盒式連接節點;節點剛度;抗震性能;設計方法

中圖分類號：TU391 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2021）03-0037-07

Abstract： A method to connect modular steel frame units（hereinafter referred to "modular units"） was proposed， which is that 2， 4， or 8 modular units can be connected by innovative box connecting component（BCC-1and BCC-2）， plates through high strength bolts. Force mechanism of box connections were analyzed， and based on the Chinese code， the design flow and design method of the inovative box connections （hereinafter referred to "box connections"） of modular units were proposed. Taking the 11 layers modular steel frame office as an example， an corner connection and an edge connection were designed， and low cycle reciprocating loading were carried out on the connection using the finite element software Abaqus to verify seismic resistance of modular connections. Results show that： plastic hinge of corner connections and edge connections initialed on web of BCC-1 and BCC-2， which can be quickly replaced after an earthquake to restore the function of connections. Both connections met the requirements of the ANSI/AISC 360-10 specification for semi-rigid connections， and hysteresis curve were full， indicating good seismic resistance. Both ratio of ultimate bending capacity of predicted value and finite element results exceed 90%， indicating that the structure， the idea， and the design method are reasonable.

Keywords：modular steel frame; box connections; joint rigidity; seismic performance; design method

模塊化鋼結構建筑的梁、柱等構件均由工廠加工生產，施工現場只需進行螺栓拼接或者人工焊接即可，具有工業化程度高、輕質高強、施工周期短等優點，是一種極具工業化特性的建筑結構體系[1]。形成可靠模塊化結構體系的難點在于一個節點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，現場連接不占用室內空間。目前已經開發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點，并對節點以及鋼框架支撐體系進行了深入的研究。Park等[3]提出的采用拼接板、高強度螺栓進行模塊之間的水平和豎向連接，理論和試驗研究的重點在于節點處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，并且對上、下兩個模塊連接節點進行了抗震性能的試驗研究。中國學者也開展了對模塊化結構的節點形式及其性能的探索，Deng等[5]提出用柱端開孔，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，并且對角節點和邊節點的抗震性能進行了深入研究，結果表明，節點在往復荷載作用下的破壞均發生在梁端。Chen等[6-7]采用插入式連接件和對穿螺栓實現了模塊單元之間的連接，分別對模塊單元角節點和邊節點進行了足尺試驗。王燕等[8]提出一種內套筒加焊接的連接件用于多個模塊的連接，用有限元分析不同套筒厚度、連接板厚度下節點的應力路徑，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，可以僅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，根據實際需要確定不同連接位置的連接組件類型和個數，所有的連接工作可以在模塊單元外部完成且無焊接流程。除此以外，設計時以節點核心區受剪而穩定耗能且塑性鉸形成于BCC-1、BCC-2腹板為目標，讓節點能用于抗震設防烈度地區并實現BCC-1、BCC-2的可更換。闡述了節點的構造和設計理念，基于“等強度理論”，結合《結構抗震設計規范》[9]、《鋼結構設計規范》[10]給出盒式節點設計的一般過程，將該方法用于7度設防區的某模塊化鋼結構辦公樓的模塊單元連接設計中，并使用有限元軟件Abaqus 6.14對節點性能進行驗證。

1 盒式節點構造及原理

設計了用于模塊單元連接的盒式連接組件，可以實現2、4、8個模塊單元之間的連接，圖1（a）、（b）分別為連接2個和4個模塊單元的邊節點示意圖。每4個模塊單元按圖1（b）完成連接固定后，再通過連接板在模塊單元柱加勁肋上連接即可完成8個模塊單元的連接。根據設計需要的個數和位置開螺栓孔，并且模塊單元柱端有一小段懸臂長度用于上、下模塊單元柱之間的連接。BCC-1用于角節點上、下模塊單元的連接，BCC-2可以同時實現模塊單元的水平和豎向連接。

基于對鋼結構節點的性能要求[11]，兼顧模塊單元連接的實際需要，闡述本模塊單元連接節點的設計理念和傳力機制。首先，用BCC-1和BCC-2的豎向連接板實現上、下模塊單元柱與柱的直接連接，保證豎向荷載傳遞的連續性，同時，避免因為模塊單元柱截面上拉應力存在而在上、下模塊單元之間產生縫隙。其次，讓BCC-1和BCC-2腹板參與受剪，實現穩定的能量耗散。對于角節點，在水平荷載作用下，BCC-1腹板上受到的剪力來自兩個部分，柱腹板拼接板和水平加勁肋之間的腹板區域受剪引起BCC-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BCC-1腹板受剪，相對來說，作用在BCC-1腹板截面上的剪力較小，通過設置合理的截面尺寸或者采用低屈服應力、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因為長度較小，截面上的剪應力不可忽略，且BCC-2水平、豎直兩個方向受剪，容易實現BCC-2的腹板耗能。對于中間節點，水平方向的受力及耗能機理同邊節點，可以滿足抗震設防地區的需要。最后，僅由BCC-1、BCC-2、腹板連接板等采用高強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，以恢復結構的使用功能。

2 盒式節點設計流程

模塊單元連接節點作為模塊化結構體系中的重要部分，在設計時除了考慮強度、剛度外，還要具有良好的延性以及耗能能力。具體來說，盒式節點設計時主要通過3個方面來提高盒式節點的抗震性能，使模塊化鋼框架體系能用于抗震設防烈度地區。第一，強度方面，豎向連接截面的強度要大于模塊單元柱的截面強度;第二，剛度方面，通過有限元計算驗算小震作用下層間位移角是否滿足《結構抗震設計規范》[9]的要求;最后，通過合理設計BCC-1、BCC-2腹板實現節點的穩定耗能，使得模塊化鋼結構體系能用于抗震設防區，具體的盒式節點設計流程見圖2。

3 盒式節點設計

3.1 豎向連接設計

按照“等強度理論”要求實現模塊單元之間的豎向連接，盒式角節點、邊節點的豎向連接公式可以統一為式（1）。

同樣用“等強度理論”確定模塊之間連接所需的高強度螺栓個數。考慮作用在盒式角節點模塊單元柱截面上的彎矩設計值為Mc=Wcn·f，在柱截面彎矩作用下，翼緣連接板連接的高強度螺栓受剪，所需高強度螺栓個數見式（2）。BCC-1上水平連接板與地板梁、天花板梁翼緣連接的高強度螺栓以受拉為主，作用在地板梁、天花板梁高強度螺栓上的總設計拉力值分別為：Nfbt=AfbW·fv、Ncbt=AcbW·fv，高強度螺栓個數按照式（3）計算。

式中：nfb、ncb、ncF分別為地板梁與BCC-1連接、天花板梁與BCC-1連接、柱翼緣與BCC-1上豎向連接板連接所需的高強度螺栓個數;f、fv分別為鋼材的抗拉、抗剪強度設計值;AfbW、AcbW分別為地板梁、天花板梁橫截面面積;NbV、NbT分別為高強度螺栓的抗剪、抗拉承載力設計值。

3.2 水平連接設計

邊節點中BCC-2豎向截面要滿足彎矩、剪力在水平方向的傳遞，BCC-2的豎向截面、豎向連接所需高強度螺栓個數需要分別滿足式（4）、式（5）。

式中：A2nV、Afb、Acb分別為BCC-2縱向、地板梁、天花板梁的凈截面面積;W2nV、Wfb、Wcb分別為BCC-2縱向、地板梁、天花板梁的縱向截面凈截面模量;n2V為BCC-2豎向連接板與柱翼緣連接所需要的高強度螺栓個數。

3.3 節點域驗算

對于盒式角節點和邊節點，節點核心區①、②的設計同普通鋼結構節點核心區，盒式節點的設計理念為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，其合理設計是實現模塊化結構體系用于抗震設防區以及實現BCC-1、BCC-2可更換的前提。圖3給出了盒式角節點、盒式邊節點的受力示意圖，盒式邊節點受力示意圖取一半結構。

對于盒式角節點，BCC-1腹板需要滿足截面1-1上剪應力小于核心區①，且能保持腹板的局部穩定性。

式中：A1、Ac分別為BCC-1腹板、核心區①的截面面積;τ11-1、τc1-1分別為1-1截面上BCC-1腹板、核心區1按照截面積所分擔的剪應力。

對于盒式邊節點，作為受彎構件設計的BCC-2，其截面上剪力較大，2-2截面上的剪表達式為

2-2截面上剪力面上的剪應力需滿足強度要求，即式（8），以及局部穩定性要求。

3.4 極限抗彎承載力

對于角節點來說，極限抗彎承載力Mcu，P為所連接上、下模塊單元地板梁、天花板梁極限抗彎承載力McbnP、MfbnP之和，見式（9），因模塊單元天花板梁、地板梁上有螺栓孔，則天花板梁、地板梁的極限抗彎承載力均為去除螺栓孔的凈截面所提供。

BCC-2連接的左、右模塊單元柱各自受力變形，定義盒式中間節點的極限抗彎承載力為相鄰模塊單元柱所承受的極限抗彎承載力之和。盒式邊節點所連模塊單元天花板梁、地板梁受彎，BCC-2雙向受剪，盒式邊節點的極限抗彎承載力Meu，P為

式中：A2nH為BCC-2橫向的凈截面面積。

4 盒式節點工程應用及驗證

4.1 連接設計

以某11層模塊化建筑示范綜合辦公樓為例，完成了新型盒式節點的研發與設計研究。辦公樓的設計使用年限為50年，建筑類別丙類，地面粗糙度為B類，II類場地，50年設防烈度為7度，設計地震分組第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點進行連接設計。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。模塊化鋼結構單元、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M20的高強度螺栓。

根據模塊單元的梁、柱尺寸，按前述設計流程，分別進行角節點、邊節點的設計。盒式角節點處使用的連接構件為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。盒式邊節點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

為驗證盒式節點的抗震性能，采用有限元軟件Abaqus 6.14分別對角節點和邊節點進行靜力推覆分析。模型中，模塊單元、連接組件用鋼的設計屈服強度為fy=235 N/mm2，極限強度fu=370 N/mm2;采用10.9級M20高強度螺栓，屈服強度為fy=940 N/mm2，極限強度fu=1 040 N/mm2。建模時，模塊單元、連接構件以及高強度螺栓均采用實體元建模，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、連接組件與高強度螺栓之間、模塊單元與高強度螺栓之間的接觸。參考《鋼結構設計規范》，

各部件之間采取噴硬質石英砂處理，摩擦系數取為0.45，在Abaqus 6.14里采用bolt force對螺栓桿施加的預緊力。角節點、邊節點的加載作用點均在柱端，用點rp耦合角節點整個柱頂截面，邊節點的加載點在相鄰柱柱端，分別用點rp1、rp2耦合左、右模塊柱柱頂截面，角節點、邊節點均施加X方向的位移，如圖4所示，模型中均考慮了0.1的軸壓比。

4.3 數值分析

通過螺栓上預緊力（bolt force）加載步來驗證有限元模型的正確性，角節點模型中，螺栓單元上的平均應力為317.8 N/mm2，邊節點模型中，螺栓單元上的平均應力為316.5 N/mm2，螺栓截面上拉力等于所施加的預緊力100 kN，說明模型的模擬結果可靠。經驗證的盒式角節點、盒式邊節點的滯回曲線如圖5所示，曲線呈明顯梭形且飽滿，表明節點在加載過程中均消耗大量的能量，具有良好的抗震性能。圖6為角節點、邊節點的骨架曲線，可以看出，角節點、邊節點均符合ANSI/AISC 360-10 [12]第1～8部分節點分類中對半剛性節點的要求。

圖6結合表1分析表明：強度方面，節點在正、反方向加載時均沒有表現出明顯峰值，角節點能夠傳遞90%以上彎矩，BCC-2較大幅度地增加邊節點的極限抗彎承載力，傳遞彎矩為128.5%。延性方面，角節點、邊節點均表現出較好的延性，正、反方向加載時，角節點的延性系數μ均值為2.703 5，邊節點的延性系數μ均值為4.911、5.384 5。Mu，P為預測的節點極限抗彎承載力，其對角節點和邊節點的極限抗彎承載力預測值與有限元結果比值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對應的彎矩承載力為極限抗彎承載力。

在彈性階段，角節點上BCC-1腹板上的最大剪應力τ11-1=98.2 N/mm2<43fv=167 N/mm2，邊節點上剪應力τ2-2=140.2 N/mm2<43fv=167 N/mm2，符合節點域強度驗算要求。圖6給出了盒式角節點和邊節點在層間位移達到0.02 rad時的應力云圖，可以看出，角節點、邊節點的塑性破壞均出現在連接組件BCC-1、BCC-2腹板上，即大震作用下，邊節點

上模塊單元基本保持彈性，可以通過震后更換BCC-1、BCC-2快速恢復結構的使用功能[13]。

中國規范[9]的“三水準”設防目標要求為“小震不壞、中震可修、大震不倒”，盒式角節點、在正、反方向加載的屈服層間位移角分別為：1/135、1/140，盒式邊節點在正、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，角節點、邊節點的抗彎承載力沒有下降趨勢，剛度方面滿足中國規范[9-10]要求。

5 結論

設計了基于盒式連接組件BCC-1、BCC-2的全螺栓盒式節點，對節點構造以及設計理念進行詳細的闡述，并基于“等強度理論”給出了盒式節點的設計流程和豎向、水平方向的連接設計公式，分析了節點的極限抗彎承載力，并以塑性鉸形成于BCC-1、BCC-2腹板為目標，進行了BCC-1、BCC-2的腹板設計，采用有限元軟件ABAQUS 6.14對角節點、邊節點抗震性能進行分析，結論如下：

1）采用提出的模塊單元盒式節點連接設計方法設計的角節點和邊節點在往復加載作用下的塑性變形集中在節點核心區，并且BCC-1、BCC-2腹板截面削弱處首先屈服形成塑性鉸，既滿足了節點域腹板受剪耗能的理念，又可以在震后快速更換BCC-1、BCC-2以恢復節點的使用功能，表明提出的盒式節點設計理念和設計方法合理。

2）盒式角節點和邊節點均符合ANSI/AISC 360-10規范對于半剛性節點的要求，正、反方向下，角節點、邊節點能傳遞的極限抗彎承載均值分別為93.5%、128.5%;角節點和邊節點在層間位移角為1/250時，均處于彈性，層間位移角達到1/50時，沒有表現出抗彎承載力的降低，而且滯回曲線、骨架曲線和模型結果數據顯示節點具有良好的抗震性能，說明盒式節點的設計方法合理。

3）正、反方向下，盒式角節點極限抗彎承載力的預測值與有限元結果的比值Mu，P/Mu均值為1.01，盒式邊節點極限抗彎承載力的預測值與有限元結果的比值Mu，P均值為0.905，說明給出的節點極限抗彎承載力公式能很好地預測節點的極限抗彎承載力。

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（編輯 章潤紅）