多层柱承重模块化钢结构建筑模块间连接节点受力性能与设计方法研究

Column supported modular steel structure, as one of the most promising types of prefabricated structures，is expected to have vast potential in the area of building industrialization in China. However, due to the lack of theoretical and experimental study on the mechanic behavior of module-to-module connection, the design and practice of column supported modular steel structure are limited. In this project, the stressing mechanism of module-to-module connection in multi-story column supoorted modular steel structure under tensile force, shear force and bending force will be studied based on the numerical simulation. Then the experiments of module-to-module connection will be desgined. Furthermore, a series of experiments focused on the mechanical properties of connections will be carried out and the simplified analysis model for the connection will be presented along with the equivalent design method. Afterwards, orthogonal parameter analysis based on the verified numerical model will be conducted to obtain the critical influence factors and to optimize the configuration of the module-to-module connection. At last, the construction requirements and design recommendation for the connection will be proposed. The results of this project would benefit further study and engineering application of column supported modular steel structure.

作为集成化程度最高的预制装配式建筑形式之一，柱承重模块化钢结构建筑已经成为我国建筑工业化发展的重要方向。然而，目前针对柱承重模块化钢结构建筑模块间连接节点受力性能的理论与试验研究较少，尚难以形成系统的研究成果支持其设计与应用。本项目首先通过数值模拟研究多层柱承重模块化钢结构建筑模块间连接节点受拉、受剪及受弯状态下的受力机理，并对节点试验进行设计。然后通过节点试验研究节点在上述三种受力状态下的力学性能，进而提出节点的简化分析模型与等效设计方法。最后，利用经过试验验证的数值模型对节点复杂受力状态下的力学性能进行正交参数分析，获得节点力学性能的关键影响因素并对节点构造形式进行优化，提出相应的节点构造要求与设计建议。本项目研究了模块间连接节点的受力性能并给出了其相应的简化分析模型、等效设计方法与设计建议，研究成果可为柱承重模块化钢结构建筑体系这种新型装配式结构体系的进一步研究和工程应用提供依据。

模块化钢结构建筑是指把一个房间单元作为预制构件单位、在工厂预制后运到工地进行安装的建筑结构。作为集成化程度最高的预制装配式建筑形式之一，模块化钢结构建筑已成为国内外建筑工业化发展的重要方向。模块间快速可靠的连接节点是充分发挥模块化钢结构建筑优势和保证结构整体性的关键。针对模块间连接节点静力性能的研究开展较晚，取得研究成果有限，尚难以形成系统的节点设计理论与分析方法。本项目以模块间连接节点静力性能为研究对象，进行试验研究、理论分析与数值模拟。对模块间角部连接节点与中部连接节点分别进行静力试验，系统的研究了标准孔、双槽孔、小斜撑加强、变截面组合梁及梁翼缘加强五种不同节点受弯状态下的受力机理，得到了节点各组成构件的应力分布规律、变形情况、塑性应变分布、螺栓内力分布、刚度曲线变化、破坏模式、转角-弯矩曲线等重要节点性能指标。试验发现上述多种不同形式节点均呈现出显著的半刚性节点特性，在实际设计中应予以重视；双槽孔节点受弯性能与同尺寸标准孔节点基本一致，但可以大幅节省施工时间，降低节点施工误差敏感性。继而采用理论分析，基于假设破坏模式法与组件法，分别推导节点受弯状态下的极限承载力与初始转动刚度，提出节点的简化分析模型。利用推导所得承载力与转动刚度，提出利用线性弹簧与转动弹簧结合的等效节点单元模型，作为整体结构设计中节点的等效设计模型，以便于工程技术人员使用。由此，采用简单的节点模型即可较为精准进行结构整体设计，对工程应用具有重要意义。考虑到节点组成部件多，受力复杂，采用数值模型对节点进行正交参数分析，获得各部件对节点受力性能的影响显著性排序。研究发现，螺栓排列方式及模块梁截面尺寸对节点受力性能影响最大；螺栓等级与20%内的预紧力损失对节点受力性能影响较小，故施工时按要求拧紧螺栓即可保证节点的连接性能。本研究成果有助于完善模块化钢结构建筑研究理论体系，进一步促进其在我国的推广应用。