新型模塊化分層裝配鋼結構全螺栓節(jié)點設計及連接計算方法

何祥榮（西南科技大學土建學院 四川綿陽621010）

0 引言

模塊化分層裝配鋼結構具有施工簡便快速、易管理、易質(zhì)量控制等優(yōu)點，其與傳統(tǒng)裝配式鋼結構有所不同，模塊化分層裝配鋼結構通常在結構每層處將柱斷開，以每層或每層中某幾個房屋功能區(qū)為一個模塊，在施工現(xiàn)場將模塊整體吊裝進行模塊間連接，以搭積木的方式進行結構建造，故設計一種適用于模塊化分層裝配鋼結構的柱斷開式梁柱節(jié)點至關重要。學者們已設計多種構造的柱斷開式節(jié)點，但始終存在相關缺陷，如節(jié)點過于復雜、節(jié)點不能應用于不等高度梁間連接、節(jié)點處梁布置不夠靈活等?；趯W者們研究成果進行功能優(yōu)化，設計出一種新型模塊化分層裝配鋼結構全螺栓節(jié)點。

1 節(jié)點構造設計及說明

圖1 十字形節(jié)點構造裝配圖

圖1、圖2為節(jié)點的一種十字形模型構造做法，其通過摩擦型高強螺栓將H型鋼梁、方鋼管柱、法蘭盤及連接板連接起來。

節(jié)點具有以下特點：

（1）可將節(jié)點完全拆分，實現(xiàn)結構構件輕量化，便于運輸及安裝（見圖2）；

圖2 十字形節(jié)點拆分示意圖

（2）可實現(xiàn)同節(jié)點不等高度梁間連接（見圖3）；

圖3 不等高梁間連接示意圖

（3）梁位置布置靈活，適用于鋼結構中邊跨、中跨等梁柱連接（見圖4）；

圖4 三梁節(jié)點拆分示意圖

（4）可實現(xiàn)結構柱在層位置斷開，利于鋼結構的模塊化分層裝配（見圖5）；

圖5 模塊化分層拼裝示意圖

（5）節(jié)點采用全螺栓裝配，有利于構件修復、替換及回收；

（6）梁與法蘭盤采用Z型嵌合式連接，安裝拆卸方便；

（7）法蘭盤與柱的連接處設置內(nèi)嵌口加固節(jié)點連接，并且內(nèi)嵌口可在地震作用下進行變形耗能，有利于結構抗震；

（8）實現(xiàn)構件全預制，利于質(zhì)量把控，在施工現(xiàn)場僅進行螺栓拼裝；

（9）法蘭盤和柱內(nèi)部空心貫通，如有強度需求可內(nèi)填混凝土加強結構強度和剛度（見圖6）。

節(jié)點構件宜采用鑄造一體成型，確因鑄造工藝有難度可在工廠制作時進行焊接。板件接長須采用全焊透對接。采用角焊縫處，焊腳高度應大于連接板件厚度較小值的1.5倍。法蘭盤上下內(nèi)插口只能全焊透對接，不得使用角焊縫連接，以保證節(jié)點裝配。法蘭盤中部為空心方鋼管，在節(jié)點工作時法蘭盤應力復雜，宜對法蘭盤中部方鋼管壁進行加厚。

圖6 十字形節(jié)點法蘭盤剖面圖

2 節(jié)點構件連接計算方法

2.1 梁端連接截面抗彎承載力

在梁端連接處采用等強度設計法，即梁端高強螺栓群連接強度不小于梁端螺栓孔削弱凈截面強度。梁彎矩由上下翼緣共同承擔，先計算螺栓連接梁翼緣板的軸心抗拉、壓承載力N，再用N計算出梁端螺栓連接截面的抗彎承載力M。梁端上、下翼緣螺栓連接處的抗拉、壓承載力N由公式（1）、（2）、（3）確定：

式中：

n1為梁上翼緣計算截面處高強摩擦螺栓數(shù)目；n為梁上翼緣螺栓數(shù)目；An為梁上翼緣螺栓孔削弱處凈截面面積；A為梁上翼緣毛截面面積；f為翼上緣板抗拉承載力設計值；Nv為單個摩擦螺栓抗剪承載力；nf為單個摩擦螺栓傳力摩擦面數(shù)目；μ為摩擦面抗滑移系數(shù)（按接觸面的處理方法取值）；P為螺栓預拉力（按螺栓性能等級和公稱直徑取值）。

梁端連接截面抗彎承載力M為：

式中：

h為H型鋼梁高度。

2.2 梁端連接截面抗剪承載力

節(jié)點由高強摩擦螺栓連接，即節(jié)點正常工作時不考慮螺栓滑移。故梁與法蘭盤間屬剛性連接，可認為梁彎矩完全由梁翼緣承擔，梁翼緣不分擔剪力。梁端連接截面抗剪承載力計算內(nèi)容包括H型鋼梁腹板受剪（常用規(guī)格H型鋼梁可省略此步驟）、連接板受剪和梁腹板處摩擦螺栓受剪。梁端連接截面抗剪承載力FP為公式（4）、（5）、（6）確定的最小值。

式中：

Iw為梁腹板毛截面慣性矩，tw為腹板厚度，fvw為腹板抗剪強度設計值，Sw為腹板上半部分毛截面對中和軸的面積矩。

式中：

n為剪切截面處連接板數(shù)目，Il為單塊連接板毛截面慣性矩，tl為連接板厚度，fvl為連接板抗剪強度設計值，Sl為單塊連接板上半部分毛截面對中和軸的面積矩。

式中：

n為梁腹板處承受承受單向剪切力的摩擦螺栓數(shù)目，其余變量定義與公式（3）相同。

2.2 柱端連接截面抗彎抗剪承載力

如圖2所示，柱與柱端板在工廠采用全焊透對接，柱與法蘭盤連接時，柱先插入法蘭盤上內(nèi)嵌口，再用摩擦螺栓將柱端板與法蘭盤端板鎖緊。考慮安裝精度，內(nèi)嵌口外截面尺寸略小于柱內(nèi)空心截面尺寸，故此處計算柱端連接截面抗彎、抗剪承載力時不考慮內(nèi)嵌口的嵌固效應。柱端板上螺栓群承受拉剪或壓剪作用，根據(jù)高強摩擦螺栓工作原理可知端板最邊緣處承受拉剪作用的螺栓屬危險部件，對連接截面抗彎剪能力起控制作用。最邊緣處的單個摩擦螺栓承受的剪力Nv和拉力Nt應滿足關系式（8）和（9）：

式中：

根據(jù)節(jié)點設計思想，單塊柱端板上摩擦螺栓規(guī)格型號宜設置相同，可認為連接截面處總剪力FP由端板上n個螺栓平均分擔。故柱端連接截面抗剪承載力為：

計算時認為端板發(fā)生線性形狀變形，即端板上每個螺栓受到的拉力與螺栓中心到轉動截面中性軸的距離成正比，則柱端連接截面抗彎承載力為：

式中：

n1為單塊端板上抗拉螺栓數(shù)目，yi為第i個抗拉螺栓中心到轉動截面中性軸的距離，y為最邊緣處的螺栓中心到轉動截面中性軸的距離。

3 結語

對新型模塊化分層裝配鋼結構全螺栓節(jié)點構造進行設計說明，并提出節(jié)點在正常使用狀態(tài)下的簡易連接計算方法。但受力狀態(tài)下節(jié)點法蘭盤的傳力路徑和應力分布尚不明朗，節(jié)點的抗震性能和地震作用下動力響應并不清楚，故研究該節(jié)點力學性能的實驗和有限元研究工作還有待于進一步開展。