《模块化钢结构箱型模块竖向拼接节点抗震受力性能与构造优化研究》

来源：《钢结构》2024 年第 6 期

作者：黄泽宇，林建军，郑涛

主题：箱型钢结构模块竖向拼接节点传力机制、地震作用下滑移翘曲变形规律、高强螺栓连接失效模式、模块化建筑节点加固构造优化方案

摘要

箱型模块化钢结构依靠工厂预制箱体单元现场拼装，工业化程度高、施工速度快，是装配式钢结构住宅与临时保障性住房的主流体系。竖向上下模块之间的拼接节点是整体结构竖向力传递、水平地震剪力传递的关键薄弱部位，地震往复荷载下易出现螺栓滑移、端板翘曲、局部承压屈服等损伤，直接影响模块建筑整体抗震安全性。本文针对常用的端板高强螺栓竖向拼接节点，开展低周往复加载抗震足尺试验，观测不同端板厚度、螺栓布置形式、加劲肋设置对节点滞回性能、耗能能力、极限承载力的影响；建立精细化有限元模型分析节点应力分布与塑性发展规律，并对原常规构造提出加劲肋补强、螺栓群对称加密两项优化措施。试验结果表明：优化后的加固节点极限抗剪承载力提升 27.4%，滞回曲线更加饱满，有效抑制端板翘曲变形与螺栓滑移失效。研究提出的节点构造详图可直接应用于多高层模块化钢结构住宅施工图设计，为装配式模块钢结构抗震构造设计提供试验支撑。

Abstract

Box-type modular steel structures are prefabricated in factories and assembled on site, featuring high industrialization and fast construction speed, which are the mainstream system for prefabricated steel structure residences and temporary indemnificatory housing. The vertical splicing joint between upper and lower modules is the key weak part for the transfer of vertical force and horizontal seismic shear force of the overall structure. Under reciprocating seismic load, it is prone to damages such as bolt slippage, end plate warping and local bearing yielding, which directly affect the overall seismic safety of modular buildings. In this paper, full-scale seismic low-cycle reversed loading tests are carried out on the commonly used end-plate high-strength bolt vertical splicing joints to observe the influences of end plate thickness, bolt layout and stiffener arrangement on the hysteretic performance, energy dissipation capacity and ultimate bearing capacity of joints. A refined finite element model is established to analyze the stress distribution and plastic development law of joints, and two optimization measures of stiffener reinforcement and symmetric encryption of bolt groups are proposed for the original conventional structure. The test results show that the ultimate shear capacity of the optimized reinforced joint is increased by 27.4%, the hysteretic curve is fuller, and the end plate warping deformation and bolt slippage failure are effectively restrained. The joint construction details proposed in this paper can be directly applied to the construction drawing design of multi-story high-rise modular steel structure residences, and provide experimental support for the seismic structural design of prefabricated modular steel structures.

一、研究背景

1.1 模块化钢结构发展优势与节点短板

模块化箱型钢结构将楼板、墙体、梁柱在工厂整体焊接成独立箱体，运输至现场仅需完成模块拼接与管线接驳，现场湿作业量减少 70% 以上，符合建筑工业化、双碳绿色发展政策，近年在保障性住房、学校宿舍、酒店公寓大量落地。

该体系最大受力短板集中在模块竖向拼接节点：上下箱体依靠底部端板 + 大直径高强度螺栓对穿连接，竖向压力、水平地震剪力全部由该节点承担；常规简化设计常忽略端板受弯翘曲、螺栓群受力不均问题，在 7 度及以上抗震设防区域存在安全隐患。

1.2 当前节点设计普遍存在的问题

1. 端板厚度取值偏小，水平地震弯矩作用下发生面外翘曲，螺栓受力偏心加剧，极易出现滑移脱扣；
2. 箱体立柱内部未设置加劲隔板，立柱端部局部承压应力集中，发生管壁凹陷屈服；
3. 螺栓仅沿立柱外侧单边布置，受力不对称，往复荷载下滞回耗能能力差；
4. 模块拼接缝隙未设置限位构造，大变形下箱体产生错动，引发围护墙板破损。以上问题制约了模块化钢结构在中高层、高抗震等级项目的推广，因此对节点受力机理剖析与构造优化具备极强工程实用价值。

二、箱型模块竖向拼接节点基本构造与传力机理

2.1 标准原始节点构造组成

1. 上部箱体下立柱、下部箱体上立柱，均为矩形冷弯方钢管；
2. 上下端板：分别焊接于立柱端面，作为螺栓承压连接板；
3. 10.9 级大六角高强度摩擦型螺栓，竖向对穿连接上下端板；
4. 原始构造无内部加劲肋、无侧向限位挡板。

2.2 荷载传递路径

1. 竖向恒活荷载：上层箱体自重→上立柱→上端板→螺栓承压→下端板→下立柱向下传递；
2. 水平地震剪力：楼层水平力→箱体框架→立柱弯矩剪力→端板受弯 + 螺栓摩擦力共同抵抗；地震往复荷载下，端板反复弯曲变形，是节点最主要的耗能与损伤部位。

三、足尺试验与有限元数值模拟分析

3.1 低周往复加载对比试验

本次共制作 3 组试件：

试件 1：常规原始无加劲节点（对照组）；

试件 2：加厚端板优化节点；

试件 3：端板加厚 + 立柱内横隔板加劲 + 螺栓群对称加密综合优化节点。

采用水平位移控制逐级加载，测试滞回曲线、骨架曲线、破坏形态。

关键试验结论：

1. 对照组试件最终破坏模式为端板严重翘曲、螺栓滑移，极限承载力最低，滞回环捏缩明显，耗能差；
2. 仅加厚端板可小幅提升承载力，但仍无法杜绝翘曲变形；
3. 综合优化节点承载力提升 27.4%，翘曲变形被完全约束，滞回环饱满，塑性损伤仅集中在端板边缘，满足抗震延性要求。

3.2 有限元应力精细化分析

通过 SolidWorks 建模导入 ABAQUS 进行弹塑性分析，结果直观显示：原始节点立柱端部无加劲肋，管壁应力高度集中，易出现局部压溃；增设内部横隔板后，应力均匀扩散至立柱侧壁，彻底消除应力集中隐患；对称布置螺栓群可避免单侧偏心受拉。

四、主要研究结论与工程构造优化建议

4.1 核心研究结论

1. 模块化箱型钢结构竖向拼接节点薄弱环节为端板抗弯刚度与立柱端部局部承压能力，常规简易构造抗震冗余度不足；
2. 立柱内部增设横向加劲隔板、加厚连接端板、螺栓群对称均匀布置三项措施组合使用，可大幅提升节点极限承载力与抗震耗能性能；
3. 优化后节点可实现 “强构件、弱节点” 的抗震设防理念，塑性变形可控，震后可单独拆卸更换受损连接部件。

4.2 模块化钢结构设计施工实操建议

1. 抗震设防烈度≥7 度地区，模块拼接立柱必须在端头设置内部横向加劲隔板；
2. 竖向连接端板厚度不宜小于 20mm，材质选用 Q355B 钢材，避免薄板弯曲翘曲；
3. 高强度螺栓必须采用摩擦型连接，严格控制摩擦面喷砂处理与预拉力终拧扭矩；
4. 模块拼接侧边增设小型限位挡块，限制水平错动，保护外墙围护板材不被挤压破损；
5. 施工图中明确节点大样图，工厂预制阶段完成加劲肋焊接，现场仅做螺栓拼装。