来源：《钢结构》2024 年第 6 期

作者：林浩，郑旭，黄俊泽

出处：《钢结构》2024

摘要

模块化箱型钢结构依靠工厂预制模块、现场螺栓拼接实现快速建造，梁柱端板螺栓节点是模块单元之间核心传力部位。强震作用下节点将承受反复拉压循环荷载，容易产生低周疲劳损伤，引发节点刚度退化、承载力下降。本文针对箱型柱 - H 型钢梁外伸端板螺栓节点开展低周往复加载试验，探究端板厚度、螺栓布置形式、加劲肋设置对节点疲劳损伤演化、滞回特性、破坏模式的影响；分析循环荷载下螺栓预紧力松弛规律，揭示端板翘曲、焊缝开裂、螺栓滑移三类典型损伤发展路径；建立考虑疲劳累积损伤的数值模型，提出模块化箱型结构梁柱节点构造优化方案与抗震设计建议。研究结论可为模块化钢结构节点抗震设计提供理论支撑。

Abstract

Modular box steel structures realize rapid construction via factory prefabrication and field bolted assembly. Bolted end-plate beam-column joints serve as critical load-transfer components between modules. Under strong earthquakes, joints are subjected to cyclic tension-compression loads, leading to low-cycle fatigue damage, stiffness degradation and bearing capacity reduction. Low-cycle reversed loading tests were carried out on extended end-plate joints connecting box columns and H-shaped steel beams. The effects of end-plate thickness, bolt layout and stiffener arrangement on fatigue damage evolution, hysteretic performance and failure mode were investigated. The relaxation rule of bolt pretension under cyclic loading was analyzed, and three typical damage paths including end-plate warping, weld cracking and bolt slip were revealed. A numerical model considering cumulative fatigue damage was established, and optimized construction details together with seismic design recommendations were proposed. The findings provide theoretical support for seismic design of joints in modular steel structures.

一、研究背景

模块化箱型钢结构广泛应用于宿舍、公寓、临时综合建筑，模块单元在工厂完整制作，施工现场仅完成模块之间螺栓连接，装配效率优势突出。现有研究大多聚焦节点单调静力承载力或者单次地震作用下的极限受力性能。

实际地震过程属于多次循环往复荷载，梁柱节点端板、螺栓、焊缝会持续累积塑性损伤；多次地震扰动下，螺栓预紧力缓慢损失，端板出现塑性翘曲，节点抗转动刚度持续降低，严重时在余震阶段发生节点失效。

现行钢结构设计标准缺少针对模块化螺栓节点低周疲劳损伤的计算方法，工程设计普遍忽略循环荷载累积效应。为保障模块化建筑在多地震动下的安全性，需要系统研究螺栓端板节点疲劳损伤机理，优化节点构造，完善设计对策。

二、研究内容

（一）节点试件设计与加载方案

设计 5 组不同构造的箱型柱 - 钢梁外伸端板节点试件，变量参数包含端板厚度、螺栓排列方式、是否设置横向加劲肋。采用位移控制低周往复加载制度模拟地震循环作用，持续监测螺栓预紧力变化、端板应变分布、裂缝萌生与扩展全过程。

（二）节点损伤演化机理分析

试验观测得到三类典型失效模式：端板塑性翘曲破坏、梁翼缘焊缝疲劳开裂、螺栓滑移连接失效。端板厚度不足时，循环荷载下塑性变形不断累积，端板翘曲导致螺栓受力不均；缺少加劲肋的节点，刚度退化速度显著高于设置加劲肋的试件。循环加载后期普遍出现螺栓预紧力松弛现象，进一步加剧节点滑移。

（三）疲劳损伤数值模型构建

基于试验数据校准钢材循环本构与焊缝损伤参数，建立能够模拟塑性累积、螺栓预紧力松弛的精细化有限元模型。开展参数拓展分析，量化端板厚度、螺栓直径、加劲肋尺寸对节点疲劳寿命的影响权重。

（四）节点构造优化方案评估

针对原始节点薄弱环节提出优化策略：加厚受拉区端板、采用两排并列高强螺栓、在梁端设置横向加劲肋、增设焊缝引弧板减少焊接缺陷。对比优化前后节点滞回曲线、等效粘滞阻尼系数、疲劳循环次数，验证优化方案有效性。

三、主要结论与工程建议

综合以上研究，可以得出以下主要结论：

1. 在持续低周循环荷载作用下，模块化箱型结构端板节点会发生不可逆塑性累积损伤，螺栓预紧力随循环次数增加逐步衰减，削弱节点抗侧刚度。
2. 端板厚度是控制节点破坏模式的关键参数；厚度不足易发生端板翘曲，过厚则容易引发梁翼缘焊缝脆性疲劳开裂，存在合理厚度匹配区间。
3. 梁端设置横向加劲肋能够有效约束端板变形，减缓刚度退化，节点耗能能力提升 18% 以上。
4. 螺栓采用双排对称布置相比单排布置，受力更加均匀，可以推迟滑移损伤出现。
6. 建议抗震设防区域内的模块化箱型钢结构，梁柱端板节点优先选用带梁端加劲肋构造；端板厚度与梁翼缘厚度合理匹配，避免出现焊缝先于端板破坏的不利模式；结构计算时需要适当考虑多次地震作用下节点刚度折减，预留足够安全余量。