新型模块化分层装配钢结构全螺栓节点设计及连接计算方法

何祥荣（西南科技大学土建学院 四川绵阳621010）

0 引言

模块化分层装配钢结构具有施工简便快速、易管理、易质量控制等优点，其与传统装配式钢结构有所不同，模块化分层装配钢结构通常在结构每层处将柱断开，以每层或每层中某几个房屋功能区为一个模块，在施工现场将模块整体吊装进行模块间连接，以搭积木的方式进行结构建造，故设计一种适用于模块化分层装配钢结构的柱断开式梁柱节点至关重要。学者们已设计多种构造的柱断开式节点，但始终存在相关缺陷，如节点过于复杂、节点不能应用于不等高度梁间连接、节点处梁布置不够灵活等。基于学者们研究成果进行功能优化，设计出一种新型模块化分层装配钢结构全螺栓节点。

1 节点构造设计及说明

图1 十字形节点构造装配图

图1、图2为节点的一种十字形模型构造做法，其通过摩擦型高强螺栓将H型钢梁、方钢管柱、法兰盘及连接板连接起来。

节点具有以下特点：

（1）可将节点完全拆分，实现结构构件轻量化，便于运输及安装（见图2）；

图2 十字形节点拆分示意图

（2）可实现同节点不等高度梁间连接（见图3）；

图3 不等高梁间连接示意图

（3）梁位置布置灵活，适用于钢结构中边跨、中跨等梁柱连接（见图4）；

图4 三梁节点拆分示意图

（4）可实现结构柱在层位置断开，利于钢结构的模块化分层装配（见图5）；

图5 模块化分层拼装示意图

（5）节点采用全螺栓装配，有利于构件修复、替换及回收；

（6）梁与法兰盘采用Z型嵌合式连接，安装拆卸方便；

（7）法兰盘与柱的连接处设置内嵌口加固节点连接，并且内嵌口可在地震作用下进行变形耗能，有利于结构抗震；

（8）实现构件全预制，利于质量把控，在施工现场仅进行螺栓拼装；

（9）法兰盘和柱内部空心贯通，如有强度需求可内填混凝土加强结构强度和刚度（见图6）。

节点构件宜采用铸造一体成型，确因铸造工艺有难度可在工厂制作时进行焊接。板件接长须采用全焊透对接。采用角焊缝处，焊脚高度应大于连接板件厚度较小值的1.5倍。法兰盘上下内插口只能全焊透对接，不得使用角焊缝连接，以保证节点装配。法兰盘中部为空心方钢管，在节点工作时法兰盘应力复杂，宜对法兰盘中部方钢管壁进行加厚。

图6 十字形节点法兰盘剖面图

2 节点构件连接计算方法

2.1 梁端连接截面抗弯承载力

在梁端连接处采用等强度设计法，即梁端高强螺栓群连接强度不小于梁端螺栓孔削弱净截面强度。梁弯矩由上下翼缘共同承担，先计算螺栓连接梁翼缘板的轴心抗拉、压承载力N，再用N计算出梁端螺栓连接截面的抗弯承载力M。梁端上、下翼缘螺栓连接处的抗拉、压承载力N由公式（1）、（2）、（3）确定：

式中：

n1为梁上翼缘计算截面处高强摩擦螺栓数目；n为梁上翼缘螺栓数目；An为梁上翼缘螺栓孔削弱处净截面面积；A为梁上翼缘毛截面面积；f为翼上缘板抗拉承载力设计值；Nv为单个摩擦螺栓抗剪承载力；nf为单个摩擦螺栓传力摩擦面数目；μ为摩擦面抗滑移系数（按接触面的处理方法取值）；P为螺栓预拉力（按螺栓性能等级和公称直径取值）。

梁端连接截面抗弯承载力M为：

式中：

h为H型钢梁高度。

2.2 梁端连接截面抗剪承载力

节点由高强摩擦螺栓连接，即节点正常工作时不考虑螺栓滑移。故梁与法兰盘间属刚性连接，可认为梁弯矩完全由梁翼缘承担，梁翼缘不分担剪力。梁端连接截面抗剪承载力计算内容包括H型钢梁腹板受剪（常用规格H型钢梁可省略此步骤）、连接板受剪和梁腹板处摩擦螺栓受剪。梁端连接截面抗剪承载力FP为公式（4）、（5）、（6）确定的最小值。

式中：

Iw为梁腹板毛截面惯性矩，tw为腹板厚度，fvw为腹板抗剪强度设计值，Sw为腹板上半部分毛截面对中和轴的面积矩。

式中：

n为剪切截面处连接板数目，Il为单块连接板毛截面惯性矩，tl为连接板厚度，fvl为连接板抗剪强度设计值，Sl为单块连接板上半部分毛截面对中和轴的面积矩。

式中：

n为梁腹板处承受承受单向剪切力的摩擦螺栓数目，其余变量定义与公式（3）相同。

2.2 柱端连接截面抗弯抗剪承载力

如图2所示，柱与柱端板在工厂采用全焊透对接，柱与法兰盘连接时，柱先插入法兰盘上内嵌口，再用摩擦螺栓将柱端板与法兰盘端板锁紧。考虑安装精度，内嵌口外截面尺寸略小于柱内空心截面尺寸，故此处计算柱端连接截面抗弯、抗剪承载力时不考虑内嵌口的嵌固效应。柱端板上螺栓群承受拉剪或压剪作用，根据高强摩擦螺栓工作原理可知端板最边缘处承受拉剪作用的螺栓属危险部件，对连接截面抗弯剪能力起控制作用。最边缘处的单个摩擦螺栓承受的剪力Nv和拉力Nt应满足关系式（8）和（9）：

式中：

根据节点设计思想，单块柱端板上摩擦螺栓规格型号宜设置相同，可认为连接截面处总剪力FP由端板上n个螺栓平均分担。故柱端连接截面抗剪承载力为：

计算时认为端板发生线性形状变形，即端板上每个螺栓受到的拉力与螺栓中心到转动截面中性轴的距离成正比，则柱端连接截面抗弯承载力为：

式中：

n1为单块端板上抗拉螺栓数目，yi为第i个抗拉螺栓中心到转动截面中性轴的距离，y为最边缘处的螺栓中心到转动截面中性轴的距离。

3 结语

对新型模块化分层装配钢结构全螺栓节点构造进行设计说明，并提出节点在正常使用状态下的简易连接计算方法。但受力状态下节点法兰盘的传力路径和应力分布尚不明朗，节点的抗震性能和地震作用下动力响应并不清楚，故研究该节点力学性能的实验和有限元研究工作还有待于进一步开展。