【原】新型钢结构模块建筑的节点抗震措施研究

朱明之关于建筑 2021-07-06

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本文是昆士兰理工大学土木工程与建筑环境科学与工程学院博士论文？之所以用问号，是因为中间那句“按哲学博士学位要求而提交”……

摘要

模块化结构包括制造工厂控制的三维预制体积箱或模块，完全配备结构和建筑装饰，运输到工地，并将模块组装在一起，形成一个完整的结构。钢模块化建筑结构越来越多地被应用于各种建筑应用，尽管它们的施工方法相对较新，但比传统的建筑方法有很多好处。

传统的钢建筑和钢模块化建筑独特的结构细节，独特的模块化连接有许多内在的区别。在传统的框架建筑中，柱子在整个高度是连续的，而在模块化结构中，柱的连续性被没有结构框架容量的连接破坏。相邻的模块仅在其角落相互连接，因此是不连续的。由于模块采用覆层、饰面和内部配件制造，它们刚性和坚固，以防止运输和组装过程中损坏。然而，典型的模块间连接明显较弱、灵活，并表现出脆性机制，在风和地震施加的动态作用下，它们很容易受到焊接和/或螺栓故障的影响。因此，这些连接不能提供框架和隔膜抗风和地震载荷，模块化系统需要额外的现场横向负载系统，如核心筒。这样的系统不会纯粹是模块化的，模块化结构的好处被现场建造的核心筒所贬值，类似于传统建筑。现有的有限研究表明，在横向动态负载下，具有刚性不弯曲连接器的钢模块化建筑容易受到柱的破坏，从而导致结构的部分或完全倒塌。此外，设计标准没有提供评估未支撑（纯）模块化系统中模块间连接中隔膜作用的结构容量和完整性的标准。

为了解决这一缺点，本研究提出了一种新的钢模块间连接，有两种变化，并研究了如何安全、可靠和韧性动态性能解决方案可以通过一个完整的模块化框架系统，以抵抗地震行动。该连接是目前用于钢模块化建筑的标准螺栓-板式连接的发展。这种连接将使主要故障位置远离柱和梁等关键结构构件，并提供有效的抗震缓解措施。连接组件可以与模块一起在现场制造，现场用螺栓连接在一起，消除所有湿施工，如现场混凝土浇筑。最终，这将导致一个多层模块化建筑框架，将专门在现场制造，并作为一个完整的建筑框架，能够抵抗重力和横向荷载，无需辅助混凝土剪力墙或核心筒。

采用实验方法验证和观察了新提出的单调和动态横向负载下模块间连接的强度层次和预期延性失效模式的可行性。大量的数值研究与验证的有限元模型技术，补充和补充了实验研究，以研究所提出的连接在延性、失效模式和能量吸收方面的地震依赖性，并与目前在钢模块建筑中使用的标准模块间连接进行了比较。通过参数灵敏度分析，进一步研究了所提出的连接，以确定影响性能和故障机制的连接参数和特征。通过对中升模化框架的二维有限元建模，探讨了模块与连接器系统在完整空间框架中的交互性能。实验和数值研究都表明，所提出的模间连接在负载能力、能量耗散和延性等一系列响应参数方面表现出优越的动态性能。研究结果为分析和解决纯模块化结构要求的模块化间连接的设计提供了指导。假设的连接区域内的球性断裂模式可以观察到，没有关键的结构成分，如梁和柱，它们发生了过度的塑性变形。通过本研究产生的重要新信息将能够提高模块化结构在一般横向荷载和地震荷载下的动态响应和寿命安全性。

研究背景

模块化建筑与传统结构不同，“在施工行为、详细要求和施工方法方面”（Fathieh&Mercan，2014）。模块化结构的装配如图1-2所示。然而，由于缺乏专门针对模块化系统的独特结构细节的既定设计指南，它们继续按照可用的建筑标准进行设计，而它们没有考虑到模块化系统和传统结构之间固有的结构差异。因此，模块间连接目前是为重力载荷设计，并有望为按照现有标准设计的辅助抗剪系统的横向剪切和隔膜力提供有效的负载路径。然而，由于缺乏关于它们对动态动作的反应的知识，这些连接并不是被分析和设计来抵抗风和地震载荷的。动态（随时间变化）地震荷载影响结构的方式取决于地震诱发的地面振动特征以及包括结构固有频率、刚度和质量在内的固有结构特征（轴承，1996）。因此，模块化建筑不能用与传统建筑相同的方法进行设计、建造和分析。对其结构差异对其动态性能的影响的研究，在研究领域仍与模块化建筑对建筑领域一样相对较新。这导致设计师和建筑工程师不愿意让模块单独独立，大多数模块结构由横向抗负载系统组成，如现场钢筋混凝土/单片钢芯、裙房和支撑系统（劳森和理查兹，2010；Park&Ock，2015；Rammji&Memari，2013）。这使得这些建筑“纯粹”模块化（范斯沃斯，2014年）。

如果没有这些补充的现场系统，在纯模块化系统中，模块化框架中最脆弱的故障点将是模块间连接。虽然传统的整体钢结构具有高度的连接性，但模块化单元通常只连接在水平和垂直方向的其他角落，并且沿着结构界面的其余部分不连续（Annan等人，2009b；Lawson&Ogden，2008）。这一点如图 1-3所示。虽然单个模块在其箱状框架中具有较大的刚度和强度，以便在运输和装配过程中实现所需的鲁棒性，但相对较弱的模块间连接是整个结构系统完整性和鲁棒性的主要决定因素（Yu，2016）。由于模块之间的不连续，这些连接使单元可以相互独立地旋转和变形，从而对垂直和水平连接施加高应力，并增加层间漂移。这在地震事件中结合共振效应时被放大。在没有剪力墙或岩芯的模块化系统中，这些连接出现故障将产生部分灾难性后果或堆叠模块的完全崩溃。纯模块化系统的结构完整性（无剪力墙或岩芯的）需要确保模块之间的牢固连接，帮助在施加大时变载荷的地震期间保持结构稳定性（强生与马哈米德公司，2010）。

目前使用的传统焊接和/或螺栓和板连接并不满足模块化结构的独特结构特征。除此之外，大多数模块间连接都为结构提供了不足和有限的能量耗散能力。无法以韧性的方式变形导致不利的破坏机制，可能威胁整个结构。当前基于性能的建筑规范，如澳大利亚建筑规范国家建筑规范（2016），要求性能解决方案或被认为满足的解决方案来满足结构的性能要求（图1-4）。为了满足模块化结构中的横向荷载阻力方法，假设模块间连接能够将外部（风）和惯性（地震）力通过地板隔板传递到剪力墙。然而，设计标准并没有提供评估未支撑的模块化系统（纯）模块间连接中的结构容量和框架动作完整性的标准，该模块化系统可提供承矩能力、屈服后能量耗散和变形控制。

这些因素需要研究比一般传统连接更适合模块化结构系统的新型类型的连接。因此，本研究旨在通过减轻柱失效的不利影响，并将主要的失效位置（如果有）从柱转移到连接区域，为钢模块化建筑提供优异的抗震性能。本研究将研究非由剪力墙支撑的横向抗负载系统内模块间连接的性能要求。研究了这种连接的两种变化，以获得良好的动态性能，具有延展性失效，以防止连接系统内脆性机制的形成。

研究问题

模块化结构系统在地震易发地区非常脆弱，其可居住性值得怀疑。薄弱的模块间连接很弱，无法支持低高层结构，这降低了模块化结构的好处，如消除现场湿式施工和缩短施工时间。三维体积模块在现场外制造，带有覆层和内外饰面，按照搬运、运输和安装的要求，天生坚固和刚性，不会造成任何损坏。模块间连接通常由板、焊缝和螺栓组成，明显较弱，更灵活，并包含脆性失效机制，如早期焊接断裂和螺栓的剪切失效。因此，在没有补充的外部侧负载系统的情况下，组装的模块化系统的动态侧负载（如地震和风）性能依赖于模块间连接系统。此外，目前使用的连接并不是专门用于模块化框架的，并且不能经历韧性变形和耗散能量。这可能导致模块化框架的重要结构梁和柱具有关键失效点。因此，必须研究和预测模块间连接的行为和可靠性，并开发一种专门的连接，该连接将具有产生韧性失效机制和减轻钢模块化结构中地震诱发荷载所需的强度、稳健性和性能。当前的建筑规范不提供被认为满意的没有剪力墙或岩心的模块化系统抗侧荷载的方法。剪力墙等解决方案的设计假设模块间连接能够将横向荷载（如风和地震）传输到剪力墙。设计标准不提供评估未支撑系统中模块间连接能力的标准。此外，以往的研究也局限于中高层模块化结构和适合模块化建筑的简单和实用连接的创新。以往的模化框架有限元建模都使用简单的固定、固定或半刚性固定元素来大大简化并因此错误地估计连接行为。关于模块化系统的专门连接的研究直到现在才被曝光。目前的大多数研究都集中在使用简单的典型连接的模型（如上所述）模块化结构的地震性能，甚至更少关注模块间连接。这些因素构成了这项研究背后的动机。

目标和目标

本研究的目的是通过开发和应用可行的和强大的通用模块化间连接，为钢模块化建筑结构提供抗震缓解措施。这些连接将具有优越的强度和延性，以抵抗地震事件引起的动态侧力，可以方便地制造和安装。这些模块化间连接将导致多层建筑的模块化结构系统，该系统完全在现场制造，作为一个完整的模块化框架，能够抵抗重力和横向负载，而无需辅助的外部横向负载系统。

为此目的的目标是

 开发一个详细的8层模块化结构的有限元模型，以建立其预期的动态特征，并根据当前的实践量化非弹性需求和能力。

 通过对现有螺栓和板连接的详细三维数值分析，以及提出的模块化连接，评估模块间连接的性能特性，以获得和比较承载能力、能量消散性能和强度退化模式。

 对拟议连接件的样品进行了一系列的实验测试，以验证在单调和循环横向负载下的实际性能。

 通过参数研究和结构分析，开发和优化模块间连接，以研究安全性、性能和故障脆弱性。研究了其在通过非线性响应、力矩承载能力和强度退化来提高模块化框架的地震性能方面的应用。

本研究的意义

本研究的发现对能够满足快速经济建设需求的城乡发展具有重要意义。本研究研究了一种通过提高刚性模块框架中最弱环节的行为来减少动态载荷下模块化建筑临界响应参数不良影响的方法。加强模块间连接机制，以表现出预期的强度等级和韧性响应，将确保故障机制将偏离主要模块组件，并防止损坏过度的模块间漂移和冲击，从而导致结构的连接退化和倒塌。此外，可以消除补充的原位侧负载系统，如剪切芯和剪力墙，将导致无湿施工，减少项目时间表，并确保整个模块化系统可以由技术工人非现场制造钢铁和混凝土的技术。总的来说，这将导致模块化系统更广泛地接受作为传统和过时施工方法的潜在替代品，提高了生命安全和在动态负载下的优越性能。这项研究的发现也将增加在建筑规范中的模块化结构缺乏被认为可以满足的方法和性能解决方案。

本研究的贡献如下：

 通过消除外部横向抗负载系统（现场建造）的当前解决方案，开发纯模块化系统。

 创新的模块化间连接的开发和应用，这将能够为模块化建筑结构提供所需的延展性能量耗散机制。

 从研究所提议的连接的实际行为的实验研究中获得的新知识将是对关于专门的模块化连接器系统的稀缺文献的补充。

 在连接和模框架的有限元模型中使用的数值方法将帮助未来的研究人员对模框架进行类似的结构分析。

 所进行的参数灵敏度分析将产生关于连接优化的新信息，重点关注响应参数对拟议的模块间连接的几何和材料特性变化的敏感性。

 模块化框架内连接的详细建模将是对文献的贡献，因为在对完整框架的分析时，模块间连接通常被简化以节省计算。

适用范围和限制

本研究提出了一种新的通用模块间连接，用于预制模块结构，以提高其地震性能。本研究的贡献包括全面的实验和数值研究，通过优化提出的普遍连接，并研究其性能和故障机制的模块化系统。而三维和二维有限元建模技术都有应用于连接的研究，考虑了中升模框架的二维建模以提高计算效率。实验研究是在拟议的内部连接的一个对称部分上进行的，但它也可以代表一个与外部立面对齐的外部连接。从参数灵敏度分析中收集的性能指示数据可作为设计者的未来参考，如适用于模块间的连接，所应用的有限元建模技术可用于分析具有相同模块间连接的其他高度和类型的模块化框架。

论文大纲

本文的结构可以概述如下：

第一章介绍了研究的背景、问题陈述、目标目标、研究目的和意义、研究范围和局限性以及论文大纲。

第二章本章回顾了结构的一般振动特征，对模块化建筑结构的描述，重点是模块间连接，以及文献中模块化框架和模块化连接系统的数值和实验分析。这篇综述还确定了本研究中将解决的已发表文献中的空白。

第三章通过二维8层模框架的有限元分析，对模块框架的基本动态特性进行了初步研究。主要的分析是特征值分析，包括模式参与和推分析。本文还详细介绍了为验证所使用的建模技术而进行的两个验证。

第四章介绍了本研究中提出的两种新的模块化间连接，它们旨在通过增加能量耗散、延性和负载能力来提高模块化结构的动态性能。进行了广泛的参数研究，通过一个范围的结构和响应参数来识别连接性能。这也为试验研究的连接试样的设计奠定了基础。

第五章详细介绍了观察和量化横向单调和循环载荷下连接行为的实验研究方法。它包括所使用的试样、开发的测试矩阵、使用的仪器以及进行动态测试和材料测试所遵循的标准具体程序。

第六章介绍了实验研究的结果，该研究用于评估极限力矩、旋转性能、延性、刚度退化和能量耗散。讨论了两种新型模块间连接的机械性能的比较。

第七章着重介绍了用来模拟实验研究结果的有限元模型，以及详细的参数灵敏度分析，以探讨所述连接的各种几何和材料特性对其动态性能的影响。最终的结果是一个优化的通用模块间连接，然后输入到一个2d8层中升模块化框架的宏观有限元模型中，以进一步观察其对整体能量耗散、偏转形状、层间漂移和力矩容量的贡献。

第八章总结了本研究的主要研究成果、贡献和结论。文中还提出了对今后工作的建议。

研究成果总结

本研究对两个新提出的模块间连接(称为C1和C2)的动态性能进行了广泛的实验和数值研究，这些连接被用作钢模块化建筑系统中相邻模块之间的连接器，以增强它们的地震响应。根据这些连接的强度等级、球能性响应和能量耗散能力来评估这些连接的动态性能。本研究中引入的第一个模块间连接（称为C1）包括一个额外的钢板（除了传统螺栓柱连接的顶部柱板和底部柱板之间）。这三个板被垫圈隔开，形成一个空间，允许额外的钢板（称为 “连接板”）变形和旋转，从而增加了整体连接耗散的能量。该连接的另一种变化（称为C2）取代了垫圈产生的空间，如橡胶，橡胶能够提供进一步的阻尼和旋转能力。这两个连接都是目前用于模块化建筑组合中的典型螺栓和板式连接的标高，并表现出优越的动态响应，从而减轻了模块化框架的抗震作用。

利用ABAQUS和ANSYS等FE软件进行全面的初始数值建模为理解中升模框架的预期性能提供了基础，并研究了在横向单调、循环荷载下连接C1、C2 和传统螺栓连接(C3)的动态性能进行了比较。然后，为了进一步验证模块间连接的可行性和假设的失效机制，进行了实验研究，以确定影响性能和失效机制的参数和特征。这还提供了验证通过数值建模获得的结果所需的数据，并进行进一步的参数灵敏度分析，以揭示一系列参数，如最佳连接器板厚度、连接器板与相邻柱板之间的间距、弹性层厚度和弹性层材料特性优越的循环性能。然后将推荐的C1和C2连接纳入2d8层中层模块框架的宏观FE模型，研究非线性时间历史分析下全球位移峰值、加速度和层间漂移的全球地震响应。这能够预测模块的交互性能和完整模块系统中模块间连接的影响。

本研究的结果将通过消除当前现场建造的侧负载系统，使纯模块化结构成为可能。这项研究的发现为新的模块间连接的地震性能及其在中升钢模块化框架的抗震缓解中的应用提供了重要的新信息。本研究中开发的实验研究结果和数值模型增加了专业模块化连接器系统的新知识，并使这一领域的进一步研究成为可能。参数灵敏度分析产生了关于最佳连接设计的新信息。与当前文献中简化的模块间连接建模不同，模块化框架内的模块间连接建模，能够对不同地震记录的非线性时间历史分析下模块化帧的动态性能进行更准确的估计。总的来说，这些结果为纯模块化结构中的模块化间连接的设计提供了指导。

研究结论

本研究的新知识和关键成果总结如下：

中升模化的初步模态分析框架

 中升模块化框架分布在许多地震的谐振范围内，具有较宽的频率范围和高PGA值，连接灵活性和承载能力是影响模块化框架整体结构性能的主要因素。

对建议的模块间连接的初始动态分析

 钢连接器板厚度、弹性层厚度、重叠钢和弹性材料层的数量以及弹性材料的材料特性的变化都有利于C1和C2连接的连接性能，从而导致地震模块化建筑框架的性能。C1和C2连接比当前实践中用作模块间连接 (C3)的简单螺栓连接具有更大的延展性和耗能能力，因此是更优越的连接。

C1和C2连接的横向动态行为的实验研究

 从C1和C2型连接中获得的实验结果显示了在高地震区域（由结构建筑规范定义）所需的延展性、力矩容量和能量耗散。由于橡胶（弹性）层的附加贡献，C2连接通常具有优于C1的响应。

 在C1和C2型连接中观察到的两种主要故障模式是柱板的产生和塑性变形、连接板变形（主要是C1型连接）和极端曲率下的最终焊缝断裂。焊缝失效只能被视为最终失效，因为在此之前，在柱板中观察到显著的塑性变形。这表明，主要的失效模式是通过一种有利于脆性焊缝断裂的脆性屈服机制。在单调或循环荷载下，圆柱上没有观察到塑料铰链的形成。

 为单调测试系列获得的延展性系数表明，对于C1型连接，具有较厚的钢连接器板更有效，而对于具有较厚橡胶层的C2型连接，将提供更高的承载能力。骨架曲线表明，C2样本在比C1连接更大的旋转时表现出更高的极限矩。它们能够达到大于0.04弧度的旋转，而这些样品的正一化矩大于在0.04弧度下测量的最大值的80%，这证实了它们适用于高地震区域。

 每个样品耗散的迟滞能量随着每个旋转的增加而稳步增加，直到力矩容量因严重的焊接破坏和损坏累积而受到损害。QSC2-10与这两个一起9.5毫米厚的橡胶层显示了个人测量中最高的滞后循环和最高的累积能量从所有样本中耗散。

拟议连接件的参数灵敏度分析

 对拟议连接的参数灵敏度分析和与C3型连接的比较表明，总体来说，几乎所有考虑的C1和C2连接都能够显示出比参考C3连接更大的动态行为。

 连接板厚度的变化对C1连接性能的影响最大，连接板与相邻柱板之间空间变化的影响最小。

 在碳连接中，弹性层和连接器板厚度的变化都导致了响应参数的大百分比变化，如最大力矩容量、旋转容量和能量耗散。研究发现，将较厚的连接板与较薄的弹性层配对提供了碳型连接的横向动力性能。

 可以得出结论，15-25mm范围内的连接器板，弹性层厚度为10-15mm，杨氏模量约为60%的杨氏模量，可被认为是优异动态性能的最佳选择。

中高层模块化框架的性能评价

 由最优C2连接（带弹性层）组成的框架的全局漂移比、层间漂移和屋顶加速度比最优C1连接框架降低了更高的百分比。然而，与具有C3连接的框架相比，C1和C2框架都能够减轻诱导的地震响应。