模塊化鋼結(jié)構(gòu)全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)軸心受力性能研究一、引言模塊化建筑作為一種高度裝配化的新興建筑形式，憑借施工高效、質(zhì)量精良、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在建筑領(lǐng)域中愈發(fā)受到重視。在模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系里，模塊間連接節(jié)點(diǎn)的性能對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的完整性、可靠性及安全性起著決定性作用。因此，開(kāi)發(fā)具備強(qiáng)度高、傳力穩(wěn)定、整體性強(qiáng)且便于施工等特性的連接節(jié)點(diǎn)，成為推動(dòng)模塊化建筑廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)作為模塊化鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)新形式，在施工過(guò)程中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，如簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程、大幅縮短施工周期等。軸心受力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本受力形式，深入研究全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)的軸心受力性能，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估模塊化鋼結(jié)構(gòu)的承載能力、優(yōu)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及保障結(jié)構(gòu)安全具有至關(guān)重要的意義。二、模塊化鋼結(jié)構(gòu)全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)概述2.1節(jié)點(diǎn)構(gòu)造模塊化鋼結(jié)構(gòu)全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式多樣，但其核心設(shè)計(jì)理念是實(shí)現(xiàn)模塊單元的便捷裝配與可靠連接。常見(jiàn)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造包含模塊柱、模塊梁以及用于連接二者的連接件。模塊柱多采用箱型截面方鋼管柱，這類柱型具備較高的承載力與抗扭剛度；模塊梁常選用側(cè)向剛度大、抗彎能力強(qiáng)的工字型截面或槽型截面梁。在連接方式上，通過(guò)特定設(shè)計(jì)的連接件，如十字型插銷連接件、T型連接件等，配合高強(qiáng)螺栓及蓋板，完成模塊單元間在水平和垂直方向的連接。以一種典型的全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)為例，其模塊梁柱之間采用T型件螺栓連接替代傳統(tǒng)焊接連接，在T型連接件腹板上設(shè)置長(zhǎng)槽孔，并在其與模塊梁外翼緣之間增設(shè)金屬摩擦板，高強(qiáng)螺栓依次穿過(guò)T型連接件、金屬摩擦板、模塊梁外翼緣及模塊柱腹板上預(yù)留的螺栓孔，實(shí)現(xiàn)可靠連接。這種構(gòu)造不僅改善了結(jié)構(gòu)延性，避免脆性失效，還能通過(guò)各組件間的摩擦耗散能量，提升節(jié)點(diǎn)的抗震性能。2.2工作原理當(dāng)節(jié)點(diǎn)承受軸心荷載時(shí)，荷載通過(guò)模塊梁傳遞至連接件，再由連接件傳遞給模塊柱。在這個(gè)過(guò)程中，連接件與模塊梁柱之間的連接部位承受主要的作用力，通過(guò)高強(qiáng)螺栓的緊固力以及各組件之間的摩擦力，保證節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)同工作，共同抵抗軸心荷載。例如，在上述帶有T型連接件和金屬摩擦板的節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)外部作用力較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)各組件通過(guò)高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力緊密連接，共同承受軸心荷載，變形處于彈性階段。隨著荷載增大，當(dāng)外部作用力超過(guò)T型連接件和金屬摩擦板之間的初始靜摩擦力時(shí)，金屬摩擦板與模塊梁外翼緣之間開(kāi)始發(fā)生有限滑移，各組件接觸面之間相互摩擦耗散能量，調(diào)整高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力可改變初始摩擦水平，從而適應(yīng)不同的受力工況。三、軸心受力性能理論分析3.1軸心受壓性能分析3.1.1受力模型建立以典型的模塊化鋼結(jié)構(gòu)全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，建立軸心受壓受力模型。在模型中，假設(shè)模塊柱兩端為鉸接，模塊梁端部保持懸臂狀態(tài)，模塊梁柱之間通過(guò)連接件協(xié)同受力?？紤]模塊柱、模塊梁以及連接件的材料特性和幾何尺寸，將節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為一個(gè)由多個(gè)桿件組成的受力體系。3.1.2承載力計(jì)算根據(jù)材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，軸心受壓節(jié)點(diǎn)的承載力主要取決于模塊柱的抗壓能力、連接件的強(qiáng)度以及節(jié)點(diǎn)連接的可靠性。對(duì)于模塊柱，其抗壓承載力可通過(guò)公式N_{c}=f_{c}A_{c}計(jì)算，其中N_{c}為模塊柱的抗壓承載力，f_{c}為模塊柱材料的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，A_{c}為模塊柱的截面面積。連接件的承載力需考慮其自身的強(qiáng)度以及與模塊梁柱連接的有效性。以T型連接件為例，其在軸心受壓狀態(tài)下，需滿足剪切強(qiáng)度和承壓強(qiáng)度要求。通過(guò)對(duì)連接件的受力分析，建立相應(yīng)的強(qiáng)度計(jì)算公式，確保連接件在傳遞軸心壓力時(shí)不發(fā)生破壞。3.2軸心受拉性能分析3.2.1受力模型建立在軸心受拉工況下，同樣以典型節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)建立受力模型。與軸心受壓模型類似，模塊柱兩端鉸接，模塊梁端部懸臂，但此時(shí)節(jié)點(diǎn)主要承受拉力作用。在模型中，考慮模塊梁受拉產(chǎn)生的變形以及連接件在傳遞拉力過(guò)程中的力學(xué)行為。3.2.2承載力計(jì)算軸心受拉節(jié)點(diǎn)的承載力主要由模塊梁的抗拉能力和連接件的抗拉強(qiáng)度決定。模塊梁的抗拉承載力計(jì)算公式為N_{t}=f_{t}A_{t}，其中N_{t}為模塊梁的抗拉承載力，f_{t}為模塊梁材料的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，A_{t}為模塊梁的有效受拉截面面積。對(duì)于連接件，在軸心受拉狀態(tài)下，需重點(diǎn)考慮其與模塊梁柱連接部位的抗拉強(qiáng)度。例如，高強(qiáng)螺栓在受拉時(shí)需滿足螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值要求，同時(shí)要確保連接件與模塊梁柱之間的連接不會(huì)因受拉而失效。通過(guò)合理設(shè)計(jì)連接件的尺寸和連接方式，保證節(jié)點(diǎn)在軸心受拉荷載作用下的可靠性。四、軸心受力性能試驗(yàn)研究4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)4.1.1試件設(shè)計(jì)為了準(zhǔn)確研究模塊化鋼結(jié)構(gòu)全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)的軸心受力性能，設(shè)計(jì)并制作多個(gè)節(jié)點(diǎn)試件。試件的設(shè)計(jì)依據(jù)理論分析結(jié)果，模擬實(shí)際工程中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和受力情況。在試件制作過(guò)程中，嚴(yán)格控制材料質(zhì)量和加工精度，確保試件能夠真實(shí)反映節(jié)點(diǎn)的性能。例如，制作軸心受壓試件時(shí)，選取合適規(guī)格的箱型截面方鋼管柱和工字型截面梁，按照設(shè)計(jì)要求安裝T型連接件、金屬摩擦板及高強(qiáng)螺栓。對(duì)于軸心受拉試件，同樣精心選材并保證連接部位的制作質(zhì)量。每個(gè)試件均設(shè)置相應(yīng)的測(cè)量控制點(diǎn)，用于測(cè)量在加載過(guò)程中的變形和應(yīng)力。4.1.2加載方案采用分級(jí)加載制度對(duì)試件進(jìn)行加載。在軸心受壓試驗(yàn)中，首先對(duì)高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力，然后以0.2軸壓比對(duì)柱端施加軸向壓力，并在整個(gè)加載過(guò)程中保持恒定。之后，逐步增加軸向壓力，記錄每級(jí)荷載下試件的變形和應(yīng)力情況，直至試件破壞。在軸心受拉試驗(yàn)中，先對(duì)連接部位進(jìn)行初始緊固，然后通過(guò)施加拉力荷載，以一定的增量逐級(jí)加載，觀察試件在受拉過(guò)程中的變形發(fā)展、連接件的工作狀態(tài)以及最終的破壞模式，同時(shí)記錄各級(jí)荷載下的相關(guān)數(shù)據(jù)。4.2試驗(yàn)結(jié)果與分析4.2.1軸心受壓試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)軸心受壓試驗(yàn)，得到節(jié)點(diǎn)在不同荷載階段的變形數(shù)據(jù)和破壞模式。試驗(yàn)結(jié)果表明，在加載初期，節(jié)點(diǎn)變形處于彈性階段，變形量較小且與荷載呈線性關(guān)系。隨著荷載逐漸增加，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)非線性變形，T型連接件與金屬摩擦板之間的摩擦作用逐漸顯現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)的耗能能力增強(qiáng)。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，模塊柱開(kāi)始出現(xiàn)局部屈曲，最終導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)喪失承載能力。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)的軸心受壓承載力與理論計(jì)算值較為接近，驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性。同時(shí)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)變形和應(yīng)力分布的觀察，深入了解了節(jié)點(diǎn)在軸心受壓狀態(tài)下的力學(xué)行為。4.2.2軸心受拉試驗(yàn)結(jié)果軸心受拉試驗(yàn)結(jié)果顯示，在加載初期，節(jié)點(diǎn)各組件協(xié)同工作，拉力通過(guò)連接件有效傳遞給模塊柱。隨著拉力增大，首先在連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)拉力達(dá)到一定值時(shí)，高強(qiáng)螺栓開(kāi)始出現(xiàn)拉伸變形，部分連接部位的摩擦界面出現(xiàn)滑移。最終，當(dāng)拉力超過(guò)節(jié)點(diǎn)的抗拉承載能力時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞，破壞形式主要表現(xiàn)為連接件與模塊梁柱連接部位的撕裂或螺栓的拉斷。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的抗拉承載力，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了軸心受拉性能理論分析的正確性。五、影響軸心受力性能的因素分析5.1節(jié)點(diǎn)構(gòu)造因素節(jié)點(diǎn)構(gòu)造對(duì)軸心受力性能有著顯著影響。例如，連接件的形式和尺寸直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)的傳力路徑和承載能力。采用T型連接件的節(jié)點(diǎn)，其翼緣板厚度和腹板尺寸會(huì)影響連接件自身的強(qiáng)度以及與模塊梁柱的連接剛度。合理增加T型連接件翼緣板厚度，可提高節(jié)點(diǎn)在軸心受壓和受拉狀態(tài)下的承載能力。此外，連接螺栓的布置方式和預(yù)緊力大小也會(huì)影響節(jié)點(diǎn)性能。適當(dāng)增加螺栓數(shù)量或提高螺栓預(yù)緊力，能夠增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)各組件之間的連接緊密性，從而提升節(jié)點(diǎn)的軸心受力性能。5.2材料性能因素模塊柱、模塊梁以及連接件所采用材料的性能是影響節(jié)點(diǎn)軸心受力性能的關(guān)鍵因素之一。材料的強(qiáng)度等級(jí)、彈性模量等參數(shù)直接決定了節(jié)點(diǎn)在受力過(guò)程中的變形和承載能力。例如，選用高強(qiáng)度鋼材制作模塊柱和模塊梁，可顯著提高節(jié)點(diǎn)的軸心受壓和受拉承載力。對(duì)于連接件，采用高強(qiáng)度、高韌性的材料，能夠保證其在復(fù)雜受力情況下不發(fā)生過(guò)早破壞，從而確保節(jié)點(diǎn)的可靠性。同時(shí)，材料的本構(gòu)關(guān)系也會(huì)影響節(jié)點(diǎn)在受力過(guò)程中的力學(xué)行為，準(zhǔn)確掌握材料的力學(xué)性能對(duì)于節(jié)點(diǎn)性能分析至關(guān)重要。5.3施工質(zhì)量因素施工質(zhì)量對(duì)模塊化鋼結(jié)構(gòu)全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)的軸心受力性能同樣不容忽視。在節(jié)點(diǎn)安裝過(guò)程中，若螺栓緊固不達(dá)標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)連接松動(dòng)，在軸心受力時(shí)各組件無(wú)法協(xié)同工作，從而降低節(jié)點(diǎn)的承載能力。此外，模塊梁柱的拼接精度、連接件的安裝位置偏差等施工質(zhì)量問(wèn)題，都可能改變節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)，使節(jié)點(diǎn)在軸心荷載作用下出現(xiàn)應(yīng)力集中或局部變形過(guò)大等情況，進(jìn)而影響節(jié)點(diǎn)的整體性能。因此，加強(qiáng)施工過(guò)程中的質(zhì)量控制，對(duì)于保障節(jié)點(diǎn)軸心受力性能具有重要意義。六、結(jié)論與展望6.1研究結(jié)論通過(guò)對(duì)模塊化鋼結(jié)構(gòu)全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)軸心受力性能的理論分析、試驗(yàn)研究以及影響因素分析，得出以下主要結(jié)論：建立的軸心受壓和軸心受拉理論模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)的承載能力，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了理論分析方法的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明，全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)在軸心受壓和軸心受拉狀態(tài)下均具有一定的承載能力和變形性能。在軸心受壓時(shí)，節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷彈性變形、非線性變形直至局部屈曲破壞；在軸心受拉時(shí)，節(jié)點(diǎn)從彈性階段逐漸發(fā)展到連接部位的破壞。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、材料性能和施工質(zhì)量是影響節(jié)點(diǎn)軸心受力性能的主要因素。合理設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、選用優(yōu)質(zhì)材料以及嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，能夠有效提升節(jié)點(diǎn)的軸心受力性能，確保模塊化鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠。6.2研究展望盡管本研究在模塊化鋼結(jié)構(gòu)全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)軸心受力性能方面取得了一定成果，但仍有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步深入研究。未來(lái)的研究可從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，開(kāi)發(fā)更加高效、可靠的連接方式，提高節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜受力工況下的性能，拓展模塊化鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。開(kāi)展不同材料組合和新型材料在全裝配可吊裝節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用研