一种新型基于U型螺栓的模块间连接的抗震性能：实验研究与有限元建模

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Seismic performance of a novel U-bolt–based inter-module connection: Experimental investigation and finite element modeling

模块化钢结构低层建筑U螺栓连接的抗震性能研究通过7次全尺度拟静力循环试验和有限元分析，提出了一种新型 envelope-compatible全螺栓连接方案，验证其相较于传统高强螺栓连接具有更高的峰值抗力和变形相容性，并分析连接位置对整体性能的影响，为模块化建筑抗震设计提供实验与理论依据。

　　

Xin Yan|Jingfeng Wang|Tianyang Hu|Zhengyuan Wu|Baochun Pan

摘要

模块间的连接在模块化钢结构建筑的抗震性能中起着关键作用。然而，现有的结构系统常常受到安装公差敏感性、复杂的多组件细节（导致成本增加）以及影响局部完整性的开口设计的挑战。为了解决这些问题，本研究提出了一种新型的全螺栓连接方式，该方式使用U型螺栓和钢板，适用于低层模块化建筑。通过综合实验和数值研究评估了这种连接的抗震性能。七个全尺寸试件在准静态循环载荷下进行了测试，以评估连接配置对滞回响应、强度、刚度退化、延性和能量耗散的影响。开发并验证了一个有限元（FE）模型来支持实验结果。结果表明，所提出的基于U型螺栓的连接方式提高了相邻柱子之间的变形适应性，并且在位移比超过1.0%时提供了比传统高强度螺栓连接更高的峰值抵抗力。将连接器放置在较低柱子的腹板或翼板上对整体强度和刚度的影响很小。上下柱子的螺栓约束增强了载荷路径的冗余性和变形能力，尽管它们在滞回环中引入了不对称性。本研究为所提出的模块间连接的设计和抗震实施提供了可靠的实验和分析基础。

引言

模块化钢结构（MSC）是一种工业化建筑方法，其中三维体积型钢模块作为独立的空间单元在工厂预制，然后在现场组装成整体建筑系统[1]，[2]，如图1所示。基于工厂的生产使得MSC能够集成结构构件、机械系统、电气系统和管道系统以及室内装饰，同时提高了质量控制和尺寸精度，减少了现场劳动力需求、施工时间和环境干扰[1]，[2]。这些优势使得MSC特别适用于具有重复布局的建筑（例如公寓、学生宿舍和酒店），尤其是在场地物流和噪音控制至关重要的密集城市环境中[1]，[3]，[4]。

尽管模块制造技术已经成熟，但MSC建筑的整体侧向响应（如刚度、强度和位移需求）仍受到模块间连接机械性能的强烈影响，特别是它们的刚度、强度和滑动特性[3]，[4]，[5]，[6]。与传统的梁-柱接头不同，模块间连接需要平衡多个（通常是相互竞争的）要求，包括：(a) 可靠的力传递和抗震性能；(b) 吊装和定位过程中的公差适应性；(c) 安装螺栓、检查和验证螺栓紧固的通道；以及(d) 与预安装的楼板和建筑外壳层（隔热和防水）的兼容性[5]，[6]。实际上，即使结构效率高的细节，如果需要通过已完成楼层或墙壁开设大型开口，或者需要进行大量现场焊接，也可能不切实际，因为这些操作会破坏工厂完成的层并减慢施工速度[4]，[5]，[6]。

模块化钢结构中的模块间连接已经通过实验和数值研究得到了广泛研究；文献中报道的代表性连接概念总结在图2中。现有研究通常根据连接方式、载荷传递机制和可施工性对模块间连接进行分类[2]，[5]，[6]，[7]。焊接密集型或加固型解决方案可以提供高刚度和高强度；然而，它们通常依赖于现场操作（例如现场焊接、现场加固或加固以及后续检查），这增加了现场的工作量和质量控制要求[5]，[6]。对模块化支撑框架的系统级测试进一步强调了现场密集型细节的可施工性和性能影响[8]。为了提高可施工性并减少对现场焊接的依赖，已经开发了许多螺栓型模块间连接方式，包括梁对梁的连接方案和旨在便于在受限区域组装的内部连接布局[9]，[10]，[11]，[12]。这些研究还表明，局部加强措施（例如加固件或钢板）可以提高刚度和抵抗力，而循环响应仍然受细节选择、力传递路径和主导损伤模式的影响。为了进一步提高安装效率和可拆卸性，已经研究了预应力或预加载的概念，重点在于剪切传递机制及其相关的滞回响应[13]，[14]，[15]，[16]。同时，也提出了机械对接方法——如插件/自锁装置和套管/灌浆系统——以简化模块之间的接合；然而，先前的研究表明，它们的性能可能受装配精度和现场执行的影响（例如灌浆和固化程序以及施工公差管理），这可能会影响模块接合的可重复性和实际中的力传递可靠性[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。最近，还探索了增强公差的模块间连接方式（例如互锁细节、双槽/超大孔策略和垂直非约束布置），以在保持可控滑动和可靠力传递的同时放宽对对准的要求[26]，[27]，[28]。此外，还报道了结合额外阻尼组件的混合模块间连接（例如SMA和高阻尼橡胶），这些连接方式通常以增加额外组件和细节要求为代价来提高能量耗散[29]，[30]。

尽管上述研究推进了MSC连接技术，但在考虑安装公差、制造经济性和外壳完整性时，仍然存在一些反复出现的限制：

(1)

在安装公差下的对准敏感性。依赖于隐蔽接合界面的连接通常需要相对较高的定位精度，以确保在吊装偏差和累积公差下螺栓孔的对准[21]，[22]，[24]，[25]。基于套管/灌浆的组装也可能对定位和现场执行敏感，这会增加现场调整的工作量和施工不确定性[20]，[23]。这种敏感性增加了安装难度，并可能降低施工效率和重复性。

(2)

组件复杂性和制造成本增加。多组件机制——例如带有专用接头盒和内部锁定组件的插入式自锁接头[21]，或需要套管、灌浆和剪切传递细节的灌浆套管系统[20]，[23]——可能提供良好的结构性能，但会增加制造复杂性、物流负担和施工成本，从而降低与大规模标准化生产的兼容性[1]，[2]。

(3)

侵入性的开口和局部截面削弱。某些布局需要在模块角或连接区域附近开设大型开口、长槽孔或局部扩大的开口，以便于安装或适应公差，这可能会降低局部刚度和强度，并使细节设计复杂化[26]，[27]，[28]。此外，耗能型混合连接器可能需要额外的安装空间和局部细节修改[29]，[30]。因此，保持主梁-柱构件的连续性和完整性有助于在循环载荷下实现稳定的刚度退化和更可预测的损伤模式。

为了解决这些限制，本研究提出了由王教授领导的研究小组开发的一种基于U型螺栓的模块间连接方式。该连接方式被设计为部分强度细节，优先考虑可施工性和功能层的保护，并提供了相邻模块之间的直接载荷传递路径。与传统的高强度螺栓连接相比，预计它可以提高相邻柱子之间的变形适应性并增强载荷路径的连续性。该连接方式主要用于低层模块化钢结构建筑（例如2-3层），在这些建筑中不需要全强度的抗弯连续性。受到在中国安徽低层住宅项目中的试点应用的启发（图1），本研究进行了七次全尺寸准静态循环测试，以表征其循环行为并确定适用的性能范围，包括滞回响应、承载能力、刚度退化、延性、能量耗散、应变发展和变形模式。然后开发了一个有限元（FE）模型，并根据测试结果进行了验证，以明确力传递机制、损伤演变和主导失效模式，从而为基于力学的设计和细节优化提供了基础。

部分内容

试件设计

本研究考虑的模块化钢结构系统由多个三维预制体积型钢模块组成。每个模块在工厂制造，在运输前完成结构焊接和组装，以及内部装饰和外部立面准备。为了实现快速现场安装并保持立面连续性，外部覆层系统被设计为分段面板；模块间的

材料属性

所有试件均采用Q355B结构钢制造。为了确定关键机械性能，进行了单轴拉伸试验，以获得屈服强度（f_y）、极限强度（f_u）、弹性模量（E）和断裂伸长率（δ）。这些性能用于验证是否符合相关标准，并为后续的FE建模提供依据。

根据GB/T中规定的程序，从用于试件制造的相同钢材批次中提取了拉伸试样

实验观察和失效模式

在循环载荷下，试件表现出大致一致的损伤进展模式。首先在相邻模块柱子之间的连接区域附近的柱壁发生局部屈曲，并随着横向位移的增加而加剧，通常伴随着局部涂层剥离。随着位移的增加，在横向载荷下观察到上下模块柱子之间的显著水平相对位移，同时还有额外的局部屈曲

滞回性能

图10展示了所有试件在循环载荷下的滞回曲线。总体而言，滞回环呈纺锤形，表明循环响应稳定并且具有一定的能量耗散能力。然而，环的形状、对称性、强度退化和变形能力随连接配置而变化。一般来说，使用U型螺栓连接的试件显示出更高的峰值抵抗力和更好的变形能力

有限元分析

为了研究所提出的模块间连接的机械性能和载荷传递机制，在ABAQUS中开发了六个详细的三维FE模型（图18）。模型几何形状、边界条件和加载协议与测试试件一致。高强度螺栓被简化为一个包含杆身、头部和螺母的集成固体组件。钢材采用各向同性的双线性弹塑性本构律进行建模

结论

本研究提出了一种新型的、适用于外壳的全螺栓模块间连接方式，使用U型螺栓和钢板，适用于低层模块化钢结构，并通过七次全尺寸准静态循环测试对其循环性能进行了评估，同时结合了经过验证的FE模拟。测试了一个焊接参考试件（S0）和六个不同柱连接配置的螺栓试件（S1–S6），以量化滞回响应、强度和刚度退化、延性等性能

CRediT作者贡献声明

Zhengyuan Wu：可视化。Baochun Pan：资源。Jingfeng Wang：写作——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。Tianyang Hu：软件、调查、正式分析。Xin Yan：写作——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、调查、资金获取

未引用参考文献

[17]，[18]，[19]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（资助编号：52278170）、中国博士后科学基金会-安徽联合支持项目（资助编号：2024T018AH）、中国博士后科学基金会（资助编号：2025M773287）、CPSF博士后奖学金计划（资助编号：GZB20250759）以及安徽博士后科学研究计划基金会（资助编号：2025A1030）提供的财务支持。任何观点、发现和结论