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模块化钢框架模块间内套筒连接节点抗震性能及受力机理分析

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钢结构(中英文) 2024年

作者：许晓潇王燕安琦青岛理工大学土木工程学院

为研究模块化钢框架模块间内套筒连接节点的抗震性能和受力机理，基于内套筒连接节点抗震性能试验研究，建立了与试验节点试件相同尺寸和荷载工况的有限元分析模型，验证了有限元模型的有效性。通过改变节点构造参数，研究了内套筒长度... 详细信息

为研究模块化钢框架模块间内套筒连接节点的抗震性能和受力机理，基于内套筒连接节点抗震性能试验研究，建立了与试验节点试件相同尺寸和荷载工况的有限元分析模型，验证了有限元模型的有效性。通过改变节点构造参数，研究了内套筒长度、内套筒高度以及柱内隔板对节点抗震性能影响；推导了考虑轴向压力作用下内套筒与柱壁之间的接触力计算公式，并与有限元计算结果对比验证，验证了接触力理论计算公式的有效性。研究结果表明，建立的有限元模型能够有效模拟内套筒连接节点的工作状态和极限承载力；内套筒连接节点具有较好的抗震性能，且通过合理构造可改善节点受力状态，促使梁端塑性铰外移实现节点的延性破坏；增加内套筒厚度和内套筒长度对节点承载能力影响不明显；设置内隔板可显著提升节点承载能力及耗能能力；钢管柱弯曲变形与内套筒产生的接触力使柱截面在原有荷载状态下的应力有所增大并产生局部应力集中现象，设计中应考虑其不利影响。

关键词：模块化钢框架模块间连接节点内套筒接触力

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足尺柱承重模块化钢框架稳定承载力试验研究

同济大学学报（自然科学版） 2023年第3期51卷 375-384页

作者：曹轲翟思源李国强王卫永吕一凡陈琛重庆大学管理科学与房地产学院重庆400044 重庆大学土木工程学院重庆400044 同济大学土木工程学院上海200092 新加坡国立大学土木与环境工程系新加坡119077

为研究竖向荷载作用下柱承重模块化钢框架的受力性能、破坏机理及模块间节点对结构整体受力性能的影响,进行了模块间节点静力受弯试验与足尺2层单跨模块化钢框架竖向静力加载试验,分别得到模块间节点的刚度属性及模块化钢框架的整体稳... 详细信息

为研究竖向荷载作用下柱承重模块化钢框架的受力性能、破坏机理及模块间节点对结构整体受力性能的影响,进行了模块间节点静力受弯试验与足尺2层单跨模块化钢框架竖向静力加载试验,分别得到模块间节点的刚度属性及模块化钢框架的整体稳定承载力与破坏模式。最后,考察了模块间节点对模块化钢框架结构整体性能的影响,并验证了结构稳定承载力理论计算模型与数值分析模型。结果表明:模块间节点的半刚性属性对模块化钢框架的稳定承载力影响较大,设计时应加以考虑;竖向荷载作用下模块化钢框架破坏模式为上下层模块角柱整体失稳;子结构模型能够较好地计算柱承重模块化钢框架的整体稳定承载力。

关键词：结构工程半刚性节点模块化钢框架足尺静载试验子结构模型

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模块化钢框架变摩擦摆隔震结构抗震性能研究

建筑结构学报 2021年第11期42卷 1-12页

作者：尚继英谭平张亚飞戴淑丹李一明广州大学土木工程学院广东广州510006 广州大学工程抗震减震与结构安全教育部重点实验室广东广州510405 广州大学广东省地震工程与应用技术重点实验室广东广州510405 广州建筑湾区智造科技有限公司广东广州510730 广州建筑产业研究院有限公司广东广州510630

模块化建筑具有整体装配率高,施工绿色环保、高效等优点,然而其抗震性能相对较差,震后修复成本高。将隔震技术应用到模块化建筑中,可在不改动上部结构的前提下,改善其整体抗震能力。相比传统橡胶隔震技术,摩擦摆隔震技术具有承载力大、... 详细信息

模块化建筑具有整体装配率高,施工绿色环保、高效等优点,然而其抗震性能相对较差,震后修复成本高。将隔震技术应用到模块化建筑中,可在不改动上部结构的前提下,改善其整体抗震能力。相比传统橡胶隔震技术,摩擦摆隔震技术具有承载力大、工业化程度高、湿作业少等优势。为此,研发了一种自适应变摩擦摆隔震支座,分析了该支座力学特性,确定其有限元模拟方法。对变摩擦摆隔震支座进行不同工况下剪切性能试验,试验和有限元模拟结果相对误差均在10%以内,验证了有限元模拟方法的正确性。基于GB/T 51408—2021《建筑隔震设计标准》提出模块化钢框架变摩擦摆隔震结构一体化直接设计方法,以实际工程为背景,设计模块化钢框架摩擦摆和变摩擦摆隔震结构,并对非隔震结构和隔震结构的抗震性能进行对比分析。研究表明:相比摩擦摆隔震支座,所提出变摩擦方式可实现支座等效刚度增加11%左右,等效阻尼比增加18%左右;相比摩擦摆支座隔震结构,变摩擦摆支座隔震结构的楼板加速度、层间位移角、层间剪力和上部结构损伤程度略有增加,但隔震层位移明显减小,且这种特性随地震动强度的增加而愈明显,体现了变摩擦摆支座的自适应性。

关键词：模块化钢框架变摩擦摆隔震支座受剪试验一体化直接设计法抗震性能

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基于多尺度有限元模块化钢框架力学性能研究

基于多尺度有限元模块化钢框架力学性能研究

作者：马俊青岛理工大学

学位级别：硕士

装配式模块化钢结构建筑具有施工效率高、施工周期短、工厂化预制程度高、绿色环保等显著优点。我国大力倡导建筑工业化发展,针对装配式模块化钢结构的研究也迅速发展成为一个前沿的研究领域。装配式模块化钢结构是一种广泛应用的装配... 详细信息

装配式模块化钢结构建筑具有施工效率高、施工周期短、工厂化预制程度高、绿色环保等显著优点。我国大力倡导建筑工业化发展,针对装配式模块化钢结构的研究也迅速发展成为一个前沿的研究领域。装配式模块化钢结构是一种广泛应用的装配式结构体系,目前国内对于装配式模块化钢结构的研究主要集中在模块间节点连接处。模块间节点作为模块化结构体系的重要组成部分,其连接的可靠性是决定模块化整体结构受力性能的关键因素。而在工程设计中通常忽略模块间节点的构造细节,将其简化为刚接或者铰接,这样做可能会导致整体结构进行计算分析过程中无法真实反映其力学性能。虽然全部采用实体单元建模可以更准确地反映模块化整体结构的力学性能,但这种建模方法计算效率低,需要大量的计算机资源。因此本文采用多尺度建模分析方法对模块化钢框架结构进行了静、动力分析,探讨了计算分析方法及节点构造类型差异对模块化钢框架结构力学性能的影响。主要研究内容如下:(1)基于板式内套筒节点为研究对象,根据模块化建筑结构节点的实际构造建立多尺度、实体单元和梁单元模型,通过对比3种计算模型的荷载-位移曲线以及节点应力分布情况可知,多尺度与实体单元模型的应力分布情况及最大应力基本吻合,且二者的荷载-位移曲线趋势基本一致,验证了多尺度模型的可靠性。(2)采用有限元软件ABAQUS建立多尺度平面钢框架模型进行静力分析,并与实体单元、梁单元模型进行对比,得到3种计算模型下的模块梁、柱内力。计算结果表明:梁单元模型的计算结果具有较大的离散性,计算结果不稳定。相较于梁单元模型,多尺度模型的计算结果离散性较小,计算结果趋于稳定,且多尺度与实体单元模型的模块梁、柱内力差异较小,绝大部分误差都小于2%,说明二者具有相当的计算精度。此外,相比实体单元模型,多尺度模型的计算效率提升约40%。(3)基于6层装配式模块化住宅楼分别建立多尺度和梁单元模型进行罕遇地震下的动力时程分析,探讨了多尺度与梁单元模型的动力响应随着楼层变化的规律,得到不同楼层下多尺度和梁单元模型的顶层位移、楼层位移及层间位移角。研究表明:模块化结构层数在10层及以下时,梁单元与多尺度模型的差异较小,两种模型对于模块化结构薄弱层所在位置的预测均相同,但梁单元模型的计算结果不够稳定;当模块化结构层数超过10层时,梁单元模型的计算精度大幅度降低,而多尺度模型的计算精度呈稳定趋势。(4)在ABAQUS有限元软件中分别建立带有内套筒连接节点、单向螺栓连接节点、角件旋转式连接节点的模块化平面钢框架模型,分别对3种模型进行模态分析和动力弹塑性时程分析。研究结果表明:模块间节点的构造类型差异对模块结构的自振周期影响较小,且对模块结构的振型没有明显影响,但对于模块结构在罕遇地震下的动力响应具有较大影响,不同节点构造类型的模块结构动力响应差异最大为33.29%;相较于MGKJ-TT模型,罕遇地震作用下MGKJ-LS与MGKJ-XZ模型的层间位移角均超过了“中等破坏”限值,建议在工程设计时对该结构的层间刚度进行加强,提高结构的抗震性能。

关键词：板式内套筒节点模块化钢框架多尺度模型抗震性能模块间节点构造

模块化钢框架单元新型盒式连接节点及其设计方法

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土木与环境工程学报（中英文） 2021年第3期43卷 37-43页

作者：秦佳俊谭平尚继英李一明戴淑丹广州大学工程抗震研究中心广东省地震工程与应用技术重点实验室工程抗震减震与结构安全教育部重点实验室广州510405 广州建筑产业研究院有限公司广州510405

提出一种模块化钢框架单元(以下简称“模块单元”)的连接方法,采用盒式连接组件(BCC-1和BCC-2)、连接板即可实现2、4、8个模块单元的全螺栓连接。分析节点的受力机理,并基于中国规范给出模块单元新型盒式连接节点(以下简称:“盒式节点”... 详细信息

提出一种模块化钢框架单元(以下简称“模块单元”)的连接方法,采用盒式连接组件(BCC-1和BCC-2)、连接板即可实现2、4、8个模块单元的全螺栓连接。分析节点的受力机理,并基于中国规范给出模块单元新型盒式连接节点(以下简称:“盒式节点”)的设计流程和设计方法。以某11层模块化钢框架办公楼为例,分别对一角节点和边节点进行设计,并采用有限元软件Abaqus对节点进行循环往复加载,以验证节点的抗震性能。结果表明:角节点、边节点的塑性铰均先在BCC-1、BCC-2腹板上形成,可以在震后快速更换BCC-1、BCC-2,以恢复节点使用功能;角节点和边节点均符合ANSI/AISC 360-10规范对半刚性节点的要求,且节点滞回曲线均饱满,抗震性能好;节点极限抗弯承载力预测值与有限元结果的比值均大于90%,说明盒式节点构造、设计理念以及提出的连接设计方法合理。

关键词：模块化钢框架盒式连接节点节点刚度抗震性能设计方法

新型模块化钢框架板式内套筒连接节点力学性能研究

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钢结构 2018年第1期33卷 1-5,10页

作者：刘明扬王燕郏书朔青岛理工大学土木工程学院山东青岛266033

采用ABAQUS有限元分析软件建立7个新型模块化钢框架板式内套筒连接节点有限元计算模型,通过改变连接板和内套筒厚度,对节点试件关键位置应力路径进行分析。研究结果表明:模块化钢框架板式内套筒连接节点在静力荷载作用下钢梁与方钢管柱... 详细信息

采用ABAQUS有限元分析软件建立7个新型模块化钢框架板式内套筒连接节点有限元计算模型,通过改变连接板和内套筒厚度,对节点试件关键位置应力路径进行分析。研究结果表明:模块化钢框架板式内套筒连接节点在静力荷载作用下钢梁与方钢管柱连接区域形成塑性铰,连接板孔洞边缘区域有应力集中现象,建议在孔洞四周做圆弧处理;改变连接板厚度和内套筒厚度对节点承载力影响不大;增加内套筒厚度可以改善内套筒局部应力状态,减小内套筒区域的应力集中现象。

关键词：模块化钢框架板式内套筒连接节点 ABAQUS

基于多尺度和梁单元模块化钢框架力学性能分析方法研究

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钢结构(中英文) 2023年第8期38卷 1-13页

作者：马俊王燕青岛理工大学土木工程学院山东青岛266033

为探索装配式模块化钢框架结构的整体分析方法和适用性,利用ABAQUS有限元软件建立多尺度有限元模型进行静、动力分析,对比分析了梁单元、实体单元、多尺度节点计算模型的静力特性,并从模块结构的内力分析、模态分析两个方面对比梁单元... 详细信息

为探索装配式模块化钢框架结构的整体分析方法和适用性,利用ABAQUS有限元软件建立多尺度有限元模型进行静、动力分析,对比分析了梁单元、实体单元、多尺度节点计算模型的静力特性,并从模块结构的内力分析、模态分析两个方面对比梁单元、实体单元、多尺度框架计算模型的差异性。此外,将多尺度模型应用于模块化钢框架结构中进行动力弹塑性时程分析,对比分析了梁单元与多尺度框架6~12层模型的动力响应差异。分析结果表明:ABAQUS内置多点约束方法能够实现梁单元与实体单元之间连接;多尺度模型与实体单元的计算精度取得较好的一致性,二者相比,多尺度计算模型可增加约40%计算效率;动力模态分析表明,多尺度模型与实体单元振型的固有频率基本一致,验证了采用多尺度模型计算结果的可靠性;当模块结构层数超过10层,梁单元计算模型的计算精度大幅度降低,而多尺度计算模型计算精度呈稳定趋势。

关键词：模块化钢框架梁单元实体单元多尺度单元界面连接

钢框架-轻钢龙骨墙体模块化结构抗震性能研究

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钢框架-轻钢龙骨墙体模块化结构抗震性能研究

作者：陈麒先哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

模块化结构是一种在工厂完成构件预制和单个模块结构构件、装修、管道管线的组装,模块运到现场后进行模块间装配的一种装配式结构。模块化结构预制率可达70%～95%,相比于一般的装配式钢结构或钢筋混凝土结构,其预制化程度更高,现场工作... 详细信息

模块化结构是一种在工厂完成构件预制和单个模块结构构件、装修、管道管线的组装,模块运到现场后进行模块间装配的一种装配式结构。模块化结构预制率可达70%～95%,相比于一般的装配式钢结构或钢筋混凝土结构,其预制化程度更高,现场工作量更少,建造速度更快,工程质量稳定性更佳。现有的研究主要集中于框架本身的性能,而因纯框架结构刚度不足,要建造高层建筑需要过大的梁柱截面,导致其建造高度有限。本课题针对模块化钢框架-腹板开孔轻钢龙骨墙体结构进行了整体分析,对高烈度地震下多、高层模块化钢框架-腹板开孔轻钢龙骨墙体结构的抗震性能开展研究,建立了该类结构体系的有限元分析模型,分析了建筑高度、墙体数量与排列方式等参数对该类结构抗震性能的影响规律,与纯框架结构进行了对比,并给出了相关的墙体布置建议。论文主要进行的研究工作如下:（1）针对使用铸钢插件和螺栓两种形式进行上下柱连接的节点建立ABAQUS有限元模型,通过与已有梁柱节点试验对比分析,确定节点的简化形式,并与MIDAS GEN节点模型进行了对比分析。（2）提出了含剪力墙与填充墙两类墙体的模块化钢框架-轻钢龙骨墙体结构体系,根据已有轻钢龙骨墙体的研究,通过有限元模拟与一些已有的轻钢龙骨墙体试验进行对比验证,分析了剪力墙的简化方式。（3）利用ABAQUS建立框架-剪力墙和纯框架两种整体模型,研究了在沿弱轴方向的地震作用下,墙体对结构层间位移角、顶点位移、基底剪力与框架应力等的影响,获得了其对结构抗震性能的影响规律。同时提出了三种墙体布置方式,以结构层间位移角、顶点位移、基底剪力、框架应力与结构扭转作为分析指标,对比分析了对框架-剪力墙和纯框架两种结构的影响规律,提出了墙体布置建议。此外,建立了多、高层整体结构模型,分析了不同高度建筑的层间位移角、顶点位移、基底剪力与框架应力等。

关键词：模块化钢框架腹板开孔轻钢龙骨墙体节点与墙体简化抗震性能

模块化结构模块间单向螺栓连接节点抗震性能研究

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模块化结构模块间单向螺栓连接节点抗震性能研究

作者：刘子良青岛理工大学

学位级别：硕士

近年来,我国的建筑工业化水平迅速提升,作为工业化建筑结构的代表,模块化建筑出现不少新的节点类型。模块化建筑结构具有特殊的“八柱十六梁”节点,节点部分不仅对结构的安装产生较高的技术要求,也对结构的力学性能,特别是抗震性能产生... 详细信息

近年来,我国的建筑工业化水平迅速提升,作为工业化建筑结构的代表,模块化建筑出现不少新的节点类型。模块化建筑结构具有特殊的“八柱十六梁”节点,节点部分不仅对结构的安装产生较高的技术要求,也对结构的力学性能,特别是抗震性能产生重要影响。本文介绍一种模块间单向螺栓连接节点,分析了这种节点在安装方面的优势,并采用试验、有限元分析、理论分析相结合的方法,在单榀框架中针对该节点进行抗震性能研究,研究成果可为同类节点的设计提供参考,为该节点的推广应用提供依据。(1)设计了3个模块间单向螺栓连接节点的足尺试件,通过低周往复加载试验,研究了节点试件的破坏模式、弯矩转角曲线、滞回性能、耗能能力、构件变形特点等指标。试验研究表明:试件的滞回曲线比较饱满,3个节点的最大等效粘滞阻尼系数分别为0.411、0.232、0.355,具有较强的耗能能力;3个试件的延性系数均大于3.00,极限层间位移角均大于7%,满足钢结构设计标准对多遇地震下钢框架层间位移角达到4%的限值要求;节点域内隔板对节点的抗震性能有较大影响,未设置内隔板的试件发生梁端焊缝撕裂的脆性破坏;梁端增加盖板后,节点的强度和刚度均有明显提高,且有较高的耗能潜力;新型单向螺栓连接节点具有较强的转动性能。(2)利用ABAQUS有限元分析软件建模,建立试验中三个节点试件的有限元模型,通过与试验数据的对比探索最优的建模方法。从有限元云图、滞回曲线、初始刚度等方面进行对比,有限元数值计算结果与试验结果的整体吻合较好,这验证了有限元数值分析方法的有效性,为后续利用有限元模型进行单向螺栓连接节点抗震性能的参数分析提供了依据;(3)根据连接板厚度、单向高强螺栓等级、单向高强螺栓数量等参数建立模块间单向螺栓连接节点的非线性有限元数值模型,并对节点的模型施加低周往复荷载,通过有限元数值分析方法,从有限元模型破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、等效粘滞阻尼系数等抗震性能指标研究不同参数对节点抗震性能的影响。结果表明:改变连接板厚度、单向高强螺栓等级、单向高强螺栓数量对节点的抗震性能影响不大;增大水平连接板厚度既可以显著降低弹性阶段水平连接板变形的增加速度,也可显著降低塑性阶段的最大变形量;改变螺栓等级和数量对弹性阶段或塑性阶段水平连接板变形量均没有产生较大影响;(4)利用理论和试验数据相结合的方法对模块间单向螺栓连接节点水平连接板的受力进行了研究。结果表明:水平连接板可分为模块柱内的L部分和柱间的L部分两个区域,水平连接板的变形主要是L部分两端的变形,模块柱对水平连接板外露部分的约束介于两端固支和两端铰支之间,连接板两端的受力主要与模块柱壁厚度、连接板长度、连接板厚度、板L部分的连接板变形量有关。当设计特定节点时,节点模块柱壁厚度、连接板长度已经确定,因此计算连接板承载力时主要考虑连接板厚度和板L部分的变形量两个因素。

关键词：模块化钢框架单向螺栓连接节点节点构造滞回性能水平连接板刚度