竖向承重框架与模块、模块与模块、模块内部各构件之间以及模块与基础间的连接对模块化建筑承受荷载的能力至关重要[56]。模块化建筑的连接节点主要分为三种[43]:模块间连接、模块内部连接和模块与基础的连接。如图3所示。
4.1 模块间连接
传统的模块间连接主要采用直板连接、螺栓连接和焊接等方法,通常需要一定的外部空间进行连接或焊接[19]。模块间连接包括相邻模块之间的水平连接和堆叠模块之间的垂直连接。模块间节点连接方式对模块化建筑的结构性能,如结构的抗侧刚度及受力性能影响很大[57]。典型的模块间连接节点大致包括螺栓连接、混凝土接缝连接和联锁连接三种,如图4所示。
(1)螺栓连接。螺栓连接在实例中的应用较多,在装配过程中不需要在构件上创建开口来削弱结构构件,相比于焊接,安装时所需要的工作空间小。安装完成后,连接节点隐藏在建筑填充墙后或上、下模块楼板之间,虽安装过程节省了一定的施工空间,但必须先完成模块单元的连接工作,才能进行隔墙、楼板等建筑功能构件的施工[20]。
一些典型的螺栓连接案例包括:CHEN等[19]提出的一种应用在钢结构中的梁-梁螺栓连接方法(图4a)),通过浇铸形插入装置与相邻模块进行水平连接,使用梁-梁高抗拉强度螺栓与上、下模块进行垂直连接。CHEN等[58]提出一种考虑转动刚度的旋转连接接头(图4b)),在上、下模块角柱处设置矩形孔,通过连接器连接。孔既可作为模块吊装和运输的固定点,也可作为旋转连接的施工空间。LAWSON等[4]提出了一种单螺栓连接(图4c)),在柱端部焊接节点板,柱上设置施工孔,通过高强螺栓连接上、下模块。PARK等[56]介绍了一种十字板螺栓连接节点(图4d)),在模块单元间插入十字形连接板,通过高强螺栓将相邻模块连接起来。DENG等[59]提出一种榫形-十字板连接节点(图4e)),柱插入焊接在十字板上的榫眼中,并通过螺栓与相邻模块相连接。
(2)混凝土接缝连接。在某些情况下,现浇混凝土也被用于钢结构接缝处形成复合钢-混凝土连接。这种连接方式适用于钢-混凝土混合结构,模块建筑整体稳定性好,但需要在现场进行浇筑。
典型的混凝土接缝连接案例包括:CHEN等[18]提出的一种预张拉组合连接(图4f))。模块每个柱端都有一个密封板,带有加劲肋和孔,用于放置预应力钢绞线或插杆。安装时将绞线或剪切棒插入下柱柱端预先设置的孔中,并将上层模块的矩形钢柱插入下层模块柱端的剪切块中。将钢绞线拉伸至设计应力水平,用连接件固定,最后将混凝土从浇注孔中浇注到模块柱中,以垂直连接上下两个模块。MILLS等[60]提出采用空心截面作为竖向结构主体,填充灌浆和混凝土,在接缝处形成钢-混凝土复合连接(图4g))。
(3)联锁连接。模块间连接还可以通过联锁连接方式形成。这种连接类型通过构件的过盈配合或变形契合在一起,可在隔墙等建筑构件建设完成后进行连接,能满足建筑层面的模块化作业,但需要注意减少精度上的误差[60]。
例如,SHARAFI等[61]提出了一种创新联锁系统(图4h)):为满足整合连接的特殊设计需要,将模块按特定顺序放置,再依次推动模块,使模块与相邻单元联锁。这种设计在提高安装效率和控制施工公差水平方面效果显著,同时通过提供额外的联锁节点来提高模块结构的整体完整性。
4.2 模块内部连接
模块内部连接通常是指一个模块内部各构件的连接细节,包括柱与梁的连接、梁与板的连接以及不同材料构件之间的连接等。模块内部大部分构件的连接方式与传统建筑相似,少数不同于传统建筑的模块内部连接节点如图5所示。
BATHON等[62]提出一种应用于木-混凝土混合模块结构中的HBV剪切型接头(图5a)),用以连接木梁和混凝土板,可用于地板、墙体和屋顶等构件。研究表明这种结构能有效抵抗飓风等强风荷载,同时避免了现场浇筑混凝土成本高、时间长、徐变大的缺点,为住宅和商业用途的建筑提供了一种低成本的防飓风设计方法[3]。ANNAN等[63]研究了将次梁直接焊接到主梁上的钢模块框架(图5b)),与传统钢结构相比,这种连接方法允许更大角度的旋转。LEE等[64]提出了一种刚性梁柱节点螺栓连接(图5c)),采用高强度螺栓在现场紧固,无柱截面损失,设置了L形、T形和十字形的连接装置以适应不同模块需求。ASIZ等[65]以一个24层建筑为例进行分析,表明高层结构中交叉层压板楼板通过锚钉等螺纹紧固件与钢框架连接(图5d)),可加强CLT板在受横向地震力和风荷载情况下的有效隔膜作用,其刚度和强度接近于钢筋混凝土板。
4.3 模块与基础的连接
位于高水平荷载地区的模块化建筑,如果未与适当的地基相连接,容易发生倾覆和滑动[43]。模块化建筑的地基可由现浇或预制混凝土底座、钻孔混凝土桩、螺旋钢桩等组成。
PARK等[56]在钢管混凝土构件内嵌连接研究的基础上,开发了一种嵌入式柱连接,如图6所示。柱外周与地基凹槽处的焊接端板焊接在一起与砂浆相连。这种连接方式充分利用了柱的强度,提供了良好的延性以承受由极端横向荷载导致的非弹性变形需求。通过试验研究和数值模拟发现,柱深埋是影响节点承载力的关键因素。
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知识点:模块化结构连接与节点性能
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标准化设计
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模块化建筑分类及结构形式模块化建筑往往涉及到多种结构体系和建筑材料,并通过规模生产重复性的单元达到经济性目的[28,41]。模块化建筑按主要建筑材料分为钢结构模块、预制混凝土模块和木结构模块。其中,钢结构模块的使用范围最广。钢结构模块进一步划分为钢模块、轻钢结构模块和集装箱模块。 钢结构模块根据荷载传递机制的不同,可分为自承重模块和框架支承模块,如图1所示。自承重模块建筑的高度通常限制在4~8层,其承受的荷载主要通过模块的侧壁传递,因此侧壁墙体的抗压强度为结构设计中的关键参数。而使用框架支承模块可进一步提升建筑物的高度,其承受的荷载通过边梁传递到角柱上,此时侧壁不是主要承重构件,角柱的抗压能力成为结构设计中的关键参数。在这两种系统中,模块结构除了承受竖向荷载,墙壁的支承和隔膜作用还为其提供了抵抗水平荷载的能力,但对于超过6层楼高的建筑则需要一个单独的支撑系统。因此在很多情况下,高层模块化建筑使用混凝土核心筒等作为主要的横向承载系统,模块的框架只用于承担竖向荷载。此时,预制模块直接或间接与核心连接,将横向荷载传递到核心。
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