模块化集成方舱结构
销键拼装技术研究
摘要：总结模块化集成方舱建筑中典型节点连接方式；根据“强柱弱梁、强节点弱构件”的基本原则，基于模块化钢框架结构的受力特点提出一种新型模块单元连接节点；以中柱节点为例，对新型模块单元连接节点的尺寸和模块单元梁柱开孔位置进行设计；以八模块连接节点为例介绍新型节点的安装过程。
关键词：模块化集成方舱；快速拼接技术；单元连接节点
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前言
模块化集成方舱建筑中模块与模块之间、模块与承重框架之间、模块内部各构件之间、模块与基础之间的节点连接方式对模块化集成方舱建筑承受荷载的能力至关重要，其中模块与模块之间的节点连接方式对模块化集成方舱建筑的结构性能，如结构的抗侧刚度及受力性能影响很大。典型的模块间连接节点可分为螺栓连接、混凝土接缝连接和联锁连接三种，如图 1 所示。
（图 1 模块与模块之间的连接节点）
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。混凝土接缝连接即将现浇混凝土用于钢结构接缝处，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。联锁连接方式是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。
除了模块之间的连接节点，模块化集成方舱建筑中常用的连接节点还包括以下两种：模块内部各构件之间的连接节点以及模块与基础之间的连接节点。模块内部各构件之间的连接节点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 2所示。
（图 2 模块内部各构件之间的连接节点）
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。模块化集成方舱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。模块与基础之间的连接节点可采用嵌入式柱连接，如图 3 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。
（图 3 模块与基础之间的连接节点）
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新型节点构造设计及特点
在对钢结构模块化集成方舱建筑进行结构设计时，应遵循“强柱弱梁、强节点弱构件”的基本原则，节点域是钢结构模块化集成方舱建筑设计的关键，模块连接的可靠度直接影响结构的整体稳定。梁与柱的连接应保证一定的承载力、较好的耗能能力、刚度退化曲线较平缓等，同时应构造合理、便于施工，能与模块单元内部装饰及使用功能相协调。基于模块化钢框架结构的受力特点提出一种新型模块单元连接节点——内套筒对穿螺栓连接节点，如图 4 所示。
（图 4 对穿螺栓拼接节点示意图）
模块钢结构单元之间的连接不同于传统的框架结构，存在中柱、边柱以及角柱的不同构造形式，如图 5 所示。因此在进行连接节点设计时应针对上述节点形式研究不同的连接构造，其中包括两模块、四模块、六模块以及八模块等等。两模块连接节点主要用于框架结构角柱，节点域属于“两柱四梁”类型，节点构造及装配如图 6、图 7 所示。由于梁长边所受到的弯矩大于短边，同时对穿螺栓的杠 - 翘作用会增强节点承载力，因此在梁长边布置三排对穿螺栓而在短边布置两排，以下同理。四模块连接节点主要用于整栋建筑的外围侧面，节点域属于“四柱八梁”类型，节点构造及装配如图 8、图 9所示。八模块连接节点主要用于建筑物内部，是模块单元之间主要的连接方式，节点域属于“八柱十六梁”类型，节点构造及装配如图 10、图 11 所示。
（图 5 不同模块拼接示意图）
（图 6 双柱模型连接件构造示意图 图 7 双柱模型装配示意图）
（图 8 四柱模型连接件构造示意图 图 9 四柱模型装配示意图）
（图 10 八柱模型连接件构造示意图 图 11 八柱模型装配示意图）
该种模块化钢结构新型节点具有如下特点：
（1）连接件采用铸钢整体浇筑，消除内套筒与连接板因焊接产生的应力集中问题，并能提高结构安装的精确性，同时连接件可进行批量生产，适应建筑工业化的新要求。
（2）内套筒与模块柱组合受力，不仅能够增强结构抗侧刚度，同时有效减小上下模块间的相对滑移，有效增强结构整体稳定性。
（3）上模块单元地板梁与下模块单元天花板梁通过连接板协同受力，有效增强梁端承载力。
（4）节点域全部采用螺栓连接，安装拆卸快捷、方便。
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新型节点尺寸设计
以中柱节点为例，节点板尺寸及模块单元梁柱开孔位置如图 12 所示。在进行新型连接节点设计制作时，节点板连接件的螺栓间距和布置要求根据均根据《钢结构设计标准》及《钢结构连接节点设计手册》中相关要求进行设计，确保内套筒及端板上螺栓孔的最小距离为 3d0；此外，螺栓中心至构件边缘的距离保证大于 2d0 以便于螺栓拧紧；同时根据螺栓间距的要求对梁、柱构件的开孔位置进行相应的设计。
（图 12 节点大样图）
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新型节点连接方法
以八模块连接节点为例介绍新型节点的安装过程，连接件尺寸及梁、柱构件开孔位置见上节，材料均为钢材，连接件钢材强度等于框架结构强度，连接件的厚度与被连接框架厚度相同。连接件包括上下模块单元内套筒、底部矩形隔板以及隔板加劲肋组成，隔板与内套筒采用铸钢一体浇筑，再与隔板加劲肋以三面围焊的方式进行焊接，模块施工方法如下：
（1）首先进行地基基础施工，可采用条形、筏型基础等保证地基承载力以及结构整体的稳定性，在基础顶部预留好内套筒施工的工作平面，根据规范要求，安装误差应控制在 2mm 之内。
（2）在完成基础施工后，将底层内套筒连接件锚固于基础内，之后进行首层模块单元的安装，调整单元位置使柱端螺栓孔对准内套筒螺栓孔，拧紧底层柱对穿螺栓；待第一层模块单元全部施工完毕后，将连接件底部内套筒套入模块单元柱顶，穿入对穿螺栓并拧紧。
（3）继续进行第二层模块单元安装，将柱底套入内套筒，对准螺栓孔穿过对穿螺栓完成上下模块柱连接，在隔板及梁端预留的螺栓孔处穿过对穿螺栓完成上下模块梁连接。重复以上安装步骤直至完成整个结构安装。
该新型连接节点通过高强对穿螺栓连接上下模块单元，能够有效保证模块单元的竖向以及水平方向连接的可靠性；同时全螺栓连接的施工速度快捷方便，避免了现场采用焊接连接引起的残余应力和施工操作面不足的问题，保证节点连接质量，提高施工速度，同时梁柱节点域的抗震性能也可以得到有效提高。（本文作者：邱田 李进军 王平山 作者单位：华建集团上海建筑科创中心）
参考文献
END
