一种用于高层模块化钢结构建筑、采用加劲波纹钢板墙的全模块化组装抗侧力系统

《Journal of Building Engineering》：A fully modular-assembled lateral force-resisting system using stiffened corrugated steel plate walls for high-rise modular steel buildings

　　

•提出一种用于高层模块化钢结构建筑的新型加劲波纹钢板剪力墙单元。•建立并验证加劲波纹钢板的等效交叉支撑模型。•提出侧向模块的梁-梁螺栓连接及其设计方法。•设计30层模块化钢结构并评估其抗震性能。引言模块化施工是一种高度集成的预制施工方法[1]。它将传统建筑按照建筑功能划分为多个模块，并在工厂中预制模块单元。在模块化结构的多种形式中，模块化钢结构以其施工效率高、质量优异、绿色环保等优势，逐渐受到工程和学术界越来越多的关注[2]。目前，模块化钢结构（MSB）主要以两种形式存在，即完全模块化钢结构系统和非完全模块化钢结构系统。完全模块化钢结构系统是指完全由模块单元构成的结构。该结构体系将传统建筑结构进行划分，以单间或特定三维建筑空间作为模块单元。这些模块单元在工厂中预制完成，带有基本室内装修，然后运至施工现场，通过吊装和现场装配进行竖立。最后，模块单元垂直堆叠并通过工程连接节点连接[3][4][5]。在完全模块化钢结构中，竖向和侧向承重体系由模块框架本身及相邻模块间的柱-柱连接构成。因此，模块间柱-柱节点的力学行为决定了完全模块化钢结构的整体结构性能。然而，与传统结构相比，模块及其柱-柱连接节点的刚度和承载能力相对较低，结构的侧向抗力也通常略低于传统结构。因此，完全模块化钢结构一般更适合用于低层和多层建筑。为将完全模块化钢结构的应用推广至高层建筑中，在模块化框架单元内设置专门的侧向承重构件是一种公认的解决方案。2009年，Annan等人评估了模块化钢支撑框架在循环荷载下的抗震性能，并将其与传统钢支撑框架进行了比较[6]。通过比较两个试件在强度、刚度、变形和耗能性能方面的表现，评估了模块化钢支撑框架的抗震性能并验证了模块化钢结构的可行性。Fathieh等人通过非线性静态推覆分析和增量动力分析，评估了由模块化钢支撑框架单元装配而成的四层模块化钢结构的抗震需求和能力[7]。Hong等人开发了一种由双层钢板加强的模块化钢框架单元，并对由这些模块单元组成的模块化钢结构进行了实验研究[8]。实验结果表明，双层钢板不仅能提高结构的承载能力和刚度，而且在模块梁柱屈服之前先发生塑性变形，从而为主框架构件提供了保护性保险效应。Yu等人将波纹钢板纳入模块单元，并通过有限元分析评估了由其堆叠而成的完全模块化钢结构的抗震性能[9][10][11][12][13]。分析结果表明，波纹钢板的存在可以提高侧向抗力并有效增强模块化结构的整体刚度。还进行了实验研究，以考察钢带加强的波纹钢板在模块化钢结构中的抗震行为。研究结果表明，钢带加强对其极限强度影响较小，但在刚度、延性和耗能等方面有所改善[14]。非完全模块化钢结构由钢模块单元与传统抗侧力体系组合而成。最常见的配置是将钢框架模块单元与常规抗弯框架配对使用，根据抗弯框架的功能作用，该结构体系分为三种形式。首先，框架作为基本平台[15]。在低层区域设置一个钢框架，为堆叠模块单元创建平台，然后进行吊装和连接操作，形成完整的结构。其次，先完成抗弯钢框架的主结构，然后将模块单元插入并在各层主结构之间连接[16]。在这种配置中，模块单元仅设计为承受自重和竖向荷载，而抗弯框架承担所有竖向和侧向荷载。第三，在主钢框架内安装支撑以建立钢支撑框架侧向承重体系，然后将模块单元与该侧向体系连接形成完整结构。此外，钢框架模块单元也可以与传统钢筋混凝土（RC）剪力墙组合使用[17][18][19][20][21]。在这种结构体系中，首先使用钢筋混凝土剪力墙建造核心筒，然后将模块化钢框架单元堆叠在核心筒的周边。核心筒为整体结构提供主要的侧向抗力，而模块化钢框架单元需要承受自身重量以及来自上部模块单元传递的竖向荷载。由于核心筒具有优越的侧向抗力性能，该系统可用于模块化高层建筑结构体系。模块化钢结构的预制和装配水平较高，这与建筑工业化和绿色建筑的发展趋势和要求相一致。然而，目前模块化钢结构主要用于多层建筑。因此，探索高层模块化钢结构的整体设计方法和适用性具有重要意义。相关文献综述表明，模块化钢结构向高层建筑结构体系发展有两条路径。一条路径是采用完全模块化钢结构，并在模块化钢框架单元内设置抗侧力构件以增强抗震性能。另一条路径是将模块化钢单元与传统抗侧力结构系统相结合。然而，这两种方法都存在一定缺陷。对于如图1所示的第一种方法，由于连接板的存在，当上下相邻模块堆叠后，模块梁之间存在间隙。因此，布置在模块单元内的抗侧力构件存在竖向力传递不连续的问题，这导致模块单元竖向堆叠后难以形成有效的整体承重体系。对于第二种方法，如果模块化钢框架单元与传统抗侧力体系组合使用，这将导致模块化钢结构系统的优势未能充分发挥，且传力机制变得更加复杂。综上所述，缺乏完全模块化装配的抗侧力体系是制约模块化高层钢结构发展的主要瓶颈。因此，在本研究中，将加劲波纹钢板剪力墙应用于模块化高层钢结构中，旨在构建一种新型完全模块化装配的抗侧力体系，并探索模块化高层钢结构工程应用的有效途径。首先，本文对模块化高层钢结构中加劲波纹钢板剪力墙抗侧力体系进行了概念设计。其次，为了对加劲波纹钢板剪力墙进行高效且准确的非线性分析，本文建立了基于等效交叉支撑的简化分析模型，并通过实验结果验证了其可靠性。随后，设计了一个采用加劲波纹钢板剪力墙作为主要抗侧力体系、并在角部补充普通钢支撑以增强抗扭刚度的模块化高层钢结构。在MIDAS平台上建立了该结构的有限元计算模型。最后，通过推覆分析和动力时程分析，全面评估了所设计的模块化钢结构的抗震性能。加劲波纹钢板剪力墙的构造如图2所示，加劲波纹钢板剪力墙由波纹钢板和布置在两侧的加劲肋组成。根据加劲肋的不同布置方向，主要可分为两种类型：竖向加劲波纹钢板剪力墙（VSCSPW）和横向加劲波纹钢板剪力墙（HSCSPW）。本研究作者进行的相关试验结果表明，在两组…（原文截断）加劲波纹钢板剪力墙的简化分析模型对于单个加劲波纹钢板剪力墙，精细有限元模型可以相对准确地预测其侧向抗力。然而，当分析整体结构时，采用精细有限元建模方法会导致单元数量过多，计算效率低下且难以收敛，因此难以进行准确的非线性分析。因此，有必要探索简化分析…（原文截断）原型建筑概述为研究采用加劲波纹钢板剪力墙体系的模块化钢结构的抗震响应，设计并研究了一个30层的原型模块化钢结构。该结构的层高为3.6 m，建筑高度达到108 m。抗震设防等级为二级，抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组。建筑场地类别为Ⅱ类。根据GB 50011-2010[37]，…（原文截断）结论本研究提出了一种用于模块化高层钢结构的加劲波纹钢板剪力墙抗侧力体系。考虑到加劲波纹钢板剪力墙是该抗侧力体系的核心构件，本文首先研究了其简化模型。在此基础上，设计了一个应用所提出的抗侧力体系的模块化钢结构，并建立了相应的三维空间模型…（原文截断）CRediT作者贡献声明Sun Ming：验证、软件。Wang Qiong：可视化、资源。Ou Jinping：撰写—审阅与编辑、项目管理、资金获取。Yang Chao：撰写—审阅与编辑、方法论、数据整理、概念化。Feng Lifei：撰写—初稿、可视化、软件、方法论、调查研究。数据可用性声明支持本研究结果的数据可通过向通讯作者提出合理请求获得。利益冲突声明? 作者声明，没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。6. 致谢本研究得到中国国家自然科学基金（批准号：52508533）；中国国家重点研发计划（批准号：2023YFC3806601）；中国国家自然科学基金（批准号：51921006）；中建国际控股公司（批准号：CSCI-2024-Z-2）；中国博士后科学基金会博士后基金项目（批准号：GZB20250746）；辽宁省自然科学基金（批准号：2026-BS-0025）的支持。Feng Lifei | Yang Chao | Ou Jinping | Wang Qiong | Sun Ming