一种针对采用灌浆连接的模块化钢结构建筑的损伤控制抗震设计方法

《Journal of Building Engineering》：A damage-controlled seismic design method for the modular steel building with grouted connections

模块钢建筑采用高强度灌浆连接，提出基于能量平衡的损伤控制抗震设计方法，通过非线性时程分析验证3、5、10层结构层间位移比满足规范要求，揭示铰端先屈服后柱脚破坏的典型失效模式。

　　

黄秦|金双双

重庆交通大学土木工程学院，中国重庆，400074

摘要

模块化钢结构建筑具有独特的结构特征，包括多根梁、柱和不连续的连接方式。由于缺乏专门针对模块化结构的抗震设计方法，这些建筑在高强度地震区域的应用受到了显著限制。本研究采用了一种具有高装配效率和可靠机械性能的灌浆连接方式，构建了模块化钢结构建筑（MSBG）。为了充分利用MSBG的抗震性能，提出了一种基于损伤控制的抗震设计方法。首先定义了结构的理想破坏模式和目标位移，并利用能量平衡方程计算了总塑性设计基底剪力。接着，通过底部柱子的破坏机制计算了一层模块中柱子的所需塑性弯矩，然后通过内力平衡迭代计算双梁的塑性弯矩能力。最后，利用结构中的柱子树方法确定了每根柱子的内力要求。该方法被用于设计3层、5层和10层建筑，并通过推覆分析和非线性时程分析评估了其抗震性能和破坏模式。结果表明，最初在楼板和梁的端部发生屈服，随后是柱基部的屈服。此外，在严重地震条件下，3层、5层和10层建筑的最大平均层间位移比（IDR）均在允许范围内，证明了这些结构系统符合抗震性能要求。

引言

模块化钢结构建筑（MSB）是一种预制结构，具有环境可持续性、施工便捷、生产标准化和质量控制高等优点[1]。基本模块通常由一个或多个单元组成，包括承重结构、装饰和其他设施，这些单元在工厂制造后运输到施工现场进行高效组装[2]。与传统钢结构建筑相比，采用上述特殊施工方法建造的MSB具有独特的结构特征，包括多根梁、柱和不连续的连接方式，如图1所示。模块间连接的刚度和配置直接影响MSB的荷载传递机制和抗震性能[3]。适合MSB的连接方式和设计方法对于扩大其应用范围至关重要。

模块间的水平和垂直荷载主要通过模块间连接传递[4]。当前的研究主要集中在开发不同类型的连接方式，包括焊接接头[5]、后张接头[6]、自锁接头[7]、螺栓接头[8]、角接头[9]和灌浆接头[10]。每种连接方式都有其自身的荷载传递机制和侧向抗力刚度。许多研究关注了连接刚度对结构整体抗震性能的影响。Annan等人[11]将模块间的焊接接头简化为铰接接头，非线性动态分析显示结构强度储备和系统脆弱性均接近临界水平。相比之下，Fathieh等人[12]将这些接头模拟为刚性接头，MSB的内力分布和层间位移在铰接接头和刚性接头模型之间存在显著差异。Han等人[13]在静态荷载条件下，对MSB中的焊接接头和螺栓接头进行了研究，以探讨结构系统的侧向抗力机制。Lacy等人[14,15]观察到，当模块间连接刚度不足时，MSB在地震荷载下倾向于表现出底层损伤的破坏模式，这限制了其在多层、高层和地震易发地区的应用。根据Luo等人的研究[16]，多层模块结构中上下模块柱在连接处的连续性对于防止底层损伤和增强抗倒塌能力至关重要。Styles等人[17]证明，连接刚度的提高可以增加连接的弯矩传递能力，从而显著提升结构的全局稳定性和内力传递效率。在当前的工程实践中，主要使用铰接或半刚性模块间连接。因此，MSB的抗震性能无法满足“强柱、弱梁、强连接”的设计要求。现代建筑规范[18]限制了纯MSB的允许高度，并不推荐其在高强度地震区域的应用。

MSB的抗震分析和设计方法目前仍处于发展初期[19,20]。Lawson等人[19]提高了模块间组件的连接强度，并证明连接的连续性有助于增强结构的整体韧性。Chua等人[21]使用平移弹簧模型模拟了垂直模块连接器的荷载传递效率。他们的研究结果表明，模块间连接的不连续性和楼板断开会损害MSB的整体稳定性。Sanches等人[22]分析了不同层数MSB的抗震性能，发现高层模块建筑的柱端形成了塑性铰链，而低层结构的残余位移更为明显。Wang等人[23]分析了带有半刚性连接的柱支撑模块钢结构在侧向荷载下的侧向位移，并提出了表征位移模式的方程，为基于位移的抗震设计方法奠定了基础。Chan等人[20]基于能力设计方法研究了模块化钢结构建筑，提出了一种具有分布式抗震能力的新型设计概念，并考察了模块间连接旋转刚度、抗震设计力水平和设计基底剪力垂直分布对整体结构性能的影响。尽管MSB在抗震行为分析方面得到了广泛研究，但在开发整合其多构件系统特性的综合设计方法方面仍存在明显不足。这一缺陷，加上缺乏特定地区的抗震设计规范和标准化的灾后评估标准，严重阻碍了MSB在地震活跃地区的广泛应用。

基于所采用的灌浆连接系统[24]，本研究考虑了灌浆模块化钢结构建筑（MSBG）的构型，如图2所示。所采用的连接方式被认为能够提供足够的刚度和强度，以满足“强接头-弱构件”的设计原则[24,25]。本研究基于预定义的屈服机制，开发了MSBG的抗震设计方法，并采用基于能量的设计方法对其进行扩展，以考虑模块化结构的独特机械特性。所提出的方法为模块化钢结构建筑建立了基于损伤控制的抗震设计框架，并通过多层结构的不线性分析验证了其有效性。

MSBG的有限元方法

对于灌浆区域延伸到梁端部的构型（图3），连接方式是在预定义的灌浆区域内嵌入梁-柱连接器，然后在安装上层模块后向模块间接头注入高强度灌浆料。Zang等人的实验和数值研究表明[24]，灌浆区域在地震作用下基本保持弹性。与这些发现一致，连接方式的设计

抗震破坏模式的概念

基于现有结构响应和传统钢结构在极限状态下的典型破坏模式[28]，并考虑到模块化系统的结构特性，MSBG在地震作用下的破坏模式主要可以分为局部模块破坏模式和整体结构破坏模式。具体破坏模式如下：

(1)

一层软破坏模式。底层模块支撑结构的垂直荷载，该层中的柱子

原型建筑

为了验证基于性能的抗震设计方法对MSBG系统的有效性，本研究考察了三种不同高度（3层、5层和10层）的建筑。所有建筑具有相同的平面布局，如图16所示，具有三个纵向跨度（3 × 6.0 m）和五个横向跨度（5 × 3.0 m）。鉴于设计假设忽略了MSB系统中双柱之间的相互作用效应，进行了结构分析

地面运动选择

在选择非线性时程分析的地面运动时，必须考虑地震源特性、地震震级和峰值地面加速度等参数。在本研究中，采用了FEMA P-695[35]推荐的22个远场地面运动数据进行结构的非线性动态分析。为了确保所选记录的响应谱与中国地震规范定义的目标谱一致

结论

本研究基于预定义的整体屈服机制，开发了模块化钢结构建筑的抗震设计方法。采用基于能量的框架来考虑模块化系统的多梁和多柱特性，从而系统地确定构件的塑性能力和变形需求。通过对案例的设计和数值分析，得出以下结论：

(1)

MSBG的塑性设计重点在于

作者贡献声明

黄秦：撰写——原始草稿，软件编写，实验研究。金双双：撰写——审稿与编辑，监督，方法论研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52378481）和重庆自然科学基金创新与发展联合基金（CSTB2022NSCQ-LZX0047）的支持。特此表示感谢。