集装箱装配建筑减震结构及连接节点抗震性能分析研究 摘要： 模块化集装箱装配式建筑近年来得到了快速的发展，箱体之间的连接方式是保证集装箱建筑整体性及承载能力的关键问题。基于现有的集装箱建筑连接节点形式及减、隔震技术特点，提出了一种集装箱装配式建筑减震连接节点。采用ABAQUS有限元分析软件，共建立4个 6 m(20 ft)和12 m(40 ft)类型箱体的单箱两层的集装箱建筑模型，节点采用常规连接件和减震连接件两种连接形式。对建立的模型进行单调水平加载和低周往复加载下的数值仿真分析，对不同连接形式整体结构及连接节点的受力性能进行了分析。分析结果表明：减震节点可以使结构的滞回曲线更加饱满，结构构件的应力下降，屈服面积减小；结构屈服后强度退化降低，保证结构在地震下具有较好的水平抗侧承载力及滞回耗能能力，提高结构抗震性能；避免连接节点出现应力集中现象，确保连接件和角件不发生破坏，保证连接节点的可靠性。
集装箱装配建筑减震结构及连接节点抗震性能分析研究
摘要： 模块化集装箱装配式建筑近年来得到了快速的发展，箱体之间的连接方式是保证集装箱建筑整体性及承载能力的关键问题。基于现有的集装箱建筑连接节点形式及减、隔震技术特点，提出了一种集装箱装配式建筑减震连接节点。采用ABAQUS有限元分析软件，共建立4个 6 m(20 ft)和12 m(40 ft)类型箱体的单箱两层的集装箱建筑模型，节点采用常规连接件和减震连接件两种连接形式。对建立的模型进行单调水平加载和低周往复加载下的数值仿真分析，对不同连接形式整体结构及连接节点的受力性能进行了分析。分析结果表明：减震节点可以使结构的滞回曲线更加饱满，结构构件的应力下降，屈服面积减小；结构屈服后强度退化降低，保证结构在地震下具有较好的水平抗侧承载力及滞回耗能能力，提高结构抗震性能；避免连接节点出现应力集中现象，确保连接件和角件不发生破坏，保证连接节点的可靠性。
集装箱建筑作为预制化程度较高的一种建筑类型，具有结构形式新颖、施工周期短、经济性好的特点，在国内外得到了较快的发展，我国也颁布了相应的行业标准CECS 334∶2013《集装箱模块化组合房屋技术规程》。集装箱建筑在使用过程中存在连接节点、刚度及稳定性方面的问题，为此哈尔滨工业大学、同济大学、天津大学、广州大学等研究机构对集装箱建筑的受力性能等展开了研究，如查晓雄对集装箱的基本力学性能、抗侧刚度等方面进行了系统的研究，提出了箱体的蒙皮效应等观点。张闪闪对集装箱开洞形式进行了研究，得出了不同开洞形式的力学性能等。张俊峰等对拆装式箱型房屋的水平纵向加载足尺模型进行试验，研究了其抗侧性能。赵晶晶等对集装箱建筑的抗连续倒塌性能进行了分析研究，得出连接处的承载力对结构的抗倒塌能力有着关键性的作用。王化杰等对集装箱结构体系进行了优化，并提出了一种节点的连接形式。邓恩峰等提出了一种集装箱建筑用螺栓-封板刚性连接节点。
上述研究的连接节点采用了对节点进行加强的形式，以达到节点不破坏，或者不先于构件破坏的目的，但节点的应力集中现象，导致了节点处的梁端柱脚容易破坏。鉴于消能减震技术已广泛应用于结构振动控制与保护， 本文将其优势与装配式集装箱结构的特点相结合，提出了一种新型的连接节点形式——集装箱减震连接节点，实现节点的连接性能，避免应力集中现象。 本文对不同连接的整体结构和连接节点的受力性能进行分析，研究其破坏模式、滞回性能及承载力情况。
1.1 节点构造
集装箱建筑以箱体作为建筑单元进行装配安装，连接节点是受力关键部位，易出现破坏。针对节点易于破坏的问题，在满足其连接性能的基础上，结合消能减震技术，提出一种集装箱装配式建筑减震连接节点，如图1所示。包括承受水平力的抗剪连接件、承受竖向拉力的高强螺栓、梁端连接加固件和具备传递竖向力的铅黏弹阻尼器等。具体连接方式为：箱体在工厂改造加工时，将梁端连接加固件与箱体的横梁进行连接固定。运到施工现场后，将抗剪连接件插入箱体的角件中，然后通过螺栓把梁端连接加固件与水平连接板固定。这种连接节点现场无需焊接，施工方便，受力简洁明确，既能满足其连接性能，又能够保护连接节点和结构的安全性，为集装箱建筑提供了一种新的连接构造方式。
a—连接节点的分解;b—连接效果。
1—水平连接板；2—铅黏弹阻尼器；3—箱体角柱；4—箱体底梁；5—梁端加固件；6—螺栓孔；7—箱体角件；8—箱体上梁。
图1 集装箱减震连接节点示意
1.2 减震机理
集装箱装配式建筑减震连接节点具有较大的竖向刚度和一定的水平刚度，能够满足节点的连接性能和受力性能，在竖向荷载、风荷载及多遇地震下，连接节点处于弹性工作阶段，不会产生较大的变形。结构在承受较大的地震力时，减震连接节点的铅黏弹性阻尼器进入耗能阶段，降低节点的刚度，耗散地震输入能量，减小节点和主体结构的内力，避免节点处出现应力集中现象，实现保护主体结构的目的。
2.1 模型概况
以相关文献中集装箱试验的模型为对象，对其包含的箱体进行分析，箱体尺寸按照集装箱标准规范GB/T 1413—2008《系列1 集装箱分类、尺寸和额定质量》进行选取，构件的具体尺寸如表1所示，所建模型如图2所示。
表1 集装箱模型构件形式及尺寸 mm
2.2 材料本构关系
钢材全部采用标准的理想弹塑性模型，结构构件材料均为Q345钢材，密度为7 850 kg/m3，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。
a—6 m(20 ft)集装箱；b—12 m(40 ft)集装箱；c—集装箱角件。
图2 集装箱有限元模型
2.3 接触关系
鉴于在实际生产中，构件之间采用的是焊接连接，其近似考虑为刚性连接。在分析时，各个构件之间的连接方式选取Tie连接，并将加载点和角件的实际加载面进行耦合至一个加载点。
2.4 边界条件及加载制度
试验中模型的底部角件采用固定连接方式，因此模型中4个角件底部的边界条件选择固接。加载制度与试验加载制度一致，荷载采用同步、集中加载的方式，在箱体顶部的两个角件上，沿箱体纵向分别施加150 kN的水平力。
2.5 网格划分
考虑到角件是集装箱连接节点的关键构件，需精确考察其应力分布的情况，并且角件上有不规则的开孔，所以角件和柱子采用实体单元，其他构件采用壳单元。为了提高角件的网格精度，将单元尺寸取为10 mm；柱子和梁为主要的受力构件，故单元尺寸取为30 mm；波纹板为非承重构件，单元尺寸取为70 mm。
2.6 模型验证
由有限元模拟的结果，输出加载点的力和位移，得到结构加载的力和位移曲线，并且和试验数据进行对比(图3)，可以看出试验和模拟得到力-位移曲线基本重合，并且由此可以计算出箱体的侧向刚度，进行对比，对比结果见表2。纵向抗侧刚度的模拟值和试验值的相对误差在2%以内，由于理论公式对箱体结构进行了简化，因此与理论推导的相对误差较大。综上对比结果，可证明所建模型的准确性，能够较好地反映出集装箱的受力性能。
a—6 m集装箱建筑;b—12 m集装箱建筑。
图3 力-位移曲线
表2 纵向抗侧刚度对比表
3.1 分析模型概况
本文采用上述的建模方式， 建立2个单 箱组成的两层的集装箱建筑模型，包括6 m和12 m箱体常规固接和减震连接的模型。集装箱建筑常采用连接件和螺栓在角件的位置进行连接，其近似地考虑为刚性连接。鉴于连接件主要承受结构的水平荷载，文中忽略了螺栓的水平抗剪的作用，连接件模型采用国外常用的一种连接件，与角件进行Tie连接，减震连接节点的耗能部件为铅黏弹阻尼器，模型参数见表3，所建模型见图4。连接件采用实体单元，常规连接件的本构模型见2.2节，减震连接件中的橡胶材料采用Ogden 6 模型模拟，模型参数取值：剪切模量 μ 1 =0.46 MPa， μ 2 =3.68×10-7MPa， μ 3 =0.028 MPa，应变 α 1 =0.12, α 2 =2.36， α 3 =4.84，可压缩性参数 D 1 =8.23×10 - 10 ，抗拉强度取15 MPa。
表3 连接节点构件参数
a—常规连接件；b—减震连接件。
图4 连接件模型
分析时在2层箱体的4个角件部位同时进行水平加载，采用位移控制的加载模式，具体加载制度如表4所示，低周往复加载时，每级位移循环1圈。
表4 模型加载制度
3.2 分析结果
3.2.1 结构整体
对集装箱装配式建筑进行单调水平加载，分别得到6 m箱体、12 m箱体组成的集装箱装配式常规结构和集装箱装配式减震结构的Mises应力云图，如图5所示。4种模型在上层箱体侧梁的梁端、柱顶、柱脚和位于角部的波纹板处均发生屈服，常规结构下层箱体的柱顶、上侧梁梁端以及角部的波纹板也进入屈服阶段，而减震结构下部箱体的相应部位没有发生明显屈服，下层箱体基本上处于弹性阶段，并且上层箱体的屈服面积也有了一定的减小。
a—采用常规连接节点的6 m集装箱；b—采用减震连接节点的6 m集装箱；c—采用常规连接节点的12 m集装箱;d—采用减震连接节点的12 m集装箱。
图5 单调水平加载下的Mises应力云图 MPa
对集装箱装配式建筑进行低周往复加载，以分析其在地震作用下结构的反映，得到结构模型的Mises应力云图，如图6所示。4种结构的上层箱体上侧梁的梁端、柱顶和位于角部的波纹板均发生了屈服，下层箱体的应力较小，大部分都处于弹性阶段。对比集装箱装配式常规结构和减震结构的应力云图，使用减震连接节点的集装箱建筑结构的整体应力下降，屈服部位也有一定的减小。从整体结构的应力云图可以看出，采用减震连接节点的结构，既在节点处能够有效释放约束，降低上层箱体的整体应力，减小屈服面积，又减小了向下层箱体传递的力，有效地保护了主体结构。
a—采用常规连接节点的6 m集装箱；b—采用减震连接节点的6 m集装箱；c—采用常规连接节点的12 m集装箱;d—采用减震连接节点的12 m集装箱。
图6 低周往复加载下的Mises应力云图 MPa
3.2.2 节点部位
选取这4种结构模型的同一位置的连接节点，得到其单调水平荷载作用下的Mises应力云图，如图7所示。采用常规连接节点时，节点部位的上层箱体梁端、下层箱体的柱顶和梁端的应力均达到了屈服值，减震连接节点则在很大程度上缓解了节点处应力集中的现象，箱体的梁端及柱顶的屈服面积明显减小，构件基本上都处于弹性阶段。提取减震节点处上下层箱体角件位移，6 m箱体的位移差值为48.6 mm，12 m箱体的位移差值为26.7 mm，说明集装箱装配式减震结构在连接节点处发生了较大错动，降低了节点的刚度，发挥减震节点铅黏弹阻尼器耗能的功能，保护与节点相连的构件，延缓其进入塑性的时间，提高集装箱建筑结构的整体性。低周往复加载时，与减震节点相连接的上下层箱体角件的最大位移差值分别为46 mm和22.1 mm，减震连接节点也发挥了相应的作用，并且在1/50位移角时，铅黏弹性阻尼器的变形没有超过GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中规定的位移限值要求。
a—6 m集装箱常规连接节点部位；b—12 m集装箱常规连接节点；c—6 m集装箱减震连接节点部位;d—12 m集装箱减震连接节点。
图7 节点部位的Mises应力云图 MPa
集装箱建筑基本上都是利用连接件在角件的位置进行连接，角件和连接件的受力性能直接影响结构安全性。图8所示的是12 m集装箱建筑连接节点角件的应力云图，可以看出，采用常规连接节点的角件有很大一部分面积进入了塑性，尤其是角件的洞口位置，有明显的应力集中现象，在弧形段的应力已经远远超过了其屈服应力，极易在此位置发生破坏。采用减震连接节点的角件应力均有了很大程度的降低，屈服面积明显减小，整体基本上依旧处于弹性阶段。集装箱装配式建筑减震连接节点能够有效地缓解角件应力集中的现象，减小了屈服面积，能够保证角件在1/50层间位移角的变形下基本上处于弹性状态，极大地降低了角件连接处洞口弧形段的破坏概率。
a—常规结构单调水平加载下的上、下角件;b—常规结构低周往复加载下的上、下角件；c—减震结构单调水平加载下的上、下角件;d—减震结构低周往复加载下的上、下角件。
图8 12 m集装箱建筑角件的Mises应力云图 10 8 Pa
连接节点处 的水平抗剪承载力主要由连接件提供，以12 m装配式集装箱连接件的应力云图为例(图9)，常规连接节点在单调水平加载下，连接件有很大一部分贯通区域进入了塑性，其应力达到345 MPa；在低周往复加载下，连接件也有较大区域的应力达到345 MPa。采用减震连接节点时，单调水平加载下，角件只有极少一部分区域进入塑性，连接件的可靠性增加；在低周往复加载下，连接件应力集中的现象减少，有效地缓解了连接件承担的水平力。减震连接节点是将刚性连接转换为柔性连接，它可以有效释放连接处的约束，将主体结构的位移转移到柔性的连接位置，使其在满足其连接性能的基础上，减小节点处的应力值，保证连接节点处在弹性范围内，提高了节点的可靠性。
a—单调水平加载(常规连接件);b—低周往复加载(常规连接件);c—单调水平加载(减震连接件);d—低周往复加载(减震连接件)。
图9 12 m集装箱建筑连接件Mises应力云图 10 8 Pa
3.2.3 性能参数分析
图10所示的是单调加载时(受压点)的力-位移曲线。这4种结构形式均在位移荷载加载到10 mm左右的位置进入塑性状态，屈服前刚度和屈服力相似；加载到40 mm时，采用常规连接节点的集装箱装配式结构的承载力开始下降，且强度退化较明显，6 m箱体建筑加载到95 mm的位置时，12 m箱体建筑加载到88 mm的位置时，结构水平承载力下降至峰值的85%。而采用减震连接节点的结构承载力则在60 mm的位置开始下降，并且承载力下降幅度较小，加载到1/50层间角的位移荷载时，结构水平承载力均在峰值的85%以上，尤其是6 m箱体的集装箱结构，基本无明显的下降段。
a—6 m集装箱建筑;b—12 m集装箱建筑。
图10 力和位移曲线
由表5可知：变形大部分发生在结构的二层，常规结构二层的层间位移达到了90 mm以上；采用减震连接节点结构，将变形转移到柔性节点，6 m结构的二层位移减小38.16 mm，12 m箱体的二层位移减小19.26 mm，有效地减小了结构本身的变形。同时，在进行箱体改造的时候，要增加抗侧构件，提高箱体的抗侧刚度，保证结构构件均匀受力。
表5 结构位移 mm
由集装箱装配式结构的滞回曲线(图11)可以看出，集装箱建筑本身就具有较好的滞回性能，这是钢材屈服耗能的特有属性。尤其是箱体角部的波纹板，属于应力较大的部位，容易屈服，波纹板屈服进入塑性阶段后变形吸收能量，在一定程度上发挥了类似金属阻尼器的作用。对比两种结构类型的滞回曲线，减震结构在箱体钢构件屈服面积减小的情况下，结构的滞回曲线反而更为饱满(尤其是6 m箱体装配结构)，这说明了减震连接节点发挥了较好的耗能作用。
a—6 m集装箱结构滞回曲线;b—12 m集装箱结构滞回曲线。
图11 结构滞回曲线
骨架曲线是反映结构在各个不同阶段的受力与变形及特性的重要依据。以6 m结构为例(图12)，由于结构的抗侧侧构件(如箱体的上侧梁)在受压时发生了平面外的变形，结构的受压承载力要小于受拉状态，因此本文设计的减震连接节点中加入梁端加固件，以保证梁端平面内的稳定性，以此提高其水平承载力。受压时，常规结构的刚度退化现象较减震结构明显；受拉时，采用两种连接方式的结构刚度相近。对比6 m减震结构和12 m减震结构的骨架曲线，可以看出：12 m结构的2层箱体屈服后吸收了更多的变形(表5)，使得节点处产生的位移变小，因此6 m箱体的集装箱建筑的减震连接节点的滞回性能要优于12 m的箱体建筑(图13)。
图12 集装箱结构骨架曲线
图13 节点滞回曲线
表6为根据骨架曲线得到的结构性能参数，结构的屈服位移用等效弹性刚度法得到。可以看出减震连接节点降低了结构的屈服刚度，使结构的屈服位移增大，延缓了结构进入塑性的时间。通过定义结构储备系数=极限承载力/屈服力，来表示结构达到极限承载力后继续承载的能力，对比两种结构的储备系数可以看出，减震结构均优于常规结构。
表6 结构性能参数
1)从结构整体方面，集装箱装配式减震结构相对于集装箱常规结构，结构的滞回曲线更加饱满，结构的整体应力下降，构件的屈服面积减小，强度退化降低，能够保证结构在地震下具有较好的抗震性能，6 m箱体的建筑要优于12 m箱体的建筑。
2)波纹板是集装箱中较容易发生屈服的构件，其屈服后可耗散地震能量，起到了金属阻尼器的作用，集装箱建筑进行抗震设计时，应考虑波纹板的作用。
3)连接节点是水平承载力的主控位置，要保证连接节点及节点处的主体构件在地震等水平力作用下不被破坏。减震连接节点既能够避免连接节点的应力集中现象，使角件和连接件的屈服面积减小，同时又设置加固件对梁端进行加固，有效地保证连接节点的可靠性，提高了结构水平承载力。
来源：吴从晓，杨渊，吴从永,等. 集装箱装配建筑减震结构及连接节点抗震性能分析研究[J]. 钢结构, 2019, 34(4): 1-8.
DOI: 10.13206/j.gjg.201904001
