為改善鋼結(jié)構(gòu)裝配式模塊化建筑現(xiàn)有模塊間節(jié)點(diǎn)存在的不足,，文章針對(duì)一種承插型螺栓連接節(jié)點(diǎn)，采用理論分析與數(shù)值模擬手段對(duì)所提節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行研究,，建立了節(jié)點(diǎn)在受拉,、受剪、受彎工況下的理論分析模型,，推導(dǎo)了承載力理論計(jì)算式,，利用有限元軟件對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模與數(shù)值模擬，驗(yàn)證了承載力計(jì)算式的正確性,。

本文提出的承插型螺栓連接節(jié)點(diǎn)如圖1所示,，其主要由上柱插頭件、下柱承接件,、水平螺栓組成,。模塊單元的立柱、橫梁均與插頭或承接件在工廠完成焊接,，上柱插頭件與下柱承接件相互契合,。上柱插頭件頂面設(shè)有連接板（板上留有注膠孔），側(cè)面預(yù)留螺栓孔,；下柱承接件內(nèi)部設(shè)置了承接端板,，下端焊接了連接板，側(cè)面預(yù)留了與插頭件相對(duì)應(yīng)的螺栓孔,。模塊單元焊接工作均在工廠完成,，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，先定位平整后,，再將上柱插頭件對(duì)應(yīng)插入下柱承接件中,，并利用水平螺栓將模塊連成整體，最后進(jìn)行注膠封孔,。該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式具有以下優(yōu)點(diǎn),。

（1）安裝便捷，裝配效率高。該節(jié)點(diǎn)在模塊柱定位插入后利用水平螺栓固定即可,，對(duì)施工空間要求不高,，且減少了現(xiàn)場(chǎng)施工量，有利于實(shí)現(xiàn)模塊化建筑的高效裝配,。

（2）受力明確,，整體穩(wěn)定性好。節(jié)點(diǎn)承受的荷載由不同部件分擔(dān),，其中上部荷載通過(guò)承插套筒傳遞給下柱,。螺栓主要承受拉力作用，其抗彎及抗剪作用由承插套筒提供,，承插型特性提高了節(jié)點(diǎn)剛度及結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性,。

（3）適用性強(qiáng)，構(gòu)件完整性好,。節(jié)點(diǎn)除連接上下模塊外,，還可通過(guò)水平長(zhǎng)螺栓將模塊進(jìn)行水平連接，適用于角,、邊,、中柱等節(jié)點(diǎn)位置；模塊梁柱與插頭件（或承接件）在角部焊接相連,，相比梁柱端開(kāi)孔的節(jié)點(diǎn)形式,，能避免開(kāi)孔引起的構(gòu)件截面削弱。

為研究模塊間承插型螺栓連接節(jié)點(diǎn)的受力性能,，取上下雙模塊角柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受拉,、受剪、受彎工況下的承載力分析,。

在受拉工況下,，建立的雙模塊角柱承插型節(jié)點(diǎn)抗拉承載力分析模型如圖2所示，上柱端口與上柱插頭件,、下柱端口與下柱承接件均為焊接固定,，下模塊柱低端設(shè)為固定約束，在上模塊柱頂端施加豎直方向的拉力,。為簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)抗拉承載力計(jì)算過(guò)程，對(duì)分析模型作出如下假設(shè)：①忽略上下模塊梁對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉作用的影響,；②忽略上柱插頭件與下柱承接件之間的摩擦影響,。基于給出的抗拉承載力分析模型,，節(jié)點(diǎn)的破壞模式可分為水平螺栓剪切破壞與螺栓孔壁擠壓破壞,。

（1）水平螺栓剪切破壞。承插型節(jié)點(diǎn)受拉時(shí)，水平螺栓主要承受剪力,，節(jié)點(diǎn)的抗拉承載力主要與螺栓的大小以及數(shù)量相關(guān),，螺栓剪切破壞時(shí)的抗拉承載力計(jì)算式如下。

式中,，n為螺栓數(shù)量,；f_vb為螺栓的抗剪強(qiáng)度；A_b為螺栓的橫向截面積,；d_b為螺栓的直徑,。

（2）螺栓孔壁擠壓破壞。節(jié)點(diǎn)受拉作用時(shí),，水平螺栓與螺栓孔壁會(huì)產(chǎn)生豎向的相互作用,，使得螺栓孔壁受擠壓破壞，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的抗拉承載力可表示如下,。

式中,，f_y為節(jié)點(diǎn)鋼材的抗壓強(qiáng)度；A₀為螺栓孔壁有效擠壓面積,；t₀為節(jié)點(diǎn)壁厚（取上柱插頭件與下柱承接件中的壁厚較小值）,。

綜上，承插型螺栓連接節(jié)點(diǎn)抗拉承載力的計(jì)算式如下：

受剪工況下,，建立的雙模塊角柱節(jié)點(diǎn)抗剪承載力分析模型如圖3所示,，上柱與上模塊梁均焊接固定在上柱插頭件上，下柱與下模塊梁均焊接固定在下柱承接件上,，下模塊柱低端設(shè)為固定約束,。為方便加載，將下模塊梁遠(yuǎn)端設(shè)為固定約束,，上模塊梁遠(yuǎn)端為無(wú)約束狀態(tài),。通過(guò)考慮軸壓比為0.2，在上模塊梁施加水平力使節(jié)點(diǎn)受剪,。為簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)抗剪承載力計(jì)算過(guò)程,，對(duì)分析模型假設(shè)如下：①忽略水平螺栓對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪作用的貢獻(xiàn)；②不考慮構(gòu)件對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪作用的影響,?；诮o出的抗剪承載力分析模型，剪力的傳遞僅由承插套筒承擔(dān),，由于插頭件受剪面積小于承接件,，因此承插型節(jié)點(diǎn)的破壞模式為上柱插頭件剪切破壞，其抗剪承載力計(jì)算式如下,。

受彎工況下,，建立的雙模塊角柱節(jié)點(diǎn)抗彎承載力分析模型如圖4所示,，上柱與上模塊梁均焊接固定在插頭件上，下柱與下模塊梁均焊接固定在承接件上,，下模塊柱低端與下模塊梁遠(yuǎn)端設(shè)為固定約束,，在上模塊柱施加外力矩（水平力產(chǎn)生）。為簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)抗彎承載力計(jì)算過(guò)程,，忽略水平螺栓對(duì)節(jié)點(diǎn)抗彎作用的貢獻(xiàn),，彎矩傳遞主要由節(jié)點(diǎn)承插套筒承擔(dān)，破壞模式為鋼筒壁受擠壓破壞,。

基于給出的抗彎承載力分析模型,，由于模塊梁對(duì)連接節(jié)點(diǎn)受彎性能影響較大，因此抗彎承載力需分兩種極限狀態(tài)進(jìn)行分析：

（1）模塊梁完全限制節(jié)點(diǎn)位移時(shí)的插頭件橫截面受彎極限狀態(tài),，如圖5（a）所示,，此時(shí)抗彎承載力計(jì)算式如下。

式中,，f_y為節(jié)點(diǎn)鋼材的抗壓強(qiáng)度,；t為插頭件壁厚；b,、h分別為插頭件橫截面外側(cè)寬度,、高度。

（2）模塊梁完全失效時(shí)的插頭件橫截面受彎極限狀態(tài),，如圖5（b）所示,，此時(shí)抗彎承載力計(jì)算式如下。

實(shí)際情況下的抗彎承載力按式（7）取值,，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)需要在此范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)幅,。

為研究承插型連接節(jié)點(diǎn)的承載力性能，基于Midas FEA有限元軟件,，建立承插型螺栓連接節(jié)點(diǎn)有限元模型,，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉、抗剪及抗彎性能進(jìn)行研究,。

連接節(jié)點(diǎn)由插頭件,、承接件、水平螺栓組成,，上,、下端板均為邊長(zhǎng)200 mm×200 mm，厚度為20 mm,；插頭件分為插頭和插入兩個(gè),，插頭部分為箱型截面，200 mm×200 mm×16 mm,，長(zhǎng)度為200 mm,；插入部分為箱型截面，160 mm×160 mm×12 mm,，長(zhǎng)度為500 mm,；承接件為箱型截面，200 mm×200 mm×16 mm,，長(zhǎng)度為500 mm,。插頭件與承接件之間通過(guò)4個(gè)交叉的水平螺栓進(jìn)行連接，將正面第一個(gè)螺栓孔設(shè)置在距離下承接件下邊緣140 mm處,，將第二個(gè)螺栓孔設(shè)置在第一個(gè)螺栓孔上160 mm處,，將側(cè)面第一個(gè)螺栓孔設(shè)置在距離下承接件下邊緣60 mm處。將第二個(gè)螺栓孔設(shè)置在第一個(gè)螺栓孔上160 mm處時(shí),，螺栓的螺帽為正六邊形,，外徑為46 mm，高度為15 mm,，螺桿長(zhǎng)度為250 mm,，直徑為24 mm。

節(jié)點(diǎn)本構(gòu)模型中鋼材均采用Von Mess本構(gòu)模型,。梁,、柱鋼材采用Q345，屈服強(qiáng)度為310 MPa,；螺栓采用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓,，屈服強(qiáng)度為900 MPa；承插件鋼材采用Q345GJ,，屈服強(qiáng)度為310 MPa,。鋼材彈性模量為2.06×10⁵ MPa，容重為76.98 kN/m³,，泊松比取0.3,，膨脹系數(shù)取1.2×10^-5·℃^-1。

采用Midas FEA對(duì)節(jié)點(diǎn)在不同工況下的承載力進(jìn)行建模分析,。由于構(gòu)件接觸關(guān)系較多,，為使結(jié)果收斂采用非線性靜力分析法,。為了保證模擬結(jié)果的精確度和接觸關(guān)系的正常運(yùn)作，模型所有單元均采用自動(dòng)實(shí)體,，并由默認(rèn)四面體混合網(wǎng)格生成器匹配相鄰面進(jìn)行劃分,。梁柱節(jié)點(diǎn)劃分尺寸為20 mm，承插構(gòu)件的劃分尺寸為10 mm,，螺栓的劃分尺寸為5 mm,，并在螺栓孔邊緣設(shè)置分割長(zhǎng)度為5 mm的尺寸控制線。

承,、插件和端板之間,，承、插件和梁柱之間以及螺栓和承,、插件之間均設(shè)置接觸對(duì),。承、插件和端板之間與承,、插件和梁柱之間接觸類(lèi)型均為焊接,，螺栓和承、插件之間為一般連接,。

（1）受拉模型如圖6（a）所示,，包括承插型節(jié)點(diǎn)和角柱，角柱為箱型截面,，200 mm×200 mm×16 mm,，柱高為500 mm。下模塊柱底面設(shè)置為固定約束,，在上模塊柱頂面設(shè)置荷載前,，為了避免集中荷載直接加在柱端產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，以頂面節(jié)點(diǎn)中心為剛性節(jié)點(diǎn)與頂面節(jié)點(diǎn)建立剛性連接,，再在節(jié)點(diǎn)上施加一個(gè)豎直向上的集中力,。

（2）受剪模型如圖6（b）所示，包括承插型節(jié)點(diǎn),、角柱,、梁。角柱為箱型截面,，200 mm×200 mm×16 mm,，柱高為500 mm；梁為箱型截面,，160 mm×160 mm×14 mm,，長(zhǎng)度為500 mm。下模塊角柱底面和下模塊梁右端面均設(shè)置為固定約束,，在上模塊柱截面按0.2軸壓比施加一個(gè)垂直向下的壓力,，并在上模塊梁右端以端面節(jié)點(diǎn)中心為剛性節(jié)點(diǎn)與端面節(jié)點(diǎn)建立剛性連接,，再在節(jié)點(diǎn)上施加一個(gè)水平向左的集中力。

（3）受彎模型如圖6（c）所示,，包括承插型節(jié)點(diǎn),、下模塊角柱,、加載柱,、下模塊梁及加載梁。下模塊角柱為箱型截面,，200 mm×200 mm×16 mm,，柱高為500 mm；加載柱為箱型截面,，200 mm×200 mm×16 mm,，柱高為1 120 mm；下模塊梁為箱型截面,，160 mm×160 mm×14 mm,，長(zhǎng)度為500 mm；加載梁為箱型截面,，160 mm×160 mm×14 mm,，長(zhǎng)度為500 mm。下模塊角柱底面和下模塊梁右端面均設(shè)置為固定約束,，在加載梁左端以端面節(jié)點(diǎn)中心為剛性節(jié)點(diǎn)與端面節(jié)點(diǎn)建立剛性連接,，再在節(jié)點(diǎn)上施加一個(gè)水平向右的集中力，以模擬節(jié)點(diǎn)受彎,。

基于各工況下節(jié)點(diǎn)的理論分析模型與有限元模型,，得到承插型節(jié)點(diǎn)在數(shù)值模擬下的荷載－位移曲線，如圖7所示,，進(jìn)一步得到各工況下理論模型與有限元模型計(jì)算結(jié)果,，詳見(jiàn)表1。

（1）受拉工況,。受拉破壞應(yīng)力云圖如圖8所示,，此時(shí)節(jié)點(diǎn)外部承接件的分布應(yīng)力較小，而插頭件與水平螺栓分布應(yīng)力較大,，在螺栓孔壁及螺栓兩端剪切處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,。由此可知，受拉工況下承插型節(jié)點(diǎn)的拉力傳遞主要由水平螺栓承擔(dān),，這與理論分析一致,。理論與數(shù)值模擬分析的受拉破壞模式均為螺栓孔壁擠壓破壞，通過(guò)兩種方法得到的抗拉承載力計(jì)算結(jié)果誤差僅為-2.19%,，驗(yàn)證了有限元模型的合理性與節(jié)點(diǎn)抗拉承載力計(jì)算式的準(zhǔn)確性,。由插頭件與水平螺栓應(yīng)力分布可知,，各螺栓的剪切應(yīng)力并不均勻分布，上下螺栓應(yīng)力大于中間螺栓應(yīng)力,，這是由于實(shí)際工程中多螺栓受剪時(shí),，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)力無(wú)法完全重分布，導(dǎo)致螺栓受力不均,，出現(xiàn)螺栓布置區(qū)間兩端受力大于中間受力情形,，導(dǎo)致最上或最下側(cè)螺栓首先發(fā)生破壞。

（2）受剪工況,。圖9為受剪破壞應(yīng)力云圖,，節(jié)點(diǎn)插頭件分布應(yīng)力明顯大于承接件，且在梁端連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,，承插件接口處的應(yīng)力顯著大于水平螺栓,，表明剪力主要通過(guò)節(jié)點(diǎn)承插套筒傳遞，在彈性變形階段可忽略螺栓對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪的影響,。有限元模型的破壞模式與理論分析模型一致,，均為插頭件剪切破壞，兩者計(jì)算得到抗剪承載力相差較小,，約為4.47%,，驗(yàn)證了受剪工況下有限元模型的合理性與節(jié)點(diǎn)抗剪承載力計(jì)算式的準(zhǔn)確性。通過(guò)分析計(jì)算,，節(jié)點(diǎn)抗剪承載力約為1 221.5 kN,，表明此節(jié)點(diǎn)能抵抗較大的水平荷載，適用于高層模塊化建筑,。

（3）受彎工況,。圖10為受彎破壞應(yīng)力云圖，節(jié)點(diǎn)插頭件應(yīng)力分布較承接件明顯,，在承插件接口處插頭件出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,，而螺栓分布應(yīng)力較小，表明承插型節(jié)點(diǎn)彎矩傳遞主要通過(guò)承插套筒傳遞,，在彈性變形階段可忽略螺栓對(duì)節(jié)點(diǎn)抗彎的貢獻(xiàn),。有限元模型破壞模式表現(xiàn)為插頭件鋼筒壁受擠壓破壞，這與理論分析模型相一致,，并且有限元計(jì)算得到的抗彎承載力為101.8 kN·m,，位于59.3～118.6 kN·m，驗(yàn)證了受彎工況下有限元模型的合理性與節(jié)點(diǎn)抗彎承載力計(jì)算式的準(zhǔn)確性,。有限元抗彎模擬考慮了梁端對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束作用,，由于受力變形影響，其抗彎承載力值介于理論分析中兩種極限狀態(tài)之間。

（1）提出了一種模塊間承插型螺栓連接節(jié)點(diǎn),，此節(jié)點(diǎn)具有裝配效率高,、整體穩(wěn)定性好、適用性強(qiáng),、構(gòu)件完整性好等優(yōu)點(diǎn),，適用于高層鋼結(jié)構(gòu)裝配式模塊化建筑。

（2）考慮抗拉,、抗剪,、抗彎工況，對(duì)承插型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了承載性能理論分析,。分別建立了雙模塊節(jié)點(diǎn)在各工況下的承載力分析模型,，并推導(dǎo)了相應(yīng)的承載力理論計(jì)算式。

（3）基于Midas FEA有限元軟件,，建立了承插型連接節(jié)點(diǎn)有限元模型，研究了節(jié)點(diǎn)的抗拉,、抗剪及抗彎性能,。通過(guò)對(duì)比各工況下節(jié)點(diǎn)承載力的理論計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果，驗(yàn)證了有限元模型的合理性與節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算式的正確性,。

（4）通過(guò)對(duì)承插型節(jié)點(diǎn)的理論與數(shù)值模擬分析可知,，在受拉工況下主要通過(guò)螺栓傳遞拉力，破壞模式為螺栓孔壁擠壓破壞,；在受剪工況下主要通過(guò)承插套筒傳遞剪力,，破壞模式為插頭件剪切破壞；在受彎工況下由承插套筒傳遞彎矩,，破壞模式為插頭件鋼筒壁受擠壓破壞,。