1、轻钢模块化箱式房屋研究现状综述 康轶涛 郭彦利 王亚东 南昌工程学院江西省水利土木工程基础设施安全重点实验室 南昌工程学院江西省水利土木特种加固与安全监控工程研究中心 摘 要： 轻钢模块化箱式房屋是一种新兴的可预制装配化建筑结构体系。本文介绍了轻钢模块化箱式房屋的结构体系和传力机制, 总结了国内外对轻钢模块化箱式房屋的理论研究成果, 最后在分析的基础上总结了轻钢模块化箱式房屋研究目前急需解决的问题。关键词： 轻型钢结构; 模块化房屋; 受力性能; 节点; 作者简介：康轶涛 (1995-) , 男, 山西晋中人, 本科, 从事装配化钢结构研究。作者简介：郭彦利 (1977-) , 女, 山西长治
2、人, 讲师, 博士研究生, 从事装配化钢结构及冷弯型钢结构研究收稿日期：2017-06-12基金：国家自然科学基金资助项目 (51308277) REVIEW OF THE RESEARCH PROGRESS OF LIGHT-WEIGHT STEEL MODULAR BUILDINGKANG Yitao GUO Yanli WANG Yadong Nanchang Institute of Technology, Jiangxi Province Key Laboratory of Hydraulic and Civil Engi.Infrastructure Security; Abstr
3、act： Light steel modular box building is a new style prefabricated and assembled building structure system. This paper introduces the structural system and load transfer mechanism of steel modular building, and summary the theoretical research on light steel modular building at home and abroad, on t
4、he basis of the analysis summarized the research of light steel modular box building problem solved urgently.Keyword： light-weight steel; modular building; mechanics performance; joints; Received： 2017-06-120 引言“十三五”期间, 国家明确提出建筑产业化、大力发展装配式建筑, 随着装配式建筑的大力推进, 轻钢模块化箱式房屋的应用越来越多。模块化是一种新的建筑设计理念, 它将一个复杂建筑物自
5、上而下拆分成若干个子模块, 这些子模块都独立地承担着局部空间各自的功能要求, 以他们为单元提前在工厂进行加工预制, 同时也可在工厂对子模块的内部进行装修, 最后通过现场吊装, 采用“搭积木”的方式完整地拼装、组合, 并用节点连接成为建筑整体。而传统的建造方式一般是以现场手工湿作业为主, 具有建设周期长、能耗高、环境污染大、效率低的特点, 并且由于建筑工人的技术水平参差不齐, 也会导致建筑的质量和性能难以保障。所以轻钢模块化箱式房屋与传统结构体系相比, 就具有了显著的优点。一方面钢材延性好、塑性变形能力强、属于绿色环保材料, 轻钢结构强度高而自重小、抗震性能好;另一方面, 可实行工业化生产, 易
6、于控制成本, 并且有效提高建筑品质, 施工不受季节影响, 施工现场少有建筑垃圾, 符合我国关于绿色建筑的发展要求。目前, 国内外学者对轻钢模块化箱式房屋的受力性能和应用推广进行了相关研究, 但仍存在一定问题。为此, 本文在分析轻钢模块化箱式房屋结构体系及传力机制的基础上, 对目前轻钢模块化箱式房屋的理论研究现状进行了系统介绍, 进而分析了目前其研究存在的问题及解决措施。1 轻钢模块化箱式房屋结构体系及传力机制轻钢模块化箱式房屋结构目前主要有三种结构类型:框架式、墙体式和框架内嵌墙体式。框架式模块类似于传统的热轧钢框架结构, 单个子模块是通过屋面梁、楼面梁和四根角立柱承重, 竖向荷载通过每一根立
7、柱直接传递给下面模块的立柱, 因此对底层模块立柱的强度和刚度要求较高, 水平荷载通过单模块间的节点进行层间传递;墙体式模块完全由子模块的四面“外墙”承重, 竖向荷载通过每一面墙体直接传递给下面模块的墙体, 对底层墙体的强度和刚度要求也比较高, 水平荷载通过墙体间的连接节点进行层间传递。所以, 框架式和墙体式模块建筑物的最大高度都会受到底层墙、柱承载力的限制。框架内嵌墙体式模块, 见图 1, 相较上面两种模块式房屋结构受力较为复杂。该结构体系是通过将冷弯钢管或冷弯槽钢连接形成箱形框架, 以 OSB 板、石膏板、钢板等作为面板与冷弯薄壁型钢龙骨连接形成复合墙体和楼板, 复合墙体和箱型框架连接形成单
8、个模块单元。单个模块单元通过梁柱节点连接形成整体结构体系。框架内嵌墙体式轻钢模块化箱式房屋的竖向荷载主要包括模块单元重力荷载、屋面与楼面荷载。屋面荷载通过屋面梁传递给顶层模块的钢墙体骨架和角立柱, 钢墙体骨架通过下导轨将力传给角立柱, 通过连接节点再传递给下一层模块的角立柱;各层楼面荷载通过楼面梁传递给角立柱, 角立柱再通过连接节点传递给下一层角立柱, 层层传递, 直到底层钢墙体骨架、角立柱, 进而通过底座传递给基础。框架内嵌墙体式轻钢模块化箱式房屋的水平荷载通过屋面板和楼面板传递给角立柱和内嵌墙体, 框架和内嵌墙体共同抵抗水平荷载, 内嵌墙体可作为抗震的第二道防线, 再通过箱型模块间的连接节
9、点层层传递给基础。连接节点在受力过程中维持了建筑物的整体平衡和侧向刚度, 受力较为复杂。从轻钢模块化房屋的荷载传递路径来看, 模块间的连接节点的受力性能直接决定了模块化房屋的整体受力性能。2 轻钢模块化箱式房屋研究现状国外发达国家从二战后, 由于亟待解决房屋紧缺问题, 并且推进城市化和工业化进程, 模块化箱式房屋得到了快速发展。相比之下, 我国对于模块化建筑的研究起步较晚, 在一些方面仍有不足。2.1 结构体系Lawson 等人对模块化建筑的多高层结构体系进行了相关研究1。对 12 层以上的建筑物进行了荷载测试并分析了轻钢模块化墙体的受压情况。对于模块化墙体测试, 见图 2, 发现了石膏板和外
10、覆面板能有效防止槽形构件的弱轴屈曲, 从而使破坏主要发生在主轴屈曲和局部压曲破坏。考虑了二次效应和建造公差的影响, 进而提出了一种高层模块化设计方法。对模块和走廊间的典型连接节点做了拉伸试验, 见图 3, 节点能够安全的将风荷载传递到房屋侧向支撑。同时可提高角柱的抗压强度, 但立柱抗力受到墙板的侧向刚度的影响。同时对所采用的轻钢墙板受力性能进行的试验研究, 为结构设计提供了依据。国内目前研发的模块化箱式房屋绝大部分都是 3 层以内的低层建筑。比如:浙江泰格集成房屋有限公司开发了 2 层的模块化建筑住宅, 住宅共分四个模块, 分别为 3 个房屋模块和门廊模块, 釆用轻钢框架与 SIP 墙板组成。
11、宝钢集团研发的 2 层钢结构模块化建筑房屋, 该房屋由 13 个模块单元构成, 钢框架模块为采用钢框架与冷弯薄壁型钢墙体组合而成。在高层建筑方面, 远大集团进行多次尝试, 建成多栋示范工程。从 6d 建好 15层的“低碳新方舟综合示范楼”, 到 15d 建成 30 层的“长沙新方舟宾馆, 见图4, 都充分发挥了模块化箱式房屋的优势。以长沙新方舟宾馆为例, 其建筑体系是以钢框架为结构支撑, 以主板为单元, 组合成基本建筑形式。其中, 主板是指在集成建筑中, 包含该层地板和下层天花板及两板之间已安装好的空调、通风、给排水、电气等所有设备管线的构造部分。在主板出厂时每块主板上可摆满立柱、斜撑、墙体、
12、门窗等该楼面需要的构件。当对主板进行现场吊装后, 工人可使用螺栓装上柱撑墙窗等, 以及楼层间的连接管线, 快速而精准地完成安装工程。在中国建筑科学研究院进行的 30 层该模块化体系的 1/10 缩尺模型振动台试验, 见图 5, 表明, 在 7 度、8 度、9 度多遇地震下, 主体结构未见明显损坏, 在 9 度罕遇地震下, 整体结构没有倒塌, 证明其抗震性能良好。该结构体系主要适用于 100m 以下的建筑。2.2 连接节点从轻钢模块化箱式房屋的整体性能研究看出, 单个模块间的连接节点受力性能决定了房屋的整体性能, 由于节点处的单模块连接数较多, 连接比较复杂, 我国学者提出了一些构造相对比较简单
13、的连接形式。查晓雄2提出了十字钢板卡件连接方式, 见图 6。螺栓连接和双头锥都可以承受水平比较大的剪力, 卡件或锁件通过作用在横向的模块单元角件之间将两个模块单元连接起来, 起到了纵向的抗剪作用和抗拉作用。模块单元的角件构造特殊, 柱角角件可以直接卡进突出的卡槽中, 其中卡槽里有可以进行方向变化的卡件, 一个这样的十字板卡件结构可以与上下共 8 个角柱角件相连, 十字钢板卡件可在工厂直接加工完成。十字钢板卡件拆分方便, 可大大增强其移动能力。但是只适用于低层模块化建筑。天津市建筑设计院研发了平板钢管连接的模块化建筑节点连接形式, 该连接方式适用于层数较低的模块化建筑。节点构造为竖向相邻的模块通
14、过连接件连接, 连接件由中央预留孔洞的连接板与连接钢管焊接组成, 钢管直径与模块角柱下部封板开孔相近, 钢管上部有一带孔垫板;在模块单元角柱的两端设置中央开孔的端部封板, 通过螺杆施加预应力连接;螺杆采用高强度钢棒, 螺杆接头采用接驳器, 并在垫片上下一定距离内进行连接延长。李国强等人3针对冷弯钢管柱箱式房屋提出了钢梁高强螺栓半刚性连接的节点形式。他提出采用焊接连接模块单元的梁、柱, 通过高强螺栓连接上层模块单元箱体的底部楼板梁和下层模块单元箱体的顶部天花板梁以及水平相邻模块单元的梁。通过实验得出梁腹板上的高强螺栓直接承载了水平位移生成的剪力, 梁腹板上的螺栓和矩形连接嵌板共同承载了垂直方向的
15、模块间的拉力。2.3 整体受力性能Hong 等人4对带有波纹双层钢板的模块单元框架受力性能进行了试验研究。其分别对双层钢板、单层模块单元框架、双层模块框架以及带有双层钢板的双层模块框架进行滞回试验研究, 见图 7, 其结果表明在框架结构整体屈服前所有钢板体系达到了屈服点, 这使一些以框架为主的结构破坏得到了控制。同时, 钢板体系增强了整体结构的初始横向刚度, 并且在钢板接近局部屈服前保持了该板的弹性状态。通过对带有 12 个轻钢板的全尺框架试验, 可以证实轻钢板可以有效地作为结构抵抗横向力的补充, 其性能可由双层钢板的滞回试验得到。张惊宙等人5对冷弯薄壁型钢龙骨模块建筑结构的受力性能进行了分析
16、。利用有限元方法对比分析了在建筑层数、开洞、进深等因素的影响下, 墙承重式和柱承重式两种冷弯薄壁型钢龙骨模块传力体系的受力特点、受力性能和用钢量, 确定了这两种模块的合理应用范围, 并提出了设计建议。查晓雄等人6对多层集装箱改造房的安全性进行了公式推导。其通过对集装箱模块的合理简化得出了在建筑理论限定范围内, 在竖向荷载下随意搭建的多层集装箱房屋中任意柱子的轴力计算公式和保证其在水平荷载作用下的稳定性的侧移计算公式。对高温下的力学性能进行了研究, 并采用有限元软件 ABAQUS 进行模拟实验。由于多层集装箱房屋在拼装和整体结构方面与轻钢模块化箱式房屋具有相似性, 因此对多层轻钢模块化箱式房屋建
17、筑具有一定的借鉴价值。但在单个模块结构特点上有较大不同。2.4 抗震性能Annan 等人7-10对多层钢模块建筑的抗震性能进行了相关研究。对钢模块框架与传统框架进行了拟静力试验, 见图 8, 模块间连接形式包括焊接与螺栓连接, 试验结果表明, 传统钢框架试件的破坏形式为 X 型支撑屈曲, 而钢模块框架试件的破坏形式为模块间短柱发生弯曲破环, 主要原因是因为支撑单元不能对模块间短柱提供支撑作用, 因此钢模块框架的抗震性能更多地取决于模块间的竖向连接情况。澳大利亚 Hickory 集团目前已推出了第六代模块化建筑技术。该技术在高层及超高层建筑上取得了突破, 也是目前世界上唯一突破高度限制的模块化建
18、筑系统。该模块化建筑技术整体采用轻、重型钢材连接结构, 综合抗震强度达到九度以上。胡晓等人11研究了两种基于模块化设计的钢框架结构的抗震性能。对两种模型接口刚接和铰接情况进行了弹性及静力弹塑性分析。通过计算分析得到, 在满足抗震需求的前提下, 结构的基底和模块间接口处的节点连接是结构的薄弱环节。彭忠12通过有限元计算软件对三种典型的壁厚大于 6mm 的冷弯型钢梁柱半刚性节点在低周往复荷载作用下的抗震性能进行了分析研究。研究了三种节点抗震性能的指标, 包括滞回曲线、骨架曲线、延性、粘滞阻尼系数、强度与刚度退化, 并对比分析了三种节点的承载力和抗震能力, 得出了三种节点中外伸端板高强螺栓连接节点的
19、抗震性能最好, 双腹板、顶底角钢高强螺栓连接节点的抗震性能次之, 顶底角钢高强螺栓连接节点的抗震性能最差。增加外伸端板高强螺栓连接节点的螺栓直径能显著提高反映节点抗震性能好坏的指标。各类节点的延性和耗能性能均很好, 在到达最大承载力之后仍可以吸收较多的能量, 抗震性能显著, 且外伸端板高强螺栓连接节点的耗能性能好于其他两类节点。3 讨论从国内外的研究现状中不难发现, 国外的轻钢模块化箱式房屋的发展日臻成熟, 而国内随着经济和技术的发展, 住建部也发布了“十三五”装配式建筑行动方案13。可见, 虽然目前我国在该领域还处于起步阶段, 但轻钢模块化箱式房屋结构体系未来在我国建筑装配化领域中会呈现出“
20、井喷式”的发展趋势。目前国内相关学者、研究院以及建筑公司针对轻钢模块化房屋在结构体系、整体受力性能和抗震性能方面研究日臻成熟, 但是还存在一定的局限性。比如目前研发的连接节点多数构造复杂, 安装拆卸过程复杂繁琐, 尤其是在水平相邻模块间矩形管柱的连接常常很复杂且成效不大, 还存在抗震等级低, 建筑结构整体性不强等问题, 所以这些节点只能适用于低层建筑。而连接节点作为模块化箱式房屋结构传力的关键部位, 在受力过程中, 需要维持结构的整体平衡和侧向刚度, 并传递结构整体的水平和竖向荷载, 节点处需传递拉力、剪力和弯矩作用, 受力较为复杂。所以不同的节点连接形式和受力性能都会直接影响整体结构的受力性
21、能。连接节点在整个模块化箱式房屋建筑体系中起着重要的作用。模块化箱式房屋将会大量应用于多、高层建筑房屋中, 急需针对构造简单、传力直接、施工方便、抗震性能好的新型连接节点进行研发。作者近期提出了新型的冷弯型钢梁贯通式连接节点和柱贯通式连接节点, 如图 9 所示, 这两种节点均通过高强螺栓连接。垂直方向和水平方向模块间的节点都有很好的抗拉和抗剪能力, 节点抗拉、抗剪以及抗弯均以高强螺栓的滑动为破坏模式。这种连接节点提高了模块化房屋结构的抗震性能和整体结构协同受力性能。为了进一步在多、高层模块化房屋中推广应用此类节点, 需要针对节点的抗剪、抗弯性能、模块化房屋的整体协同性能、抗震性能以及节点的设计
22、方法等关键技术进行系统研究。4 结语轻钢模块化箱式房屋是模块化建筑中的一个发展方向。本文针对轻钢模块化箱式房屋的结构体系和传力机制, 模块化房屋的结构体系、受力性能、抗震性能等国内外的研究现状进行了阐述, 在此基础上针对模块化房屋研究存在的问题及解决措施进行了简要介绍。得到以下结论:轻钢模块化箱式房屋作为近年来发展起来的一个新兴领域, 具有轻钢材料和模块化的双重优势;水平荷载和竖向荷载都是通过连接节点实现模块间传递的;针对模块化房屋在结构体系、连接节点、整体受力性能和抗震性能方面的研究结果表明节点性能是决定模块化房屋整体性能的关键因素;目前针对构造简单、传力直接、施工方便、抗震性能好的新型节点
23、研发及新型节点相关受力性能和设计方法研究亟待解决。参考文献1R M Lawson, J Richards.Modular Design for High-rise BuildingsJ.Procedings of the Institution of Civil Engineers-Strucures and Buildings, 2010, SB (3) :151-164. 2查晓雄, 钟建伟.节点对集装箱房性能影响的研究C2011 年全国钢结构学术年会.银川:2011. 3Lu Ye, Li Guoqiang, Mao Lei.Experimental Research on Joint
24、Mechanical Behavior of Container StructuresC2015Modular and Off-site Construction Summit&1st International Conference on the Industrializationof Construction, Edmonton, Canada:2015. 4Sung-Gul Hong, Bong-Ho Cho.Behavior of Framed Modular Building System with Double Skin Steel PanelsJ, Journal of Cons
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