香港大学团队突破高层钢结构模块化建筑连接瓶颈，提供关键方案

香港大学土木工程系，有田耀平、潘巍（通讯作者）、牟奔团队，他们在《Journal of Building Engineering》，（2022年第62卷）发表了研究成果，针对高层钢结构模块化建筑中，模块 - 核心墙（M2C）连接的技术瓶颈，开发出一种全螺栓式创新M2C连接，这种连接具备优异力学性能，为30层以上高层钢结构模块化建筑的安全设计与高效建造，提供了关键解决方案。

## 一、研究背景：高层模块化建筑的“连接痛点”亟待突破

在高密度城市建设推行模块化建筑的情况下，高层钢结构模块化建筑凭借着诸如“工厂预制率比较高、现场工期较为短、建筑垃圾相对少”这样的优势，变成了香港等地区用以解决住房以及公共建筑需求的关键选择。此类建筑通常采用这样的结构体系：“现浇混凝土稳定核心筒加上钢框架volumetric模块”，其中混凝土核心筒负责承担强风、地震等侧向荷，钢模块作为居住功能区来承载竖向荷，而M2C连接作为两者间的“荷载传递桥梁”，直接决定建筑的整体结构安全以及抗侧性能。然而，当下行业面临着两大核心问题，这严重制约了高层项目的发展：

力学性能认知存在缺失，现有研究大多集中在低中层模块化建筑方面，对于高层所主导的侧向荷载，像香港常见的强风荷载这种情况，M2C 连接的受力机制、破坏模式缺少系统分析，致使工程师不容易精准判断连接的承载能力与延性；

“解决M2C连接的‘适配性’与‘可靠性’问题，是高层钢结构模块化建筑从‘可行’走向‘实用’的关键。””研究团队负责人潘巍教授表示。

二、M2C连接，的受力特点，与设计难点，混合变形下，的“协调困境”，研究团队，通过结构力学分析，与有限元模拟，首次明确了，高层钢结构模块化建筑中，M2C连接的特殊受力环境，其核心挑战，源于“混合变形模式”，与“材料差异效应”，的双重叠加，

高层建筑在侧向荷载下，受力特点是双重变形作用于连接区，其中混凝土核心筒与钢模块呈现完全不同的变形特性（图1），

混凝土核心筒，刚度极大，远超钢模块，其变形类似刚性悬臂梁的弯曲变形。即核心筒顶部会向一侧倾斜，两侧产生明显高度差；导致与相邻钢模块的界面出现竖向滑动趋势。

- **钢模块**：其刚度是比较弱的，它的变形更加接近于“那种柔性悬臂梁的剪切变形”，在上下层模块间容易出现横向错位的情况，进而引发模块梁柱节点的相对转动。

有两种变形，这两种变形会最终集中于M2C连接区；M2C连接区会因此同时承受“竖向滑动荷载”与“节点转动荷载”；这对连接的“刚度可调性”有非常高的要求；这个要求的情况是，若设计成刚性连接，这会因变形不协调拉裂核心筒或者压溃模块；若设计为柔性连接，那么则无法有效传递侧向力，进而导致建筑抗侧刚度不足。

设计难点在于，材料存在差异，这加剧了连接矛盾，钢与混凝土有着材料特性差异，且这种差异进一步放大了M2C连接的设计难度。

混凝土的弹性变形范围窄，混凝土的塑性差，钢具备良好的延性，两者在荷载作用下易产生“差异变形”，导致连接螺栓受力不均，导致预埋板受力不均；

性能时效存在差异，混凝土呀会随着时间而发生徐变这种情况，也就是在长期荷载作用下会出现缓慢变形，钢的热膨胀系数呢是混凝土热膨胀系数的不止1.5倍，在温度发生变化的时候，或者是长期使用的这个过程中，连接区容易出现内力重分布，进而降低连接的可靠性；

制造精度存在差异，钢模块是在工厂进行预制，此时尺寸误差处于可控制在毫米级的状态，混凝土核心筒是现场浇筑而成，且表面平整度以及预埋位置存在较大误差，而这两者之间的精度差容易致使连接安装产生困难，甚至会出现初始缝隙，进而影响荷载传递效率

三、创新解决方案：全螺栓式半刚性 M2C 连接，针对上述挑战，研究团队以香港 31 层学生宿舍为实践载体，该建筑原采用现浇混凝土，改造后包含 25 个钢框架模块，核心筒内墙厚 450mm，外墙厚 250mm，开发出一种全螺栓式半刚性 M2C 连接，通过“结构创新 + 工艺优化”, 同时解决“变形协调”与“施工效率”问题。

核心结构是，三大部件达成“半刚性”适配 ，连接是由“连接板 + 预埋板 + 高强锚杆”这三大核心部件构成的，其设计巧思在于，借助部件协同达成“刚度可调”：

- **连接板**：在工厂预制的时候将其焊接于钢模块柱，钢模块柱的材质是S690高强度钢，其尺寸是325mm×400mm×30mm，它作为钢模块与核心筒的“过渡接口”；

预埋板，在浇筑混凝土核心筒的时候，同步进行固定，其与连接板材质保持一致，以此确保能够与核心筒有可靠的锚固 ；

分别是直径39mm的高强锚杆，长度为39mm的高强锚杆，长度是455mm的高强锚杆，屈服强度为1100MPa的，以水平贯穿连接板与预埋板，经螺母拧紧固定而形成的高强锚杆，其弹性变形可吸收部分滑动位移，连接板的微小转动则能适应节点处的转动，两者共同实现“半刚性”特性，完美协调核心筒跟模块的变形差异。

通过全螺栓设计提升施工运作效率，为了恰当顾及模块化建筑工厂预制以及现场快速组装的要求，团队抛弃了传统现场焊接工艺，设计了四步式的组装过程：

工厂预制阶段情况是，在钢模块柱之上，实施把连接板进行焊接的操作，并且预留出操作窗口，此操作窗口的作用是便于后续锚杆安装。

在核心筒施工阶段，于浇筑混凝土之际，把预埋板固定在筒壁，同时预留出锚杆孔以及注浆通道。

在现场组装阶段，当钢模块吊装到相应位置后，于是将锚杆插入预留的孔当中，接着注入高强砂浆以此来增强粘结的力量，随后拧紧螺母最终完成固定。

在收尾阶段，执行封闭操作窗口的动作，以去实现保证部件内部装饰具有完整性的目标。全螺栓设计达成削减现场湿作业80%的成效，使组装效率提高超50%，并且工厂焊接质量显著高于现场施工的质量。

研究团队借助ABAQUS有限元模型，针对创新M2C连接开展单调滑动测试，此测试模拟强风长期荷载，还进行循环荷载测试，这模拟地震往复荷载，结果显示其具备三大核心优势，其力学性能优异，其相关设计原则可推广 。

### 1. 力学性能稳定：两种荷载下均达设计要求

- **单调滑动荷载**：连接着的物体，它的荷载-位移曲线展现出清晰的五个阶段，这五个阶段分别是“摩擦”，然后是“滑动”，接着是“接触”，再之后是“屈服”以及最后的“破坏”，在“接触”阶段时，其承载能力达到了1217kN，此数值远远比香港31层宿舍在实际情况当中所需要的荷载要高，最终出现的破坏是源于锚杆的剪切，这里所说的锚杆剪切并非脆性断裂这种情况，并且它的延性表现良好；

循环荷载，弯矩 - 转角曲线不存在“捏缩现象”，这是抗震性能优异的标志，屈服之后，通过模块梁的局部塑性变形来吸收能量，总耗能从屈服之前的0.4kJ增长到20.2kJ，并且最大转角没有超过《建筑抗震设计规范》规定的1/50限值，能够抵御强震作用。

团队基于力学性能分析，提炼出了四大原则，有四大准则指导工程实践，解决了“如何优化连接性能”的关键问题，这四大原则可直接用于工程设计 。

原则是“粗糙表面”，通过喷砂处理，增加连接板与预埋板的表面粗糙度，其手段是滑移系数从0.2增至0.6，并可提升初始刚度27%，标点符号为分号 。

按“强锚杆”原则，选用高强度锚杆，其强度从640MPa增至1100MPa，承载力提升40.7%，以此确保抗剪切能力。

“弱柱”原则，模块柱选用低强度钢，像275MPa这种，破坏位移增加8.4%，在不降低承载力的前提下提升延性 。

“强梁”原则是，模块梁选用高强度钢，像是460MPa的那种，极限弯矩提升了29.4%而后，增强了弯曲耗能能力。

这四大原则，和整体结构“强柱弱梁”的安全准则，不存在冲突情况，仅仅是针对M2C连接的局部构件选型，工程师能够直接进行套用。

普适性强，适配不同高层模块化项目，该连接方案尺寸可根据项目需求调整，例如锚杆直径、连接板厚度，并且与香港31层宿舍的适配实践表明，其能兼容不同核心筒厚度、模块尺寸的高层项目，为其他城市的高层钢结构模块化建筑提供了可复制的技术模板。

香港大学团队进行研发，研发出全螺栓式M2C连接，此连接填补了高层钢结构模块化建筑M2C连接技术空白，并通过明确受力分析以及设计原则，为行业提供了从“理论”到“实践”完整解决方案。未来，该方案有望和模块化建筑智能设计、绿色建造技术相结合，进而推动建筑工业化高质量发展。