摘要：本文针对我国当代农村建房现状，提出一栋三层冷弯薄壁型钢装配模块化房屋。在对房屋进行结构划分后得到十一个模块单元。为解决模块单元间连接问题，设计了内套筒并采用对拉螺栓以及盖板螺接进行模块单元间的连接。最后，建立有限元分析模型，对冷弯薄壁型钢装配模块化房屋进行受力分析并最终得到结论。
关键词：冷弯薄壁型钢，装配式，模块化，有限元分析，农村房屋
1.概述
1.1国内外研究现状
在国外，模块化房屋的发展已经取得了显著的成果，运用也相当广泛，有专业成熟的市场环境以及设计、生产、安装体系，模块化房屋的连接设计以及应用领域探索也逐渐成熟，除此之外，各国还成立了相关的机构专门进行研究。目前，国外的模块化房屋建筑很常见，因其施工工期短，灵活性高，经济环保，广受大家追捧。
国内对于用模块化房屋的研究比较晚，目前产业结构不完整。在某些发达城市对模块化房屋设计不断进行尝试，但是大多是对废旧钢材的再利用，作为临时建筑使用，比较简陋，大多仅仅考虑其实用性。并且由于人民素质不断增强，人们的环保意识也在不断增强，人们开始追求更加环保的建筑环境以及房屋，而冷弯薄臂型钢装配模块化房屋正是在这样的情况之下出现的。
1.2本文所研究的房屋结构组成
针对新时代下农村村民对理想住房提出的要求，于本文所研究问题前，项目小组根据在贵州省开阳县、陕西省镇安县、云南省景谷县、广西壮族自治区以及甘肃省城关区调研所了解的我国农村自建房所普遍存在的各类问题，再结合我们所收回的调研问卷，我们提出了一种更加方便的模块化房屋结构1。并且论证了在建筑产业化以及工业化的背景下，使用冷弯薄壁型钢这一轻型钢组配装配式模块化房屋在未来所具有的巨大发展潜力2。本文所提出的冷弯薄壁型钢装配模块化三层房屋其结构由11个基本单元组成，单元间通过内套筒对拉螺栓以及盖板螺接而成。
图1装配式房屋整体结构
1.3本文的研究内容
冷弯薄壁型钢装配模块化房屋全建设过程为一拆与合的过程，其所需解决问题的核心有二：其一是如何更好地满足建筑产品构件生产工业化及产业化要求，其二是如何尽量地降低现场施工组装的时间以缩短施工工期和降低构件单元组装的复杂度。针对上述问题，我们对以下问题进行了研究：
（1）以《GB50018-2002冷弯薄壁型钢结构技术规范》和《JGJ227-2011 低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》为设计标准，并参考借鉴其它已有的钢结构体系模块化房屋，研究符合空间使用要求的模块化房屋，通过科学的分析以及组合，建立出符合设计要求和使用要求的冷弯薄臂型钢装配模块化房屋基本模型，最后对其进行有限元处理。
（2）针对不同的模块连接结点，研究适用于不同连接结点的连接构造，并阐明其连接构造的所所使用的不同形式。
（3）运用有限元分析软件对新型模块间结点连接构造的受力性能进行分析。
2有限元模型的建立
2.1建立怎样的研究模型
小组本次所提出的三层农村自建房具有一定的复杂性，从定量分析的角度讲，虽然尽量保证所建模型与原结构有最大的相似度可得到更加真实的模拟结果，但从定性分析的角度而言，这是没有必要的。本次模型采用定性分析，并对楼盖、屋盖以及墙维护体系进行简化，假定楼盖、屋盖以及墙体为单一同性质整体构件，分别建立了单元之间的部分连接节点以及板的模型。模型细部处构造如下：
柱采用140×140的空心矩形方钢管柱，梁采用182×140×15的槽钢，十字垫板总长宽为900，十字边界为260，八边形垫板总长宽为900，四个长边为528（注：因为用壳结构忽略了厚度，单位为mm）。板采用8000×5000×500的板结构。对于各主要构件间的连接，小组在梁与柱连接采用75×140的角钢连接，柱与垫板之间采用75×130的角钢连接，梁与垫板之间采用75×140的角钢连接，柱子之间用十字垫板上的套筒固定位置。下面四张图（图2至5）为十字垫板套筒构造模型。
图2 八边形垫板模型 图3 十字垫板模型
图4 内套筒垫板模型 图5 内套筒与梁柱组合模型
2.2所使用的有限元方法
本模型模拟过程使用有限元分析软件ABAQUS进行分析。首先，使用软件建立梁、柱、垫板、板以及角钢等部件。待部件建立好后进行各部件的装配操作，并将接触面绑定。最后添加边界条件并施加静力荷载。为画出六面体网格，对模型进行切割时其切割方式选择为扫掠切割，为各个部分划分网格。模型中所采用的主要为六面体网格，次要为四面体网格，之后提交作业进行计算，查看可视化结果。
2.3.构件单元选取处理及材料属性
连接节点：槽钢采用壳单元S12R，柱采用壳单元S8R，角钢采用壳单元S6R，八边形垫板采用壳单元S8R，十字垫板采用壳单元S12R。板：采用实体单元C3D8。并且对连接关系、接触关系和边界条件做出如下三个说明：（1）连接节点部分将全部构件merge为一体；（2）单一结构不涉及接触关系；（3）连接节点部分将梁、柱的边缘固化结，板部分将板的四个侧面固结。材料性质方面，模型建立过程所采用的单位皆为国际单位SI（mm），如下：
表1 材料性质表 SI（mm）
3模型分析处理
3.1模拟单调加载试验
模型建立完毕后，对所建立的模型进行模拟加载。本次加载为竖直方向加载，竖直方向加载模拟结构自重、活荷载以及楼面、屋面的静载。为使所研究问题简单化，对竖向荷载进行理想化处理。对于竖向荷载不考虑活载以及静载的各种极端作用，综合考虑两者的取定一个均布荷载力值作用于竖直方向。
3.2模拟结果分析
模拟加载实验结果如下，其中图6为模拟竖直荷载作用下模型的云图结果，图7为对应竖直荷载作用下结构模型位移变形云图结果。
图6 模型应力云图 图7 模型位移云图
由模型模拟竖向荷载作用结果看，结构在模拟竖向均布荷载作用下，梁中部出现了较大的应力值，这与一般的梁结构受竖向荷载作用后结果相同。并且通过图7中的位移云图可见，梁跨中，出现了明显的挠度变形。出现较大挠度与较大变形的地方，也是最容易发生结构破坏的地方。说明在用冷弯薄壁型钢制成装配式模块化房屋中，本问题也是需要特别注意的，需要在材料选取以及构造上加以特别注意。此外，由图6的模型应力云图可见，在梁柱的连接处也出现了相对较大的应力值。由于梁所承受的荷载将传递至柱处，并最终由柱传递至地基。可见梁柱连接处至关重要。当整体承受荷载能力好，但是梁柱处表现不佳，则应通过构造来进行加强。
4结论
通过利用有限元分析软件对竖直方向进行模拟加载，由实验所得的云图可知得到如下结论：（1）冷弯薄壁型钢装配化模块化房屋整体受力性能良好，这说明使用冷弯薄壁型钢装作为结构构件，作为房屋结构的梁等结构构件其承载力良好；（2）在冷弯薄壁型钢装配模块化建筑结构体系下，可以发现在梁、柱端部处的应力集中现象明显。后期对结构进行改进优化时，梁、柱端部为主要的待解决之处。其解决方法主要有两个方面，一是都梁柱的截面结构形式进行改进，通过改变截面形式来提高承载能力和抵抗变形的能力；二是通过构造加强，保证梁、柱端部的承载能力。
5展望
新的时代背景下，旧有的建筑建造模式已经无法适应当代社会的新要求，建筑工业化和产业化的推进已经作为国家的大政方针在实行，故而如何做好建筑行业建造过程的转型升级至关重要。新要求下，对整个建筑建造施工的绿色环保要求必定更加地高，对最后建造成的房屋质量要求也势必更加严格。在这种情形下，唯有建造生产标准化、流水化的工业化、产业化建筑方为解决之策。广大的农村地区建筑物由于我国城乡二元化发展，建筑结构形式已经落后于城镇建筑，并且农村地区房屋建筑由于结构的老旧所带来的潜在危险也愈发明显。所以先对农村建筑进行改造升级，试验建筑产业化和工业化具有必要性
参考文献：
[1]侯江军，石凤溶，尹舒仪.基于我国农村自建房调研的分析及建议[J].建筑工程技术与设计，2019，9（04）：38-41.
[2]侯江军，潘庆娜，邱一心，郭晗啸.冷弯薄壁型钢装配模块化房屋应用于农村房屋初探[J].城镇建设，2019，1（06）：76-78.
获得国家级大学生创新创业训练计划项目资助
论文作者:钢装配模块化房屋连接节点研究
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/26
标签：模型论文; 型钢论文; 薄壁论文; 垫板论文; 荷载论文; 房屋论文; 结构论文; 《基层建设》2019年第14期论文;