鋼剛架梁柱端板膠接連接節(jié)點試驗研究★

趙勤永 邢 麗 張建棟

(浙江樹人大學城建學院，浙江杭州 310015)

0 引言

在梁柱端板連接中，柱翼緣厚度相對端板厚度要薄很多，柱腹板有加勁肋時，螺帽外邊緣到柱腹板及加勁肋的距離很小，翼緣受到較強的約束作用，其破壞主要為螺栓孔周圍發(fā)生沖切破壞。為防止發(fā)生這一破壞形式，我國門式剛架技術規(guī)程［4］規(guī)定翼緣厚度必須與端板厚度相同，為滿足這一要求，門式剛架設計中的通常做法是將端板高度范圍內的柱翼緣局部加厚，其他部分柱翼緣不變，如圖1a)所示。這種做法一方面增加了制作工作量，另一方面柱翼緣在節(jié)點區(qū)斷開，薄翼緣和厚翼緣用焊縫對接連接，全融透焊縫會影響到附近鋼材的材料特性(如使其變脆)，而且在這一部位容易產生應力集中，造成這一部位受力不利。針對這一情況，本文提出一種膠合加強方式，如圖1b)所示。

圖1 節(jié)點連接方式

所謂的膠合加強是指在焊接H型鋼柱或H型鋼柱的翼緣板上用結構膠粘貼相應厚度的鋼板，使粘貼鋼板與原柱翼緣板復合后共同作用，達到滿足連接節(jié)點強度的要求。這種連接方式一方面加工方便，對施工人員的素質要求要比焊接人員低，另一方面粘結鋼板對原鋼板的材料特性不會產生影響，也不造成應力集中等問題。

1 試驗裝置與測點布置

1．1 試驗裝置與儀器

本試驗在浙江樹人大學材料實驗中心進行，所使用的主要加載儀器為100 t液壓式壓力試驗機，如圖2所示，圖3為試驗加載示意圖，采用百分表用來測位移，應變儀用來記錄應變。

1．2 總體加載方案

將試件放置在支座，開動壓力機，分級均勻加載到0．3P0(P0為理論計算直線段荷載值)，然后以同樣的速度卸載至零，如此反復預壓3次。預壓3次后，0．2P(P為理論計算極限載荷)加載，每級荷載持荷3 min，同時記錄位移和應變。

圖2 試驗加載設備

圖3 加載示意及測點布置

1．3 試件尺寸

試驗共包括3個試件6個節(jié)點，節(jié)點基本構造如圖4所示。為確保螺栓不先于節(jié)點破壞，選擇了較粗的螺栓10．9級M16。端板的厚度有兩種不同的尺寸:一種是16 mm，另外一種是12 mm。

圖4 節(jié)點構造圖

1．4 測試項目

鋼管上采用膠基電阻應變片，規(guī)格為BX120-5AA，靈敏系數為2．08%;受力復雜部位采用膠基應變花BX120-5BA和BX120-5CA，靈敏系數也是2．08%。

測試和記錄的項目有:εφ，εθ，ε45°及梁上下翼緣的應變 ε;P—Δ曲線;極限載荷P。

2 試驗過程及試件破壞形態(tài)

三個試件共6種節(jié)點在荷載作用下大致經歷三個階段:彈性工作階段、膠接部位開裂階段、彈塑性工作階段和破壞階段。下面分別給出3個試件6種節(jié)點的受力過程描述及破壞形態(tài)，破壞形態(tài)照片見圖5。試件荷載—位移曲線見圖6。

圖5 試件破壞后照片

圖6 試件荷載—位移曲線

試件1:當荷載40 kN時，節(jié)點1(即梁端板為8 mm，柱翼緣板為8 mm直接膠接節(jié)點)在柱加勁肋位置處首先出現肉眼可見的微裂縫，隨著荷載的增加裂縫發(fā)展不明顯，當荷載達到60 kN后，裂縫開始發(fā)展，逐漸變寬，節(jié)點2(即梁端板為16 mm，柱翼緣為8 mm直接膠接節(jié)點)膠層還沒有出現裂縫，在荷載為70 kN時，節(jié)點1梁端板出現彎曲變形，節(jié)點2膠層還是沒有出現裂縫，到荷載77 kN時，節(jié)點1膠層裂縫上下延伸，擴展到兩螺栓中心，到80 kN時，節(jié)點1膠層沿截面全部開裂，兩塊鋼板開始獨立工作，到荷載為82 kN時，節(jié)點2的膠層出現裂縫，隨著荷載的增加，膠層裂縫發(fā)展不明顯，節(jié)點1梁端板彎曲變形發(fā)展也不大，在荷載為110 kN后，節(jié)點1端板彎曲變形開始發(fā)展，同時節(jié)點2膠層裂縫有所發(fā)展，到荷載為120 kN時，節(jié)點1梁和梁端板連接處焊縫開裂，隨著荷載的增加，這一裂縫有所發(fā)展，繼續(xù)加載，節(jié)點2膠層裂縫延長度發(fā)展，當荷載加到139 kN時，節(jié)點豎向變形太大，結束了加載。

試件2:當荷載低于80 kN時，試件基本處于彈性工作階段，節(jié)點4(即梁端板為16 mm，柱翼緣板為8 mm，由膠外貼一塊8 mm厚的鋼板與柱翼緣復合共同工作)柱翼緣板和外貼鋼板之間膠層沒有開裂，二者共同工作，兩種節(jié)點在荷載作用下的受力性能相同，當荷載達到80 kN時，節(jié)點4柱翼緣板和外貼鋼板之間出現了第一條肉眼可見的細小豎向裂縫，長度很短，出現位置在柱加勁肋位置，不到1 cm，隨著荷載的增加，裂縫沒有進一步的發(fā)展，當荷載增加到105 kN時，裂縫還是沒有發(fā)展，此時節(jié)點3(梁端板為16 mm，柱翼緣板加厚為16 mm，二者沒有膠接)和節(jié)點4梁端板出現了彎曲變形，隨著荷載的增加，膠層裂縫逐漸變寬，但是在長度方向沒有發(fā)展，在荷載達到132 kN，由于節(jié)點變形太大，停止了加載，此時節(jié)點3梁端板彎曲變形較大，而膠接外貼鋼板節(jié)點梁端板微彎，柱加勁肋位置處膠層裂縫在寬度和長度方向有所擴展，但不是很大，長度為2 cm左右，寬度為2 mm。

試件3:當荷載低于57 kN時，節(jié)點5(即梁端板為16 mm，柱翼緣板為8 mm，二者直接膠接)膠層出現肉眼可見的微小裂縫，隨著荷載的增加，裂縫沒有明顯發(fā)展，當荷載為70 kN時，節(jié)點6(即梁端板為16mm，柱翼緣板加厚為16mm，二者沒有膠接，也就是傳統(tǒng)節(jié)點)梁端板出現彎曲變形，當荷載增加到80 kN時，節(jié)點5膠層裂縫沿著長度方向發(fā)展，沒有變寬，當荷載達到90 kN后，節(jié)點變形增長很快，荷載為100 kN時，節(jié)點5膠層裂縫變寬，節(jié)點6端板彎曲變形明顯，隨著荷載的增加，梁端板彎曲變形越來越嚴重，到荷載為139 kN時，變形太大結束了加載。

3 試驗結果及結論

從試件1的兩個節(jié)點對比可以發(fā)現，梁端板的剛度影響膠層開裂荷載，節(jié)點1梁端板厚度為8 mm，膠層開裂荷載為40 kN，節(jié)點2梁端板厚度為16 mm，膠層開裂荷載為82 kN，梁端板剛度大，開裂荷載大，梁端板剛度小，開裂荷載小，這一點從定性角度可以理解，梁端板剛度大決定使梁端板彎曲變形的荷載就大，而膠層之所以開裂，是由于與膠層相連鋼板的彎曲引起膠層受拉而開裂，所以會出現上述情況。鋼板用膠接劑粘結后，在膠層開裂前可以起到復合作用共同工作，膠層局部開裂后只影響開裂位置局部性能，不會影響整個膠接鋼板的復合作用，只有裂縫從上到下全部貫通后，膠接復合作用才失效。采用柱翼緣用膠接劑外貼鋼板這種方式承載力與傳統(tǒng)梁柱節(jié)點連接方式相當，但前一種延性較好。

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