鋼剛架梁柱端板膠接連接節點試驗研究★

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生沖切破壞。為防止發生這一破壞形式，我國門式剛架技術規程［4］規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點區斷開，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個節點，節點基本構造如圖4所示。為確保螺栓不先于節點破壞，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 節點構造圖

1．4 測試項目

鋼管上采用膠基電阻應變片，規格為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

三個試件共6種節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種節點的受力過程描述及破壞形態，破壞形態照片見圖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，節點1(即梁端板為8 mm，柱翼緣板為8 mm直接膠接節點)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展不明顯，當荷載達到60 kN后，裂縫開始發展，逐漸變寬，節點2(即梁端板為16 mm，柱翼緣為8 mm直接膠接節點)膠層還沒有出現裂縫，在荷載為70 kN時，節點1梁端板出現彎曲變形，節點2膠層還是沒有出現裂縫，到荷載77 kN時，節點1膠層裂縫上下延伸，擴展到兩螺栓中心，到80 kN時，節點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，節點2的膠層出現裂縫，隨著荷載的增加，膠層裂縫發展不明顯，節點1梁端板彎曲變形發展也不大，在荷載為110 kN后，節點1端板彎曲變形開始發展，同時節點2膠層裂縫有所發展，到荷載為120 kN時，節點1梁和梁端板連接處焊縫開裂，隨著荷載的增加，這一裂縫有所發展，繼續加載，節點2膠層裂縫延長度發展，當荷載加到139 kN時，節點豎向變形太大，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，兩種節點在荷載作用下的受力性能相同，當荷載達到80 kN時，節點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展，當荷載增加到105 kN時，裂縫還是沒有發展，此時節點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展，在荷載達到132 kN，由于節點變形太大，停止了加載，此時節點3梁端板彎曲變形較大，而膠接外貼鋼板節點梁端板微彎，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，裂縫沒有明顯發展，當荷載為70 kN時，節點6(即梁端板為16mm，柱翼緣板加厚為16mm，二者沒有膠接，也就是傳統節點)梁端板出現彎曲變形，當荷載增加到80 kN時，節點5膠層裂縫沿著長度方向發展，沒有變寬，當荷載達到90 kN后，節點變形增長很快，荷載為100 kN時，節點5膠層裂縫變寬，節點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的兩個節點對比可以發現，梁端板的剛度影響膠層開裂荷載，節點1梁端板厚度為8 mm，膠層開裂荷載為40 kN，節點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梁柱節點連接方式相當，但前一種延性較好。

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