在基础设施设计和施工中采用可持续技术的主要目标是减少碳排放和鼓励材料回收利用[1]。然而,对于传统的钢-混凝土复合系统来说,实现这些可持续性目标存在若干困难。首先,通常使用焊接在钢梁上翼的头部螺栓剪切连接件来创建混凝土板与钢梁之间的复合作用。虽然这种方法保证了良好的剪切连接,但在拆除过程中会产生大量废弃物、能源消耗和环境污染。其次,这些混凝土板是在成型钢桁架上现场浇筑的,钢筋通常也在现场安装,这是一个劳动密集型且耗时的过程。第三,这些系统中使用的混凝土采用普通波特兰水泥制成,而水泥的生产是全球二氧化碳排放的主要来源之一[2]。此外,使用传统的外部复合连接件需要在混凝土板中建造一个小悬臂,并在柱子周围布置一定量的钢筋,这经常限制了设计自由度[3]。特别是,围绕柱子建造悬臂板并在现场放置钢筋不仅使施工复杂化,还给立面设计带来了限制。
马歇尔(Marshall)等人[4]首次引入了通孔螺栓剪切连接件(BSC)。达拉姆(Dallam)[5]在拔出实验研究中表明,高强度BSC的强度几乎是头部螺栓剪切连接件的两倍。达拉姆和哈普斯特(Harpster)[6]通过对复合梁的实验进一步证实了这一显著承载能力。此外,根据权(Kwon)等人的研究[7],[8],BSC比传统的头部螺栓剪切连接件具有更好的抗疲劳性能,其在后期安装中的应用可以显著提高结构性能[7],[8]。在参考文献[9],[10],[11],[12],[13],[14]中,对高强度摩擦握紧型BSC和头部螺栓剪切连接件进行了实验和数值分析。由于[5],[6],[7],[8]研究的BSC要么嵌入混凝土板中,要么灌浆到预钻孔中,因此拆卸它们非常困难。李(Lee)和布拉德福德(Bradford)[15]进行了额外的拔出测试以支持这一结论。阿塔埃伊(Ataei)等人[16],[17]研究了全尺寸的复合梁-混凝土填充钢管柱,包括可拆卸的平齐端板和预制混凝土板。研究结果表明,这些连接件具有出色的变形能力和承载能力。此外,阿塔埃伊等人[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25]对包含摩擦握紧型BSC和预制混凝土板的复合梁和接头进行了多项静态测试和计算建模。他们的测试结果表明,这些可拆卸的复合梁和接头具有很高的延性。尽管这些研究推进了对复合梁和接头的理解,但它们并未明确解决外部梁-柱接头的独特挑战,如柱力向混凝土板的传递、柱内的钢筋锚固、循环载荷下螺栓剪切连接件的使用、可拆卸性以及循环载荷下的对称弯矩能力需求。
海(Hai)等人[26]对四个全尺寸的可拆卸梁样品进行了实验,这些梁具有延长端板,并在单调和循环载荷下进行测试。研究发现,所有测试样品均表现出有益的变形诱导硬化行为、良好的旋转能力和延性。此外,阿尔哈穆德(Alhamoud)[27]对四个全尺寸的可拆卸内部钢-混凝土复合接头进行了实验,这些接头设计用于在其使用寿命结束时易于拆卸。研究表明,所提出的复合接头由于其延性、能量耗散和易于拆卸的特点,适用于抗震应用。此外,其他研究人员还研究了涉及CFST柱与RC梁连接的复合接头[28],[29],以及循环载荷下的CFST柱-混凝土填充U形钢梁接头[30]。这些研究证实了CFST柱在提高延性和增强抗震性能方面的重要性。
对于外部梁-柱复合接头,纵向钢筋对于将水平力传递到柱翼至关重要[31]。根据吉尔(Gil)和巴约(Bayo)[3],[31]的研究,这些钢筋必须锚固在柱翼周围的混凝土中或悬臂梁中。混凝土板的中间两根钢筋穿过柱翼,而不是布置在柱子的两侧,连接方式采用螺栓平齐端板。因此,混凝土板是现场浇筑的,无法拆卸。王(Wang)[32]研究了全尺寸端板盲螺栓复合接头的循环行为,发现圆形柱和延长端板在刚度、弯矩能力和抗震性能方面优于其他选项。许多研究[33],[34],[35],[36],[37]研究了外部梁-柱接头的抗震性能,并考察了各种类型的连接件,包括头部螺栓剪切连接件或单侧螺栓剪切连接件。这些研究强调了连接细节、材料属性以及包含混凝土板或加固件对提高接头整体抗震性能的重要性。这些研究主要集中在现场浇筑的混凝土板和不可拆卸连接件上。
目前关于外部接头的研究有限,特别是在循环载荷下使用可拆卸BSC方面。此外,很少有研究考察了所有接头组件在使用寿命结束时的完全拆卸,或开发在正弯矩和下挠弯矩下具有对称强度的接头。为了解决这些不足,本研究提出了一种创新的DECJ设计,该设计结合了穿过柱翼的中央钢筋、带有加劲板的加固延长端板和摩擦握紧型螺栓剪切连接件。这些特性的结合旨在提高可拆卸性、改善抗震性能,并通过使用预制聚合物混凝土板减少环境足迹。
因此,设计了一个实验计划,以评估六个全尺寸半刚性DECJ在循环载荷下的抗震性能。测试研究了关键参数,包括刚度、弯矩-旋转响应、延性、滑移、能量耗散和失效模式。研究结果提供了关于所提设计如何实现可拆卸性和可靠循环性能的见解。此外,实验结果将作为校准有限元模型和进行综合参数分析的基础。这些贡献旨在推进关于适用于抗震应用的可持续和可拆卸外部复合接头的知识进展。