在循环载荷作用下,带有加固端板和螺栓剪切连接件的可拆卸外部复合接头的实验评估

《Journal of Building Engineering》:Experimental Evaluation of Deconstructable External Composite Joints with Stiffened End-Plates and Bolted Shear Connectors under Cyclic Loading

【字体: 时间:2026年02月10日 来源:Journal of Building Engineering 7.4

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  可拆卸外部梁柱组合节点通过中心加强筋、加劲端板和螺栓剪切连接提升抗震性能,实验显示其转动能力比 Eurocode 8 和 FEMA-350 高 1.7-3 倍,并支持模块化拆卸与低碳建造。

  
阿里·阿卜杜勒卡里姆(Ali Abdulkarim)| 阿卜杜勒雷扎·阿塔埃伊(Abdolreza Ataei)| 赫赛因·塔杰米尔·里亚希(Hossein Tajmir Riahi)
伊朗伊斯法罕大学土木工程系,伊斯法罕

摘要

本研究提出了一种创新的半刚性可拆卸外梁-柱复合接头(DECJ)设计方法,该接头在循环载荷下具有中央钢筋、加固的延长端板、螺栓剪切连接件和预制聚合物混凝土板。研究旨在通过将中央钢筋插入柱翼来提高组装性、可拆卸性、弯矩对称性和可持续性,并利用加固端板来改善弯矩对称性。设计了六个全尺寸的钢-混凝土复合接头并进行测试,以评估其抗震性能,重点关注刚度、弯矩-旋转响应、延性、预制混凝土板与钢梁之间的滑移、强度退化、能量耗散和失效模式。测试变量包括加固和未加固的延长端板、中央钢筋的直径以及螺栓剪切连接件的直径和等级。实验结果表明,使用螺栓剪切连接件、中央钢筋和加固端板显著提高了DECJ的旋转能力,其能力大约是欧洲规范EC8和FEMA-350标准的1.7至3倍。将加劲板集成到延长端板配置中显著提高了DECJ的抗震性能,特别是在下挠弯矩作用下,增强了弯矩对称性,并降低了端板过早失效的风险。此外,这种方法还实现了接头的可拆卸性,减少了系统的碳足迹。最后,提出了一种预测方程,用于确定DECJ在循环载荷下的塑性弯矩能力。

引言

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。

测试样品

组装并建造了六个全尺寸的梁-柱半刚性外部复合接头。在循环载荷下,安装的摩擦握紧型BSC提供了钢梁和预制混凝土板之间的复合作用。传统的外部复合接头方法涉及在混凝土板的对面侧添加一个小悬臂,这会对建筑设计产生限制。下面展示了组装各部分的详细示意图

实验结果

本节介绍了使用中央钢筋、加固端板和BSC的所有可拆卸外部复合接头的循环实验结果。分析了关键参数,如失效模式、滑移、弯矩-旋转响应、延性、剪切刚度、粘性阻尼、能量耗散和强度退化,以评估DECJ样品的循环行为。

弯矩能力的分析模型

阿卜杜勒卡里姆(Abdulkarim)等人[62]基于塑性分析方法提出了一个简单模型,用于预测DECJ的弯矩能力,遵循EC3和EC4的设计规定。该方法假设所有材料均为刚性-塑性体。根据施加在其组件上的力来确定接头的下挠和上挠弯矩能力,这些力包括螺栓连接件的剪切力、中央钢筋中的拉力等

可拆卸性和可重复使用性

通过实验评估了所提出接头的可拆卸性。具体来说,CJ2和CJ5样品经历了循环载荷测试,以确定复合接头在其使用寿命结束后或意外情况下是否可以轻松拆卸。因此,有两种方法可以在使用寿命结束后或测试完成后拆卸这些可拆卸的外部复合接头。第一种方法是从钢梁上移除GPC板(图25(a))。

结论

本研究构建并测试了六个在循环载荷下使用的可拆卸外部梁-柱钢-混凝土复合接头,这些接头使用了加固和未加固的延长端板、中央钢筋、预制GPC板和摩擦握紧型螺栓剪切连接件。所提出的外部接头包括通过预钻孔柱翼插入的中央螺纹钢筋和加固端板。这种方法使得所有接头元件都可以因任何原因进行拆卸

CRediT作者贡献声明

赫赛因·塔杰米尔·里亚希(Hossein Tajmir Riahi):撰写 – 审稿与编辑、验证、数据管理、概念构思。阿卜杜勒雷扎·阿塔埃伊(Abdolreza Ataei):撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、数据管理、概念构思。阿里·阿卜杜勒卡里姆(Ali Abdulkarim):撰写 – 原稿撰写、可视化、软件应用、方法论、数据管理、概念构思

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