装配式建筑加固钢结构端板连接节点承载性能分析

打印 0条评论来源：建筑技术杂志社

装配式建筑经常暴露在恶劣的自然环境和外力作用下，如强风、高温、湿度等，其整体结构易受到环境腐蚀和疲劳损伤的影响，进而降低结构的耐久性。因此，装配式建筑在建设过程中需要选择合适的加固方案，才能够保障建筑质量。而通过连接节点加固可以有效增强装配式建筑的使用寿命。装配式建筑通常由多个模块构成，模块之间的连接节点是传递力和承受负荷的关键部位，且连接节点承担了集中负荷这一项关键任务。为此，选择合适的连接节点材料，可以改善建筑结构的可靠性。

本研究针对装配式建筑加固钢结构端板连接节点承载性能进行分析，制备不同端板厚度以及翼缘螺栓数量的节点试件，通过反复测试，获取最佳加固材料。

1 端板连接节点承载性能研究

1.1 钢结构端板连接节点试件设计

装配式建筑加固通常是为了提高结构的抗震能力与承载力，而通过钢结构端板连接节点的使用，可以将加固部件与原有结构安全可靠地连接在一起，确保结构整体的稳定性和承载力，从而保护结构的安全。因此，为提高装配式建筑结构的安全性，研究了不同类型的端板连接节点部件，并测试每种部件的承载性能，从中获取承载效果最佳的建筑材料。

试验设计5个装配式建筑加固钢结构端板连接节点试件，每个试件长、高均为1.3 m、2.5 m，其中，梁柱采用焊接H型钢，螺栓均采用10.9级M20摩擦型螺栓，其余零部件均为Q345B钢材料。不同部位材料的性能指标见表1。

表1 材料性能分析

在工厂内对需要焊接的部件进行焊接，后将这些预制完成的部件运输至试验现场进行螺栓装配。5种试件中，均采用不同的端板厚度与螺栓数量，通过试验分析，选取承载性能最佳的试件。各组试件设计参数见表2。

表2 试验部件参数设计

按照表2的配合比标准，设计5组连接节点试验试件，并采用加载方式，对每组试件进行性能测试，验证不同试件的承载力情况。

1.2 加载装置设计

图1为不同试件设计加载装置，采用该装置在实验室内完成试件的加载试验。

图1 试验装置设计示意

当开始试验时，先将试件加载时既定荷载，之后对其进行焊接加固，等待焊接处冷却后，继续施加荷载直至试件破坏。焊接过程采用二氧化碳气体保护焊，焊接电压为25 V，在焊接工作进行时，从受拉端向受压端推进焊接。

在梁、柱外表面布置位移计，实时测量加载过程对试件的影响；同时，每一试件有2列螺栓，仅在1列螺栓上布置应变片，从而评估螺栓的应变值。

1.3 测试内容

1.3.1 试件极限承载力测试

将试件正确安装在测试设备上，确保样品与设备之间的连接牢固可靠；逐渐向试样施加荷载直到试件发生破坏。在加载过程中，实时观察和记录测试试件的形变、位移、应变等指标，以及任何可能的破坏现象，通过试验分析试件的极限承载力，并评估试件的承载性能。

1.3.2 试件弯矩与转角变化测试

向试件施加荷载，在加载过程中，实时监测和记录测试试样的加载力矩和相应的转角变化，根据监测数据，分析试样弯矩与转角的关系，评估连接节点试件的弯曲性能和刚度特征，判断不同试件的性能变化。

1.3.3 试件初始刚度与刚度退化测试

通过分析其初始刚度，可有效判别连接节点的整体稳定性。其中，试件受拉构件的整体刚度通过柱内螺栓、端板、腹板等构件刚度构成；而受压构件的整体刚度则通过柱内腹板抗压刚度、抗剪刚度构成，通过整体刚度、柱内腹板抗压刚度、抗剪刚度即可构成端板连接节点试件的整体刚度。

即可计算得出每一试件的初始刚度。同时，考虑试件初始刚度无法完善描述出试件的承载性能，通过刚度退化系数，评估试件在荷载作用下的刚度变化情况，以精准分析试件的性能。

1.3.4 试件耗能能力测试

试件耗能能力是指试件在受到荷载作用时对能量的吸收能力，通过等效粘滞系数、能量耗散系数2项指标，评估试件在位移状态下的耗能效果，从而判断试件承载性能。

2 试验分析

2.1 试件极限承载力分析

每种试件在不同位移状态下的极限承载力情况，如图2所示。由图2可知，试件端板厚度与螺栓数量在一定程度上影响其极限承载力。

图2 试件极限承载力分析

通过5组试件的测试可以发现，较厚的端板通常具有更高的强度和刚度，因此可以更好地抵抗外部荷载并分散应力；当两个端板之间有连接时，增加端板厚度可以提供更大的剪切面积，从而增加端板之间的剪切连接的强度和刚度。而通过增加螺栓数量也可增强试件的承载效果，较多的螺栓数量可将外部荷载更均匀地分散到试件各个螺栓上，减小每个螺栓承受的荷载，为此，试件5使用8个翼缘螺栓时，其极限承载力在5组试件中保持最高。

2.2 试件弯矩与转角变化测试

试件不同端板厚度对其承载效果的影响通过弯矩与转角变化表示，分析结果见表3。

表3 不同端板厚度对试件承载效果的

由表3可知，滑移弯矩是指当试件受到荷载作用时，其出现的滑移变形所产生的扭矩；屈服弯矩则表示试件发生塑性变形开始的临界扭矩值；峰值弯矩是试件在荷载状态下所承受的最大弯矩值；极限弯矩时试件试验过程中达极限状态时所承受的最大弯矩值。

对比3组试件，每组试件之间的弯矩值差距并不明显，但试件2的弯矩值在3组试件中始终保持最高，其峰值弯矩达到398.63 kN·m，可以看出较大的端板厚度使试件维持良好的弯矩值。

滑移转角是指当试件出现的滑移变形所引起的角度变化，极限转角是指试件达极限状态时所发生的最大角度变化。3组试件在测试过程中，每组试件的滑移转角、极限转角均保持一致。

屈服转角是指试件在加载过程中发生塑性变形时的扭转角度，在3组试件中仅试件3的屈服转角处于较小状态，说明当端板厚度较小时，会影响试件的承载能力。不同螺栓数量的试件承载性能变化分析结果见表4。

表4 不同螺栓数量对试件承载性能的影响

根据表4可知，当螺栓数量越大，试件的弯矩越大，且转角也可以保持较高水平，因此，更多的螺栓数量可以使试件的承载性能更佳。

而对比5组试件可以看出，采用10 mm端板厚度以及8个翼缘螺栓的试件5始终保持最高的弯矩与转角，为此，该试件可承受更大的荷载压力。

2.3 试件刚度分析

5组试件的初始刚度值以及每一试件在加载过程中的破坏形式分析结果见表5。

表5 试件初始刚度分析

试件的初始刚度对其承载性能有一定的影响，其初始刚度决定了自身在承受荷载时的变形和应力分布情况。

通过表5可知，试件3的初始刚度在5组试件中保持最低，当试件的初始刚度较小时，试件在受载过程中容易发生较大的变形，可能会导致试件的局部失稳或破坏，降低其承载能力，因此，该组试件的破坏形式较为严重。

其他机组试件初始刚度均保持在23 000 kN·m/rad以上，当初始刚度较大时，试件能够更好地分散应力，增强试件的抗弯刚度和承载能力。其中，试件5的初始刚度达到30 245 kN·m/rad，因此该组试件可以保持良好的承载效果。

通过刚度退化系数描述试件在荷载状态下的刚度变化，分析每组试件的刚度退化系数，分析结果如图3所示。

图3 试件刚度退化系数分析

根据图3可知，随着加载工作不断进行，每组试件的刚度退化系数开始逐渐下降。

试件3的刚度退化系数从1迅速下降至0.2，在3组试件中保持最低水平，而其他几组试件的刚度退化系数下降幅度较为缓慢。

试件5刚度退化系数最低达到0.4，在5组试件中保持最高，因此，该组试件在加载过程中的刚度退化情况最小，可保持良好负载效果。

2.4 试件耗能能力分析

分析试件在试验过程中的耗能能力变化，分析结果如图4所示。

（a）

（b）

图4 试件耗能能力分析

（a）能量耗散系数；（b）等效粘滞阻尼系数

通过试验可知，随着荷载作用的增大，每组试件的耗能能力也开始有所上升，对比5组试件，螺栓数量较多的试件5的各项耗能指标明显处于较高水平，而当端板较薄时，其在承受外部加载时易发生弯曲和变形，导致连接节点的能量耗散能力相对较低；而当端板厚度增加时，试件能够更好地抵抗力的作用，提高了连接节点的能量耗散能力。

当试件螺栓数量更多时，大量螺栓能够提供更多的连接点，从而使试件能够更有效地抵抗横向力和弯曲力的作用，以此吸收和耗散更多的能量；当螺栓数量较少时，试件的能量耗散效果明显不足。

由此可见，当端板厚度为10 mm、翼缘螺栓数量为8个时，试件的应用效果更好。

3 结束语

本研究确定不同端板连接节点试件在负载下的刚度和强度，全面掌握连接节点试件的变形和应力情况了解试件的屈服性能，以此判断连接节点在受到外力时是否会发生可接受的塑性变形，以及节点是否能够继续承受负载，确认该试件可被用于装配式建筑加固，以改善建筑安全性。