研究背景

Research background

木材是我國(guó)使用歷史最為悠久的建材之一,有較好的親和力同時(shí)兼具良好的保溫隔熱性能。我國(guó)“十四五”目標(biāo)中2060 年將實(shí)現(xiàn)“碳中和”,木結(jié)構(gòu)的大量合理應(yīng)用將為這一目標(biāo)添磚加瓦。然而,我國(guó)現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)木材的使用率較低,大量木建材依賴進(jìn)口,同時(shí)天然木存在初始缺陷,順橫紋差異大等不利因素。考慮到鋼材產(chǎn)量大,強(qiáng)度高、性質(zhì)穩(wěn)定,在構(gòu)件層面將鋼材與木材兩者組合可兼具現(xiàn)代和人文氣息,目前鋼木組合結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)、組合樓蓋屋蓋體系、大跨度結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)改造加固等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在構(gòu)件層面的研發(fā)與設(shè)計(jì)中,銷(xiāo)軸類(lèi)(螺栓或螺釘)連接,膠接連接(環(huán)氧樹(shù)脂等結(jié)構(gòu)膠)是最常見(jiàn)的鋼木連接形式。但因結(jié)構(gòu)膠存在耐久性等問(wèn)題,栓釘類(lèi)連接目前的使用更為廣泛。

為獲得栓釘類(lèi)節(jié)點(diǎn)的承載力、界面滑移等特性,國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的試驗(yàn)研究主要以推出試驗(yàn)、梁的彎曲試驗(yàn)為主。Valipour等對(duì)鋼木組合樓板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了推出試驗(yàn),節(jié)點(diǎn)材質(zhì)為混凝土或工程木結(jié)構(gòu)(LVL,CLT)搭配鋼材,連接件為方頭螺釘或螺栓,結(jié)果表明連接節(jié)點(diǎn)的承載力符合設(shè)計(jì)要求。

本文的研究重點(diǎn)是探究采用燕尾(鉆尾)自攻螺釘連接薄壁鋼材與木材的連接節(jié)點(diǎn)的抗剪性能。因推出試驗(yàn)時(shí)薄壁鋼材受壓易屈曲并且不易焊接,難以探究單個(gè)螺釘?shù)目辜粜阅堋２糠謱W(xué)者進(jìn)行了單剪節(jié)點(diǎn)的研究,同時(shí)參考了輕型木與輕鋼體系相關(guān)釘節(jié)點(diǎn)的研究應(yīng)用,設(shè)計(jì)了單釘單剪節(jié)點(diǎn),考慮材料離散性,設(shè)計(jì)了多組重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)中木材選取了規(guī)格材,對(duì)各類(lèi)可能使用該類(lèi)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)有更強(qiáng)的普適性。鋼木自攻螺釘抗剪性能和理論分析的研究成果對(duì)薄壁鋼木組合結(jié)構(gòu)、鋼木連接接頭、木結(jié)構(gòu)加固有一定的意義。

研究?jī)?nèi)容

Research contents

1 自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)抗剪試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

選取的木材均為 2×4 規(guī)格材,尺寸為 40 mm×90 mm×230 mm。在距離端部約 90 mm 處,通過(guò)臺(tái)鉆鉆入 18 mm 銷(xiāo)軸孔,便于和夾具連接。鋼板為Q235B,厚度為 0.8~ 2.5 mm,由激光車(chē)床制作 4 個(gè) M8 螺栓孔,與鋼板夾具相連。試件打孔的尺寸間距按歐洲木結(jié)構(gòu)規(guī)范 EC5 設(shè)計(jì),具體尺寸見(jiàn)圖 1。材料加工完畢后,通過(guò)電鉆打孔、鉆入、鎖緊,完成試件安裝。規(guī)格材按 GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中目測(cè)分級(jí)的方法選取,避免有明顯木節(jié)、斜紋、髓質(zhì)的木材,在試件加工前進(jìn)行拋光處理、并在高溫下(100 ℃ 左右)持續(xù)烘干一周,保證所有木材含水率在 16%以下。部分試件實(shí)物見(jiàn)圖 2。

圖 1　 試件尺寸　 mm

圖 2　 部分試件實(shí)物

試件分組見(jiàn)表 1,單調(diào)試件共 84 個(gè),分為 S-1、S-2、標(biāo)準(zhǔn)組 3 個(gè)整體組,共有試件組 11 個(gè)。各對(duì)照組只改變單一參數(shù),以進(jìn)行參數(shù)化試驗(yàn)。為探究各個(gè)樹(shù)種木材的響應(yīng),S-1 試件組結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)組對(duì)比了 5 種不同樹(shù)種下的連接節(jié)點(diǎn),分別是新西蘭輻射松、花旗松、楊木、杉木、樟子松。其中花旗松和樟子松是我國(guó)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)材,杉木、輻射松屬于速生樹(shù)種,是潛在的新型建材。S-2 試件組對(duì)不同釘參數(shù)下的木材進(jìn)行了試驗(yàn),以探究連接節(jié)點(diǎn)的釘尺寸敏感性,主要的變量為釘?shù)拈L(zhǎng)度、種類(lèi)、直徑,S-25 探究雙釘節(jié)點(diǎn)的響應(yīng);S-26 對(duì)橫紋鋼木釘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。所用自攻自鉆螺釘為輕鋼結(jié)構(gòu)及輕型木結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的燕尾(鉆尾)螺釘,頂部有橡膠墊圈,為六方頭或十字沉槽螺栓頭,如圖 3 所示。

表 1　 試驗(yàn)分組

圖 3　 試驗(yàn)用自攻螺釘

1.2 材性試驗(yàn)

對(duì)所用木材、自攻螺釘?shù)目箯潯⒖辜魪?qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn),參考 GB 50005—2017、GB 1928—91《木材物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法總則》獲取了試驗(yàn)所用木材的各物理參數(shù),各方向的彈性模量、抗壓強(qiáng)度,參考 GJB 715.24A—2002《緊固件試驗(yàn)方法單剪》對(duì)釘緊固件進(jìn)行單面抗剪試驗(yàn),平均剪切力為7.78 kN。木材材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2,材性試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖 4a~ c。同時(shí)進(jìn)行了鋼材的材性試驗(yàn)(圖 4d),實(shí)測(cè)鋼板厚度為 1.81 mm,彈性模量為 212 GPa,屈服強(qiáng)度為 307.5 MPa,極限強(qiáng)度為 423.0 MPa。

表 2　 材性試驗(yàn)結(jié)果      MPa

a—木材抗壓強(qiáng)度測(cè)量;b—木材彈性模量測(cè)量;c—自攻螺釘剪切試驗(yàn);d—鋼材材性試驗(yàn)。

圖 4　 材性試驗(yàn)

1.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)在天津大學(xué)試驗(yàn)室進(jìn)行,試驗(yàn)加載儀器選用 PA-100 微機(jī)控制電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī),可實(shí)現(xiàn)單調(diào)加載和循環(huán)加載。MTS 力-位移傳感器分辨率不低于 ±0.001 mm,力傳感器精度不低于滿量程的 ±0.5%,良好的精度保證了試驗(yàn)的順利進(jìn)行。試件通過(guò)特制夾具與試驗(yàn)機(jī)相連,夾具的設(shè)計(jì)保證試件緊密連接,無(wú)干擾性滑移且在連接處不發(fā)生變形,即受力與加載圖式一致,試驗(yàn)裝置示意及實(shí)物如圖 5所示。單調(diào)加載制度參考 ASTM D1761-12 中木材緊固件試驗(yàn)方法,單調(diào)加載速率為 0.042 mm/s。

a—裝置示意;b—實(shí)物。

圖 5　 試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞模式

試件組的破壞模式有較為明顯的規(guī)律性:主要有釘在連接界面被剪斷、釘被拔出節(jié)點(diǎn)進(jìn)而失效兩種破壞模式,部分被剪斷試件同時(shí)螺釘也有一定程度的拔出。大部分試件中木材釘孔附近發(fā)生了明顯破壞。

釘剪斷的各類(lèi)試件(除 S-23、S-26 的試件組):加載初期,木材與釘桿接觸,木受壓側(cè)孔壁內(nèi)部逐漸致密化,荷載-位移曲線表出滑移,初始滑移結(jié)束后,連接處釘逐漸持力,連接界面處鋼木緊密貼合,隨后,部分試件待荷載-位移曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折時(shí),釘帽傾斜,木材發(fā)出輕微的響聲,隨之進(jìn)入強(qiáng)化或屈服階段,最終試件接近破壞時(shí),釘在連接界面處斷裂一個(gè)小口,發(fā)出沉悶的響聲,隨后整個(gè)全截面被剪斷,伴有較大響聲;部分試件全程荷載-位移曲線沒(méi)有明顯轉(zhuǎn)折,釘剪斷時(shí)有明顯的一聲巨響(S-11、S-14),斷面處有較小的不平整的斷口,斷口之外截面較為光滑,周?chē)静某霈F(xiàn)少量堆積,見(jiàn)圖 6a。

釘拔出的試件:加載初期有一定的滑移,持荷后釘帽逐漸傾斜,部分試件(S-23)鋼板孔壁發(fā)生塑性變形,且變形逐漸增大,荷載-位移曲線經(jīng)歷屈服段后,自攻釘緩緩拔出;部分試件鋼板孔壁無(wú)明顯變形,木材孔壁隨釘?shù)陌纬龀霈F(xiàn)較大的損傷,見(jiàn)圖 6b。

橫紋釘節(jié)點(diǎn)(S-26)以木材橫紋受拉破壞為主,隨荷載的增加,裂紋不斷開(kāi)展,最終發(fā)展為貫穿全截面的裂縫,試件脆性破壞,見(jiàn)圖 6c,實(shí)際結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡量避免橫紋釘連接節(jié)點(diǎn)。

a—釘剪斷;b—釘拔出;c—木材橫紋拉裂。

圖 6　 破壞模式

2.2 荷載-位移曲線

在 S-1 組各個(gè)試件的木材中,花旗松、樟子松的木紋致密,屬于多年長(zhǎng)成的木材,杉木、輻射松、楊木的木紋較為稀疏,質(zhì)地較軟,屬于速生樹(shù)種。在單調(diào)荷載下各個(gè)樹(shù)種去除滑移后的荷載、位移見(jiàn)表 3、荷載-位移曲線如圖 7 所示,其中屈服位移 Δy 的確定參考了規(guī)范 ASTM D1761-12 中木材緊固件試驗(yàn)方法,極限位移 Δu 為節(jié)點(diǎn)自攻螺釘發(fā)生脆性斷裂的位移或承載力下降為峰值的 80% 所對(duì)應(yīng)的位移,延性系數(shù) μ 為極限位移與屈服位移的比值,即 μ = Δu/Δy ,變異系數(shù) cv 由式(1)確定。

式中: σ 為極限荷載或極限位移的標(biāo)準(zhǔn)差; u 為極限荷載或極限位移的均值。

表 3　 S-1 試件組與標(biāo)準(zhǔn)組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

a—S-00;b—S-11;c—S-12;d—S-13;e—S-14。

圖 7　 S-1 組荷載-位移曲線

由圖 8 可知:改變釘種類(lèi)( 試件 S-21)、直徑(試件 S-22) 對(duì)連接節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線影響較大,表明連接節(jié)點(diǎn)的抗剪性能對(duì)釘尺寸有著顯著的敏感性;十字沉頭釘?shù)目箯潖?qiáng)度明顯小于標(biāo)準(zhǔn)組的六方頭自攻螺釘,表明釘?shù)目辜艋蚩箯潖?qiáng)度是影響剪切性能的關(guān)鍵因素。釘長(zhǎng)度(嵌入深度的變化)將改變節(jié)點(diǎn)的破壞模式,當(dāng)釘長(zhǎng)度為 30 mm 時(shí),S-23 試件表現(xiàn)為拔出破壞;當(dāng)釘長(zhǎng)度大于 60 mm(S-00、S-24)后,以釘桿剪斷為主,且提升嵌入長(zhǎng)度對(duì)承載力無(wú)明顯的提升,圖中的雙釘節(jié)點(diǎn)(S-25)的荷載-位移曲線對(duì)承載力進(jìn)行了減半,默認(rèn)每個(gè)釘分擔(dān)相同的荷載,初始剛度和峰值承載力均小于單釘節(jié)點(diǎn)(S-00),體現(xiàn)了一定的群釘效應(yīng)。S-2 組試件各試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 4。

a—S-1 組試件;b—S-2 組試件。

圖 8　 平均荷載-位移曲線

表 4　 S-2 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)

S-1 和 S-2 兩組試件的平均荷載-位移曲線見(jiàn)圖 8。各個(gè)樹(shù)種下連接節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線表現(xiàn)出相同的趨勢(shì),峰值承載力集中在 2.75 ~ 3.75 kN 之間,S-14(樟子松)和 S-11(花旗松)有較高的初始剛度和極限承載力。由表 3 可知,各個(gè)試件的變異系數(shù)均在 20% 以下,其中極限承載力最高的 S-14(樟子松)比最低的 S-12(杉木)明顯增大(增大 33%)。極限位移和屈服位移則相反,試件的平均屈服位移為 5 ~ 7.5 mm,平均極限位移為 10 ~ 15 mm,

延性系數(shù)為 1.7 ~ 2.5。由荷載位-移曲線圖 8 可知,杉木(S-12)、輻射松(S-00)有較為明顯的屈服-下降段,樟子松(S-14)則大部分處于彈性階段,曲線未表現(xiàn)出明顯的非線性。

S-11(花旗松)、S-14(樟子松)展現(xiàn)了較小的釘孔變形,在荷載-位移曲線(圖 8)上對(duì)應(yīng)的初始剛度較大,極限位移較小,S-13(楊木)、S-00(輻射松)、S-12(杉木)則表現(xiàn)出了較大的釘孔變形及極限位移。S-13 楊木和 S-12 杉木的自攻螺釘有所拔出。

此外,由圖 8b、表 4 可知:各個(gè)樹(shù)種下的釘連接節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出的荷載-位移性能和樹(shù)種的順紋抗壓強(qiáng)度以及彈性模量有明顯的相關(guān)性,表明抗壓強(qiáng)度、彈性模量與木材銷(xiāo)槽抗壓強(qiáng)度有較為明顯的相關(guān)關(guān)系。

2.3 割線剛度

割線剛度是評(píng)價(jià)栓釘連接節(jié)點(diǎn)滑移狀態(tài)的重要指標(biāo),選取了原點(diǎn)的割線(切線)剛度 K0 、承載力達(dá)到 20%時(shí)的割線剛度 K20 ,承載力達(dá)到 40%時(shí)的割線剛度 K40 、承載力達(dá)到 80%的割線剛度 K80 共四個(gè)剛度指標(biāo)評(píng)價(jià)鋼木自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)的滑移。割線剛度按式(2)計(jì)算,試件各割線剛度變化情況如圖 9所示,具體值見(jiàn)表 5。

式中: F 為試驗(yàn)承載力; Δ 為對(duì)應(yīng)位移。

圖 9　 割線剛度

表 5　 割線剛度       N/mm

由圖 9 可知,不同試驗(yàn)分組的鋼木自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)的割線剛度隨加載歷程的變化趨勢(shì)較為一致,在 Yang 等的研究中有類(lèi)似的剛度演變趨勢(shì)。在達(dá)到極限承載力的 40%之前,剛度退化較少,甚至部分試件的剛度較加載初期有所上升,承載力達(dá)到 80%后,剛度退化明顯;不同樹(shù)種間剛度大小與極限承載力大小的趨勢(shì)一致,花旗松、樟子松試件有較高的割線剛度,杉木的各個(gè)階段割線剛度在 300 ~ 350 N/mm 間。

3 規(guī)范校核

GB 50005—2017 對(duì)木-木銷(xiāo)軸連接承載力有較為明確的指導(dǎo)公式,按破壞模式分為銷(xiāo)槽承壓屈服(模式Ⅰ)和銷(xiāo)屈服(模式Ⅱ)。且 GB 50005—2017 直接考慮了鋼板厚度的影響,以鋼板的孔壁承壓強(qiáng)度作為其銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度,但未考慮繩效應(yīng)(摩擦力和軸力作用) 對(duì)抗剪承載力的貢獻(xiàn),所得出的值偏保守。

抗剪承載力設(shè)計(jì)值 Rk 的表達(dá)式如式(3)所示:

式中: kmin 為與破壞模式相關(guān)的最小長(zhǎng)度系數(shù); t為螺釘嵌入木材的有效長(zhǎng)度; d 為螺釘光圓部分的直徑; fh,t 為木材銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。

以 fh 表示母材銷(xiāo)軸承壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值,按式(4)取值:

式中: G 為木材的相對(duì)密度; fh,s 為鋼材銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度; ts 為鋼板的實(shí)際厚度; Rs 為孔壁受擠壓產(chǎn)生的抵抗力。

最小長(zhǎng)度系數(shù) kmin 取各破壞模式下 k 的最小值。

屈服模式Ⅰ:

屈服模式Ⅱ:

式中: Rt 為厚構(gòu)件與薄構(gòu)件的厚度比值; Re 為厚構(gòu)件的銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度與薄構(gòu)件的比值; fek 為銷(xiāo)軸的屈服強(qiáng)度。

fh,s 按 GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》取為 305 MPa, fek 取自材性試驗(yàn)獲得的實(shí)際值,將其代入式(5d),得到基于 GB 50005—2017 的理論值如表 6 所示。

由 GB 50005—2017 得出的設(shè)計(jì)值約占承載力實(shí)際值的 30%~45%,因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)中出于偏安全考慮,采用了分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行了折減,因此有較為富裕的安全余量。

結(jié)  論

Conclusions

本文對(duì)燕尾自攻釘連接鋼板-木節(jié)點(diǎn)的抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,主要研究的參數(shù)變量有木材種類(lèi)與釘?shù)某叽?并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行了初步的分析,得出主要結(jié)論如下:

1) 木材種類(lèi)的變化對(duì)自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)的抗剪性能有一定的影響,但釘尺寸、類(lèi)型、嵌入長(zhǎng)度的改變顯著影響節(jié)點(diǎn)的破壞模式、峰值承載力,國(guó)產(chǎn)杉木、楊木以及輻射松雖低于常見(jiàn)建材花旗松、樟子松,但仍有足夠的連接強(qiáng)度。

2) 自攻螺釘-鋼木組合連接節(jié)點(diǎn)主要自攻螺釘釘桿剪斷、釘拔出、木材破壞 3 種發(fā)生,其中自攻螺釘剪斷是最為常見(jiàn)的破壞情況,在螺釘?shù)那度腴L(zhǎng)度較小時(shí),易發(fā)生自攻螺釘拔出的破壞情況,木材橫紋釘節(jié)點(diǎn)時(shí),易因橫紋受拉發(fā)生脆性斷裂,實(shí)際情況中應(yīng)避免采用橫紋釘連接節(jié)點(diǎn)。

3) 燕尾自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)在鋼板-木結(jié)構(gòu)構(gòu)件中有著較好的峰值承載力(3 kN 左右)、但因螺釘?shù)拇嘈詳嗔延绊懷有暂^差,平均延性系數(shù)在 2 左右,減小嵌入長(zhǎng)度可增加連接節(jié)點(diǎn)的延性。

4) GB 50005—2017 中對(duì)木-木銷(xiāo)軸連接節(jié)點(diǎn)的相關(guān)設(shè)計(jì)理論,對(duì)于鋼木組合連接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果偏為保守,可進(jìn)一步考慮軸向阻力及摩擦力對(duì)承載力的貢獻(xiàn)。

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（責(zé)任編輯：何雯麗）

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