李霞鎮(zhèn)，鐘 永，2，任海青，2

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 木工所，北京100091；2.國(guó)家林業(yè)局 木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091）

中國(guó)竹資源擁有量和品質(zhì)均居世界首位，竹子具有生長(zhǎng)速度快、成材早和產(chǎn)量高等特性，屬于短期的可再生資源［1］。隨著新型復(fù)合竹質(zhì)工程材料技術(shù)的突破，將改變中國(guó)竹質(zhì)材料大多被應(yīng)用于地板和集裝箱等非建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)狀，為其在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，銷槽承壓強(qiáng)度是銷連接設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)之一，被列入各國(guó)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中［2－4］。國(guó)外學(xué)者Kweonhwan［5］、Douglas［6］、Kei［7］、Wataru［8］、Chui－Ki［9］、Marc［10］、M.A.［11］、Alfredo［12］等，研究了木材密度、銷徑、端距、含水率、紋理方向等因素對(duì)規(guī)格材、膠合木等工程木銷槽承壓力學(xué)性能影響，得到了銷槽承壓強(qiáng)度理論計(jì)算公式。黃紹胤［13－14］、樊承謀［15］、王振家［16］最早研究了 銷徑、孔 徑和進(jìn)鉆速度等因素對(duì)銷槽承壓強(qiáng)度的影響，得到了圓鋼銷連接承彎、承壓的可靠度指標(biāo)。劉柯珍［17］研究了銷徑、厚度、紋理方向等對(duì)膠合木銷槽承壓的力學(xué)性能影響。但作為新型復(fù)合竹質(zhì)材料的銷槽承壓力學(xué)性能，尚未有相關(guān)研究。

為研究該新型復(fù)合竹層積材順紋銷槽承壓的力學(xué)性能，課題組參照木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法［18］，進(jìn)行了7組，共28個(gè)銷槽承壓試件測(cè)試，分析了竹層積材厚度、銷直徑和端距對(duì)其力學(xué)性能的影響，建立了其承壓強(qiáng)度的計(jì)算公式，將為其在建筑結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供初步參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 銷槽試件制造

針對(duì)竹層積材順紋銷槽承壓的影響因素，共設(shè)計(jì)了7個(gè)測(cè)試組，其中竹層積材厚度T、銷直徑D、端距S變化各3組，ZT－3測(cè)試組又兼為ZS－3和ZD－3，每組含4個(gè)試樣，測(cè)試組的具體參數(shù)見表1。

表1 測(cè)試組的基本參數(shù)

竹層積材銷槽承壓試件見圖1，X為順紋方向，即竹層積材的長(zhǎng)度方向；Y為徑向，即厚度方向；Zv為弦向，即寬度方向。其中，竹層積材銷開半圓孔，孔直徑比銷直徑大1mm。銷的材料為 Q235，等級(jí)為4.8級(jí)［2］。

圖1 銷槽承壓試件示意圖

1.2 試驗(yàn)用竹層積材

試驗(yàn)用竹層積材為典型的正交各向異性材料，為四川竹元科技公司制造的新型高性能竹基復(fù)合材料，材種為叢生竹，其加工過程為：竹材→剖分→疏解→膠前干燥→浸膠→膠后干燥→裝模→熱壓固化→脫?！駥臃e材。

采用10tInstron5582萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試竹層積材的物理力學(xué)性能［19］。測(cè)得其含水率約為4%，密度為1.1～1.3g／cm3。表2為各方向的強(qiáng)度平均值及其變異系數(shù)。

表2 竹層積材材性

1.3 試驗(yàn)加載及量測(cè)

圖2為試驗(yàn)加載裝置圖。采用30t萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)竹層積材銷槽承壓試件進(jìn)行測(cè)試，加載速度為1mm／min［18］。當(dāng)鋼銷完全嵌入竹層積材試件或載荷出現(xiàn)明顯下降時(shí)，停止加載。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞現(xiàn)象

竹層積材順紋銷槽承壓時(shí)，各測(cè)試組的破壞形式均相同，見圖3。

圖3 銷槽承壓的破壞模式

鋼銷的彈性模量、強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于竹層積材，因此可假設(shè)銷為剛體，即銷在整個(gè)加載過程中不發(fā)生變形。竹層積材在加載初期處于彈性階段。隨著載荷增加，竹層積材的銷開孔兩端受局部擠壓變形并出現(xiàn)細(xì)微裂紋。持續(xù)加載，裂紋沿竹層積材表面擴(kuò)展，并逐漸向里延伸，直至裂紋貫穿整個(gè)竹層積材，載荷出現(xiàn)明顯下降，停止加載。

2.2 荷載-位移曲線

圖4為竹層積材順紋銷槽承壓各測(cè)試組的荷載-位移曲線，其曲線形式基本一致，呈脆性破壞。曲線在加載初期呈非線性，主要原因是加工精度誤差導(dǎo)致銷與竹層積材間存在初始空隙。隨著載荷增加，初始空隙消除，竹層積材處于線彈性階段，曲線進(jìn)入線性階段。

持續(xù)加載，竹層積材的銷開孔兩端因應(yīng)力集中的影響［20］，局部產(chǎn)生塑性變形并出現(xiàn)細(xì)微裂紋，此時(shí)竹層積材仍能繼續(xù)承載。但因細(xì)微裂紋的快速擴(kuò)展導(dǎo)致整個(gè)竹層積材被裂紋貫通，銷槽散失承載力，曲線進(jìn)入破壞階段。

但文獻(xiàn)［17］中膠合木順紋銷槽承壓測(cè)試的塑性變形階段較明顯，并未發(fā)生脆性破壞，與文中采用竹層積材測(cè)試的結(jié)果不一致。從上述測(cè)試的竹層積材順紋承壓荷載-位移曲線（圖5）可知，有明顯的塑性變形階段。結(jié)合圖3～5及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可判斷竹層積材順紋銷槽承壓呈脆性破壞，主要是因?yàn)橹駥臃e材用膠為脆性材料，當(dāng)局部應(yīng)力達(dá)到膠粘強(qiáng)度時(shí)，竹層積材表面出現(xiàn)細(xì)紋裂紋且產(chǎn)生局部塑性變形，但隨著裂紋快速貫通整個(gè)竹層積材，載荷出現(xiàn)明顯下降，竹層積材大部分銷槽承壓截面并未達(dá)到順紋承壓強(qiáng)度。

2.3 剛度、最大載荷、承壓強(qiáng)度

從圖4中分析可知，竹層積材順紋銷槽承壓時(shí)，基本無塑性變形階段，文中取最大載荷值Fmax計(jì)算銷槽承壓強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)的位移作為最大位移值［21］。其承壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：fe為銷槽承壓強(qiáng)度，MPa；Fmax為銷槽承壓的最大載荷，kN；D為銷直徑，mm；T為竹層積材厚度，mm。

圖4 試件荷載-位移曲線

圖5 竹層積材順紋方向抗壓荷載-位移曲線

竹層積材銷槽承壓各測(cè)試組的力學(xué)性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)的平均值見表3。

表3 銷槽承壓計(jì)算結(jié)果

續(xù)表3

由于竹層積材為工程復(fù)合材料，避免了竹節(jié)、空洞和腐朽等天然缺陷所導(dǎo)致的力學(xué)性能差異［21］，且與規(guī)格材、結(jié)構(gòu)膠合木等木質(zhì)材料相比，其密度的變異系數(shù)可忽略不計(jì)，因此各測(cè)試組試樣的力學(xué)性能參數(shù)均較穩(wěn)定。

3 影響因素分析

3.1 竹層積材厚度

比較竹層材厚度（測(cè)試組ZT－1、2、3）對(duì)銷槽承壓的剛度K、最大載荷Fmax和承壓強(qiáng)度fe等力學(xué)性能的影響，見圖6。

圖6 竹層積材厚度T對(duì)銷槽承壓性能的影響

從圖6可知，隨著竹層積材厚度的增加，銷槽承壓的剛度、最大載荷和最大位移均大致呈線性增長(zhǎng)，增幅分別為0.772（kN／mm）／mm、1.557kN／mm、0.009 2mm／mm。而承壓強(qiáng)度值則隨厚度的增加，基本保持不變，主要是因?yàn)殇N槽承壓截面沿厚度的應(yīng)力不均勻分布現(xiàn)象［20］，在局部塑性變形后可發(fā)生內(nèi)應(yīng)力重新分布，與文獻(xiàn)［13－16］結(jié)果相同。

3.2 端距

比較端距（測(cè)試組ZS－1、2、3）對(duì)銷槽承壓的剛度K、最大載荷Fmax和承壓強(qiáng)度fe等力學(xué)性能的影響，見圖7。

從圖7可知，隨著端距的增加，銷槽承壓的剛度、最大載荷均先增加后基本保持不變。而最大位移則隨厚度增加，基本保持不變。對(duì)于承壓強(qiáng)度，當(dāng)端距為48mm時(shí)，其承壓強(qiáng)度明顯小于其它測(cè)試組；當(dāng)端距大于64mm，其承壓強(qiáng)度基本保持不變。從木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范可知［2－4］，端距在滿足一定幾何構(gòu)造要求后，可避免銷槽發(fā)生撕裂破壞。對(duì)于該新型復(fù)合竹層積材，則要求端距不應(yīng)小于64mm。

3.3 銷直徑

比較銷直徑（測(cè)試組ZD－1、2、3）對(duì)銷槽承壓的剛度K、最大載荷Fmax和承壓強(qiáng)度fe等力學(xué)性能的影響，見圖8。

圖7 端距S對(duì)銷槽承壓性能的影響

圖8 銷直徑D對(duì)銷槽承壓性能的影響

從圖8中可知，隨著銷直徑的增加，銷槽承壓的剛度、承壓強(qiáng)度和最大位移基本保持不變，而承壓強(qiáng)度則呈線性遞減，與文獻(xiàn)［2－4］結(jié)果一致。

4 順紋銷槽承壓強(qiáng)度計(jì)算公式

銷槽承壓強(qiáng)度為銷連接設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)之一。由于缺乏試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，中國(guó)現(xiàn)有木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定銷槽承壓的強(qiáng)度取值為木材的順紋承壓強(qiáng)度［2］。而加拿大、美國(guó)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范則采用木材相對(duì)密度G和銷直徑D作為基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如下：

加拿大設(shè)計(jì)公式［3］：

美國(guó)設(shè)計(jì)公式［4］：

因木材密度與其順紋承壓強(qiáng)度之間基本呈線性［21］，式2、3中的密度用木材順紋承壓強(qiáng)度代替后，與中國(guó)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范銷槽承壓強(qiáng)度取值方法相同。

通過上述竹層積材順紋銷槽承壓力學(xué)性能的影響因素分析（圖6～8），表明其承壓強(qiáng)度主要受銷直徑D的影響?；诖思拔墨I(xiàn)［2－4］，建立了竹層積材順紋銷槽承壓強(qiáng)度的理論計(jì)算公式：

式中：KD為銷直徑的影響系數(shù)；fc，0為竹層積材順紋抗壓強(qiáng)度161.46MPa，a0為待確定系數(shù)。

以測(cè)試組ZD－3（T＝90mm、D＝12mm、S＝64mm）作為基準(zhǔn)組，其KD取值為1.0，則系數(shù)值a0等于其銷槽承壓強(qiáng)度與竹層積材順紋抗壓強(qiáng)度的比值fe／fc，0，即0.88。由圖8（d）知銷直徑與承壓強(qiáng)度大致成線性遞減，因此對(duì)測(cè)試組ZD－1、2、3，以D／12為橫坐標(biāo)，以各測(cè)試組相對(duì)于基準(zhǔn)組的承壓強(qiáng)度比值為縱坐標(biāo)，采用線性回歸擬合，如圖9所示。

圖9 銷直徑影響系數(shù)KD的擬合結(jié)果

從圖9中的擬合回歸分析結(jié)果，表明竹層積材順紋銷槽承壓中的銷直徑影響系數(shù)KD可采用公式5計(jì)算：

采用以上影響系數(shù)代入式fe＝0.88 KDfc，0計(jì)算各測(cè)試組的銷槽承壓強(qiáng)度，并與實(shí)測(cè)值比較見表4（不包含測(cè)試組ZS－1），表明該理論計(jì)算公式能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)竹層積材順紋銷槽承壓強(qiáng)度值。

表4 銷槽承壓計(jì)算結(jié)果比較

5 結(jié) 論

通過7組共28個(gè)復(fù)合竹層積材順紋銷槽承壓試件的試驗(yàn)研究，獲得如下結(jié)論。

1）竹層積材順紋銷槽承壓破壞形式呈脆性破壞。

2）竹層積材順紋銷槽承壓強(qiáng)度主要受銷直徑D的影響，而受竹層積材厚度的影響較小。當(dāng)其端距不小于64mm時(shí)，端距對(duì)銷槽承壓強(qiáng)度的影響可忽略不計(jì)。

［1］劉一星，趙廣杰.木質(zhì)資源材料學(xué)［M］.北京，中國(guó)林業(yè)出版社，2004.

［2］GB／T 5005－2003木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.北京：2009.

［3］Canadian Standard Association International，CSA Standard.O86－09.Engineering design in wood ［S］.Ottawa，ON，Canada，2009.

［4］American Forest ＆Paper Association，American Wood Council.NDS－2005National design specification for wood construction［S］.Washington DC，2005.

［5］Kweonhwan Hwang and Kohei Komatsu.Bearing properties of engineered wood products I：effects of dowel diameter and loading direction［J］.Journal of Wood Science，2002，48：295－301.

［6］Rammer D R，Steve G.Winistorfer.Effect of moisture content on cowel－bearing strength［J］.Wood and Fiber Science，2001，33（1）：126－139.

［7］Sawata K，Yasumura M.Determination of embedding strength of wood for dowel－type fasteners［J］.Journal of Wood Science，2002：48：138－146.

［8］Kambe W，Itgaki N，Iijima Y.A Study of bearing strength with different end－distance，bolt－diameter and wood species ［C］／／11th World Conference on Timber Engineering.Riva del Garda：WCTE，2010：384.

［9］Kin C K，Oh J K，Lee J J.Effect of moisture content on performance of dowel－type connection ［C］／／ 11th World Conference on Timber Engineering.Riva del Garda：WCTE，2010：439.

［10］Oudjene M，Khelifa M.Experimental and numerical analyses of single double shear dowel－type timber joints［C］／／11th World Conference on Timber Engineering.Riva del Garda：WCTE，2010：796.

［11］Zitto M A S，K?hler J C，Piter J C.Embedding strength in joints of fast－growing Argentinean Eucalyptus grandis with dowel－type fasteners.Analysis according to the criterion adopted by European standards［J］.European Journal of Wood and Wood Products，2012，70（4）：433－440.

［12］Pereira A M，Willem J，Maria H，et al.Numerical modeling of the load－deformation behavior of doweled softwood and hardwood joints ［J］.European Journal of Wood and Wood Products，2010：42（4）：480－489.

［13］黃紹胤，洪敬源，余培明.木結(jié)構(gòu)螺栓連接中銷槽木材承壓和鋼銷抗彎的強(qiáng)度［J］.重慶建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1986（1）：11－17.Huang S Y，Hong J Y，Yu P M.Bearing and bending strength of pin connections in timber structure［J］：Journal Chongqing Institute of Architecture and Engineering，1986（1）：11－17.

［14］黃紹胤，余培明，洪敬源.木結(jié)構(gòu)中螺栓連接的設(shè)計(jì)承載力及其可靠度［J］.四川建筑科學(xué)研究，1986，（3）：1－5.Huang S Y，Yu P M，Hong J Y.Reliability and strength of bolted－connection design of timber structure ［J］：Building Science Research of Sichuan，1986（3）：1－5.

［15］樊承謀.木結(jié)構(gòu)螺栓聯(lián)接的工作原理及計(jì)算公式：關(guān)于國(guó)際木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第五稿螺栓聯(lián)接計(jì)算公式的討論［J］.哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1982（1）：18－36.Fan C M.The Bolted－connection design of timber structure：discuss about the bolted－connection design for International design of timber structure［J］：Journal of Harbin University of Civil Engineering and Architecture，1982（1）：18－36.

［16］王振家.圓鋼銷連接承彎、承壓承載能力可靠度分析［J］.哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1984（4）：32－45.Wang Z J.Reliability analysis of bending and bearing strength of pin connection ［J］.Journal of Harbin University of Civil Engineering and Architecture，1984（4）：32－45.

［17］劉柯珍.落葉松膠合木梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與承載性能評(píng)價(jià)［D］.北京：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，2011.

［18］GB／T 50329木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.北京：2002.

［19］GB／T 1928－2009木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則［S］.北京：中國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2009.

［20］Moses D M，Prion H G L.A three－dimensional model for bolted connections in wood［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，2003（30）：555－567.

［21］潘景龍，祝恩淳.木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.