王 倩 周先雁 劉澤亞

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 長(zhǎng)沙 410004)

膠合木構(gòu)件順紋受壓及釘連接增強(qiáng)性能試驗(yàn)研究

王 倩*周先雁 劉澤亞

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 長(zhǎng)沙 410004)

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)主要由構(gòu)件與連接件組成。為研究木構(gòu)件順紋受壓性能，對(duì)落葉松膠合木構(gòu)件進(jìn)行順紋受壓性能試驗(yàn)，歸納其破壞類型，計(jì)算順紋抗壓強(qiáng)度并推導(dǎo)應(yīng)力—應(yīng)變經(jīng)驗(yàn)公式。此外，針對(duì)釘連接件在握釘力作用下出現(xiàn)的脆性破壞，采用玻璃纖維增強(qiáng)釘連接件，提高局部節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度及安全性。試驗(yàn)結(jié)果表明：落葉松順紋受壓破壞為塑性破壞，極限強(qiáng)度為43.03 MPa；三層玻璃纖維增強(qiáng)釘連接件極限應(yīng)力為60.7 MPa，其增強(qiáng)釘連接既經(jīng)濟(jì)又安全。

膠合木構(gòu)件, 順紋受壓, 釘連接, 增強(qiáng)性能

1 引 言

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)以其環(huán)保節(jié)能、美觀舒適、抗震性能優(yōu)越等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于北美、北歐及日本[1-3]。但我國(guó)引進(jìn)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)不久，研究工作剛剛起步，特別是尚未深入研究木構(gòu)件與金屬連接件的受力性能[4-6]?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中柱、桁架均為重要的承壓構(gòu)件。與其他材料不同的是，木材的順紋與橫紋力學(xué)性能相差很大，通常選取其順紋方向進(jìn)行承壓設(shè)計(jì)。因此本文首先進(jìn)行落葉松膠合木順紋軸壓試驗(yàn)，歸納其破壞形態(tài)，計(jì)算順紋抗壓強(qiáng)度并推導(dǎo)應(yīng)力—應(yīng)變經(jīng)驗(yàn)公式。

其次，針對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)釘連接件在握釘力作用下出現(xiàn)的脆性破壞，采用高強(qiáng)度、高韌性的玻璃纖維，以環(huán)氧樹脂粘貼在節(jié)點(diǎn)范圍的兩側(cè)進(jìn)行釘連接的加固，提高局部節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度及安全性。通過加固釘連接與普通釘連接在荷載作用下的對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比研究加固釘連接與普通釘連接節(jié)點(diǎn)的承載力。

2 落葉松膠合木柱順紋抗壓試驗(yàn)

無(wú)論混凝土結(jié)構(gòu)、鋼材結(jié)構(gòu)還是木結(jié)構(gòu)，柱、桁架均為重要的承壓構(gòu)件。尤其在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的梁柱體系、桁架體系中，承壓構(gòu)件是否牢固是結(jié)構(gòu)安全與否的重要指標(biāo)。與其他材料不同的是，木材的順紋與橫紋力學(xué)性能相差很大，通常選取其順紋方向進(jìn)行承壓設(shè)計(jì)。本節(jié)主要對(duì)落葉松膠合木順紋抗壓力學(xué)性能進(jìn)行討論。

2.1 試驗(yàn)儀器及材料

試驗(yàn)儀器：電子游標(biāo)卡尺、型號(hào)為YAW-3000A的微機(jī)控電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)材料：5組落葉松膠合木試件，每組5個(gè)，尺寸為137 mm×137 mm×500 mm、105 mm×105 mm×500 mm、137 mm×137 mm×700 mm、120 mm×105 mm×700 m、120 mm×105 mm×1 100 mm,密度為0.64 g/cm3，含水率為11%～12%。

2.2 試驗(yàn)方法

順紋受壓試驗(yàn)按其受力方式分為軸心受壓、偏心受壓。本文僅進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)。根據(jù)《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50329—2002)[7]，將試件置于300 kN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上(滿足液壓機(jī)施加壓力面的面積大于試件截面面積的條件)，以2 mm/min的速率單調(diào)勻速加載，觀察試驗(yàn)機(jī)上的荷載—變形曲線，直至試件破壞停止加載。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 破壞過程及形態(tài)

根據(jù)《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]軸心壓桿試驗(yàn)方柱及附錄B，長(zhǎng)柱試件長(zhǎng)度不應(yīng)小于邊寬的6倍，當(dāng)最大長(zhǎng)度受試驗(yàn)機(jī)條件的限制時(shí)，其長(zhǎng)細(xì)比宜達(dá)到150，試驗(yàn)柱的截面邊寬不宜小于100 mm。短柱試件的高度不應(yīng)大于截面寬度的6倍，截面邊寬不宜小于60 mm。通過對(duì)落葉松膠合木長(zhǎng)柱與短柱進(jìn)行順紋軸壓試驗(yàn)，比較兩者的受壓過程發(fā)現(xiàn)：短柱的破壞屬于強(qiáng)度破壞，當(dāng)落葉松鋸材屈服后，整個(gè)試件很快就屈服，試件破壞時(shí)，未發(fā)生明顯的彎曲、扭轉(zhuǎn)。長(zhǎng)柱、中長(zhǎng)柱的破壞屬于失穩(wěn)破壞，柱的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度，在柱破壞時(shí)，組成柱的落葉松鋸材的強(qiáng)度未被充分利用，試件發(fā)生彎曲，如圖1所示。

落葉松膠合木短柱發(fā)生強(qiáng)度破壞的過程中，初始加載階段，試件表面無(wú)褶皺，也未發(fā)生側(cè)向變形；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載90%左右時(shí)，荷載的增長(zhǎng)速度變慢，同時(shí)可以聽到聲響，試件中間橫截面開始出現(xiàn)裂紋；隨著荷載達(dá)到承載能力，構(gòu)件破壞失效，但未出現(xiàn)側(cè)向彎曲變形現(xiàn)象。

圖1 破壞形態(tài)

落葉松膠合木長(zhǎng)柱發(fā)生失穩(wěn)破壞過程中,初始加載階段與強(qiáng)度破壞一樣，試件表面無(wú)明顯變化；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的80%左右時(shí)，荷載增長(zhǎng)幅度變小，試件一側(cè)出現(xiàn)壓屈的褶皺，另一側(cè)出現(xiàn)裂縫，試件向一側(cè)彎曲；隨著荷載繼續(xù)增大，構(gòu)件彎曲變形愈明顯，最后失穩(wěn)破壞。

2.3.2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

荷載加載初始階段，壓應(yīng)力與壓應(yīng)變呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，表現(xiàn)為直線上升；當(dāng)荷載接近破壞荷載時(shí),試件進(jìn)入屈服階段，表現(xiàn)為落葉松膠合木試件表面開始出現(xiàn)褶皺；隨著荷載的繼續(xù)增大，壓應(yīng)變?cè)龃蟮乃俣茸兟?，出現(xiàn)異響，這是由于此時(shí)落葉松膠合木試件進(jìn)入屈服階段導(dǎo)致承載力下降；當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載時(shí)，試件發(fā)生塑性破壞且伴隨著較大的聲響。應(yīng)力—應(yīng)變曲線見圖2。

圖2 落葉松膠合木軸壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線

與木材的抗拉脆性破壞相比最大的特點(diǎn)就是塑性破壞尺寸效應(yīng)不明顯，但是長(zhǎng)細(xì)比有細(xì)微影響，表1列出短柱承載力強(qiáng)度。

表1 極限承載能力

Table 1 Ultimate bearing capacity

2.3.3 經(jīng)驗(yàn)公式

從破壞曲線看出，落葉松膠合木構(gòu)件的破壞遵循木材破壞的規(guī)律，與近似雙折線模型相近。已有研究表明[9],雙折線模型是通過試驗(yàn)得到水杉和樟子松的順紋拉、壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其默認(rèn)受壓時(shí)塑性階段具有等效彈性模量，大小為mEw，其中,m即為試件受壓本構(gòu)曲線下降段斜率與材料彈性模量Ew的比值。

但是由于加載初期存在較大的變形，且膠合木相對(duì)于鋸材存在指接、膠縫等因素的影響，若全部近似折線不合適，因此，本節(jié)考慮初始位移，將采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，利用統(tǒng)計(jì)方法建立應(yīng)力與應(yīng)變之間的回歸方程，得出落葉松膠合木構(gòu)件順紋受壓的經(jīng)驗(yàn)公式:

σ=14.51(ε-0.0035)

(1)

式中,E=14.51GPa,與本研究2.5.1靜彈性模量E=14.48GPa相比,在取值范圍內(nèi)相吻合。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)與回歸方程擬合圖形如圖3所示。

雙折線模型未考慮屈服階段，并將每個(gè)階段按線性考慮，本文擬合塑性階段應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系時(shí)分析了屈服階段，并按非線性考慮，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與回歸方程擬合圖形如圖4所示。

采用與彈性階段相同的回歸方法，得到塑性階段經(jīng)驗(yàn)方程：

圖3 落葉松軸壓彈性階段擬合曲線

圖4 落葉松軸壓塑性階段擬合曲線

(2)

當(dāng)ε=0.0114時(shí)，σ達(dá)到最大。

(3)

即

(4)

式中，E1位彈性階段彈性模量；ε0為彈性比例極限應(yīng)變；σ0為彈性比例極限應(yīng)力,σ0=E1ε0。

3 釘連接增強(qiáng)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與方法

選用本文2.1物理及力學(xué)參數(shù)一致的落葉松膠合木制作厚度為35 mm的主板與厚度為25 mm厚的側(cè)板。由于與木材接觸時(shí)，螺紋釘比圓釘產(chǎn)生更大的摩擦力，且不易拔出。因此采用直徑×長(zhǎng)度為3.75 mm×90 mm的螺紋釘。此外，側(cè)板上粘貼電阻應(yīng)變片記錄極限應(yīng)變。

本試驗(yàn)對(duì)象為普通釘連接與增強(qiáng)釘連接。按《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]，并參考《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50005—2003)[8]。在進(jìn)行普通釘連接受壓性能試驗(yàn)前，先在主板與側(cè)板上打一個(gè)孔，使得孔洞直徑(3.85 mm)稍大于螺釘直徑，再將螺紋釘置入孔內(nèi)連接主板與側(cè)板，緊固螺紋釘制作成普通釘連接，試件形式如圖5所示。然后采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單調(diào)勻速加載，直至釘連接件破壞，記錄極限應(yīng)力值。

制作增強(qiáng)釘連接件時(shí)，采用高強(qiáng)度、高韌性的玻璃纖維，以環(huán)氧樹脂粘貼在節(jié)點(diǎn)范圍的兩側(cè)。采用與普通釘連接加載相同的方法進(jìn)行三組連接件的增強(qiáng)性能試驗(yàn)。根據(jù)粘貼的玻璃纖維層數(shù)分為三組平行試驗(yàn)，且每組5個(gè)試件，如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

Table 2 Test scheme

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

A組試件破壞時(shí)螺絲釘未屈服、側(cè)板劈裂且裂縫較大、主板無(wú)開裂現(xiàn)象但出現(xiàn)細(xì)紋，屬于脆性破壞。B，C，D三組試件破壞時(shí)螺絲釘也未屈服、側(cè)板開裂但裂縫較小，主板無(wú)開裂現(xiàn)象，為塑性破壞。

取每組5個(gè)試件的平均值，4組試件的總測(cè)試結(jié)果及玻璃纖維層數(shù)對(duì)連接件增強(qiáng)性能的影響見圖6。

如圖6所示，以落葉松膠合木為主、側(cè)板的普通釘連接極限應(yīng)力為38.3 MPa(A組),增強(qiáng)釘連接極限應(yīng)力分別為52.9 MPa、60.7 MPa、67.5 MPa。計(jì)算玻璃纖維層數(shù)對(duì)強(qiáng)度提高的程度得出：B組為38%、C組為58%、D組為76%?？梢姴ＡЮw維對(duì)釘連接增強(qiáng)效果顯著；隨著粘貼層數(shù)的增加，增強(qiáng)效果變大，增強(qiáng)效果幅度變小。在三組增強(qiáng)試驗(yàn)組中，C組試件極限應(yīng)力大于本文2.2中測(cè)得的落葉松膠合木順紋軸壓極限承載力，滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求，因此工程應(yīng)用中建議采用三層進(jìn)行增強(qiáng)既經(jīng)濟(jì)又安全。

圖5 釘連接試件示意圖

圖6 釘連接件試件極限應(yīng)力

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)落葉松膠合木順紋軸壓試驗(yàn)及釘連接增強(qiáng)性能試驗(yàn)，從構(gòu)件與連接件兩個(gè)方面對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了初步探討，試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1) 落葉松膠合木順紋抗壓屬于塑性破壞，極限應(yīng)力為41.2 MPa，經(jīng)驗(yàn)公式所得曲線與試驗(yàn)曲線能很好吻合。

(2) 玻璃纖維對(duì)釘連接增強(qiáng)效果顯著；隨著粘貼層數(shù)的增加，增強(qiáng)效果變大，增強(qiáng)效果幅度變小。

(3) 粘貼三層玻璃纖維增強(qiáng)的釘連接件極限應(yīng)力大于構(gòu)件的順紋軸壓極限承載力，滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求，建議工程應(yīng)用中采用三層進(jìn)行增強(qiáng)，既經(jīng)濟(jì)又安全。

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Experimental Research on Rift Grain Compression Property of Glulam Members and Reinforced Property of Nailed Connections

WANG Qian*ZHOU Xianyan LIU Zeya

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

Modern timber structure consists of members and connections. In order to study the mechanical property of timber members, the larch glued-laminated (glulam) was adopted. The experiment of rift grain compression is conducted to learn failure forms and compression stress of the larch glulam. Meanwhile the property of glass fiber reinforce plastic(GFRP) reinforced nailed connection was also studied. It is turned out that the larch glulam under the rift grain compression behave as the characteristics of plastic failure, and the rift grain compression stress is 43.03 MPa. The ultimate stress of three layer of GFRP reinforced nailed connection is 60.7MPa, and it can be good to apply in civil engineering.

glulam members, rift grain compression, nailed connections, reinforced property

2013-05-17

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助(201304504)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2012B334)；中南林業(yè)科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(2010sx07)

*聯(lián)系作者，Email：yecry@126.com