張秀標 江澤慧 孫正軍 武秀明 劉煥榮

(國際竹藤中心，北京，100102)

責任編輯:戴芳天。

木結構建筑因具有綠色、環(huán)保、低碳、節(jié)能、結構安全和耐久舒適等特點歷來受到人們的喜愛。近年來，木結構與鋼筋混凝土結構相比，發(fā)展較為滯后。除原料供應短缺外，最主要的是缺少一種穩(wěn)定的剛性連接。早期，木結構主要采用榫卯、齒板、銷(螺栓、釘?shù)?、剪盤以及裂環(huán)等連接方式。榫卯連接簡潔、美觀，但連接的剛度較低。構件較大時，對榫頭和榫槽的加工精度要求越高，對設備的要求也較高，現(xiàn)榫卯已被金屬連接件所替代。金屬連接件連接強度較高且設計施工方便，但通常暴露在空氣中，不僅影響美觀，其耐火、耐腐性能較差。在大型木結構建筑上，跨度的增大和層數(shù)的增加，要求連接具有很高的強度和剛度，并且要求連接美觀、耐候性好，這些要求在傳統(tǒng)的連接方式中很難實現(xiàn)。

20世紀80年代，國外提供了一種新型節(jié)點連接方法，即膠合植筋連接技術［1－2］。該技術通過在被連接材料上(膠合木梁、柱等)鉆孔，注入膠黏劑并埋入植筋桿。通過膠黏劑的固化使構件連接成為一體。大量的理論和應用研究表明，該連接技術能夠提供很高的連接強度和剛度，能夠有效地傳遞載荷，并且連接處具有很好的外觀和防火性能。

有關植筋連接技術的理論和應用研究開展的較早，但該技術僅應用于歐洲、澳大利亞和北美等少數(shù)的國家［3－5］。另外，研究雖給出了抗拔強度的測試方法，但試驗材料的不同，給出的抗拔強度設計方程并不相同，缺少統(tǒng)一的設計標準。我國關于木結構中采用植筋連接的研究還較少，筆者以膠合竹為研究對象，開展該連接技術抗拔性能研究，為該技術在我國竹、木結構中的應用和推廣提供依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 材料

膠合竹:取自同一批次，均由安徽黃山太平基地試驗中心提供。膠合竹經(jīng)刨切加工后按照設定的規(guī)格尺寸鋸成段，并置于溫度為20℃、相對濕度為65%的環(huán)境里30 d以上。試驗測得膠合竹氣干密度在0．66～0．74 g/cm3，含水率在4．96%～6．11%，彈性模量在10．75～11．82 GPa。

膠黏劑:雙組分環(huán)氧樹脂CYD－128，室溫固化，固化劑為CYDHD－593，即二亞乙基三胺與丁基縮水甘油醚的加成物。m(固化劑)∶m(主劑)=1∶4。

植筋桿:別名全螺紋螺桿、絲桿，材質為45#鋼，表面發(fā)黑處理，型號有M8、M12、M16、M18、M20、M24、M30，產(chǎn)品等級8．8，即抗拉強度800 MPa，屈服強度為640 MPa，購自南京鑫固標準件有限公司。

1．2 試樣制備及試驗設計

1．2．1 試樣制備

膠合植筋連接抗拔強度測試方法主要有拉—拉和拉—壓兩種模式［6－7］。本試驗采用拉—拉模式，試樣示意圖及主要尺寸如圖1所示。支撐端植筋桿直徑和植入深度均較測試端大，旨在保證破壞發(fā)生在測試端。圖1中a代表膠合竹端面長度和寬度;da和Ds為兩端孔的直徑;d和D為兩端植筋桿的直徑;La和Ls分別是兩端的植入深度，Lm為非植筋區(qū)域長度，其中D=1．5d，Ls=1．2La，Lm=1．4La。兩端植筋桿各留出100 mm，便于測試時夾持。

圖1 試樣示意圖

為了保證試件兩端的植筋桿具有一定的同軸度，植筋采用如下工藝進行:①先以試件的一個面為基準面，將其固定在工作臺A上，取植筋桿1，根據(jù)試件的邊距和孔的位置，確定植筋桿1的中心線與工作臺的高度，此時將植筋桿1固定并移走試件;②在工作臺C處放置植筋桿2(注:植筋桿1、2直徑不同)，利用紅外定位儀和水平尺調節(jié)植筋桿的水平位置和垂直高度，使其與植筋桿1在同一水平位置，然后將其固定;③植筋時，膠黏劑和固化劑按照給定的配比，采用專門的注膠設備經(jīng)高速混合后注入孔內(nèi)，然后將植筋桿沿著順時針方向擰入孔的底部，擦除多余的膠液，并用聚四氟乙烯密封植筋桿端頭，防止膠液滲出;④將制備好的試件放置在溫度為20℃，相對濕度為65%的環(huán)境中繼續(xù)固化養(yǎng)護15 d以上。

圖2 植筋示意圖

1．2．2 試驗設計

①邊距。研究表明膠合植筋的破壞模式和邊距(木材邊界與植筋桿之間的距離)有關。邊距過小常引起木材的開裂破壞，進而導致膠合植筋連接抗拔強度降低［8］。前人研究結果推薦的邊距結果也不盡相同，推薦的邊距值在(1．5～2．5)d，其中d是植筋桿直徑。本試驗中邊距值分別為2、3、4、5d，植入深度為10d，測試端植筋桿為M16，支撐端植筋桿為M24，試件主要尺寸見表1，L代表膠合竹試件的總長度。

表1 邊距試驗的試樣基本尺寸

②膠層厚度。前人研究結果表明膠層厚度對膠合植筋連接抗拔強度的影響不是很大［5，9］。采用過薄的膠層有可能使施膠不均勻，且灌膠時不易植筋桿的擰入;而膠層過厚不能增強連接的抗拔強度，且會產(chǎn)生膠黏劑的浪費和固化時間的增加。本試驗考查不同膠層厚度下植筋連接抗拔強度。膠層厚度分別為0．5、1．0、2．0、4．0 mm。測試端植筋桿為M16，支撐端植筋桿為M24。試樣主要尺寸見表2。

表2 膠層厚度試驗的試樣基本尺寸

③長徑比。研究表明植入深度和植筋桿直徑是膠合植筋最重要的參數(shù)，目前存在的參數(shù)設計方程中主要是利用這2個參數(shù)來預測植筋抗拔強度。為了研究的需要，研究者們將這兩個參數(shù)合并為長徑比(λ)(即植入深度與植筋桿直徑之比，即La/d)，長徑比成為膠合植筋連接抗拔強度的主要影響因子。本試驗中長徑比分別為5、10、15和20。測試端植筋桿型號分別為M12、M16、M20，支撐端植筋桿型號分別為M18、M24、M30。邊距均為4d。具體尺寸詳見表3。

表3 長徑比試驗的試樣基本尺寸

1．3 試驗方法

本試驗在300 kN材料萬能力學試驗機上完成。測試端安裝一對位移傳感器，測試過程中加載速度在2～10 mm/min。試驗過程中記錄最大破壞載荷和破壞模式。根據(jù)有效接觸面積計算出膠合竹與膠黏劑界面的名義剪切強度(τ1)和植筋桿與膠黏劑界面的名義剪切強(τ2)。

2 結果與分析

2．1 邊距對膠合植筋連接抗拔強度的影響

表2給出了不同邊距條件下抗拔強度均值、主要破壞模式統(tǒng)計、膠合竹與膠黏劑界面的名義剪切強度(τ1)和植筋桿與膠黏劑界面的名義剪切強度(τ2)，名義剪切強度的計算方法見公式(1)。

式中:Fu為每個試樣軸向拉伸的最大破壞載荷(N)。

從邊距測試結果(表4)可以看出，植筋桿直徑為16 mm時，植筋連接抗拔強度均值介于88．52～94．11 kN。植筋抗拔強度均值隨著邊距的增大而增大，后趨于穩(wěn)定。當邊距為2d時，產(chǎn)生的全是膠合竹的開裂破壞，變異系數(shù)較大，說明植筋連接在邊距較小時抗拔強度不穩(wěn)定;當邊距為3d時，絕大部分是膠合竹開裂破壞;當邊距為4、5d時，只發(fā)生植筋桿的拔出破壞。這說明邊距對破壞模式有一定的影響。邊距對植筋連接抗拔強度的影響可以從圖3中更直觀的反映出來。

圖3 邊距對植筋連接抗拔強度的影響

邊距對膠合植筋連接抗拔強度的影響進行了單因素方差分析，結果如表5所示，說明在α=0．05水平下，邊距對膠合植筋連接抗拔強度有顯著影響。前人的研究結果［10－11］中推薦邊距值要大于2．5d。當邊距小于2．3d時導致木材過早地開裂，從而抗拔性能降低。從本試驗中可以看出，當邊距介于(2～3)d時，主要發(fā)生木材的開裂破壞;當邊距大于等于4d時，主要發(fā)生植筋桿的拔出破壞。本試驗推薦的邊距為大于等于4d。

表4 邊距試驗結果

表5 邊距對膠合植筋強度的單因素方差分析

2．2 膠層厚度對膠合植筋連接抗拔強度的影響

不同膠層厚度下膠合植筋抗拔強度的測試結果見表6?？梢钥闯?，膠層厚度為0．5、1．0、2．0、4．0 mm時，其抗拔強度均值分別為93．25、92．74、93．74、93．51 kN。膠層厚度不同，其抗拔強度值相差不大。隨著膠層厚度的增大，膠合竹/膠黏劑界面的表面積增大，使得膠合竹/膠黏劑界面的名義剪切強度下降，而植筋桿/膠黏劑界面的名義剪切強度變化不大。

表6 膠層厚度試驗結果

對不同膠層厚度下的抗拔強度均值進行方差分析(α=0．05)，如表7所示。結果表明，在α=0．05水平下，膠層厚度對抗拔強度沒有顯著影響。

表7 膠層厚度對膠合植筋連接抗拔強度的單因素方差分析

2．3 長徑比對膠合植筋連接抗拔強度的影響

表8給出了膠合竹膠合植筋在不同長徑比下的抗拔強度均值，膠合竹與膠黏劑界面以及植筋桿與膠黏劑界面間的名義剪切強度均值，并統(tǒng)計了試驗過程中發(fā)生的主要破壞模式?？梢钥闯?，在植筋桿直徑相同的條件下，隨著長徑比的增大，植筋連接抗拔強度呈上升趨勢;當長徑比達到某一個值時，主要發(fā)生植筋桿的屈服，此時植筋抗拔強度取決于植筋桿自身的性能。隨著長徑比的增大，膠合竹/膠黏劑界面的名義剪切應力呈下降趨勢，因為植筋連接軸向剪切應力在植入深度方向上的不均勻分布造成的。這種現(xiàn)象與Gardelle［12］、Broughton［13］的研究結論相同。

表8 不同長徑比下的抗拔強度均值

長徑比是影響膠合植筋強度的重要因子。圖4給出了膠合植筋連接抗拔強度與長徑比的關系。繪制曲線時通常將植筋桿屈服和膠合竹開裂時的數(shù)值去除，保證此時產(chǎn)生的主要破壞為植筋桿的拔出，即破壞發(fā)生在膠合竹/膠黏劑界面。

圖4 植筋抗拔強度與長徑比的回歸分析

曲線擬合的結果如表9所示，可以看出其相關系數(shù)R2=0．95～0．99，說明擬合后的參數(shù)方程能夠很好地描述膠合竹植筋抗拔強度在不同直徑、不同長徑比下的力學性能?？梢钥闯觯煌睆较碌目拱螐姸刃柰ㄟ^不同的擬合方程來表征，其實用性不強。根據(jù)相似理論，選擇其中一條曲線作為基線，以桿直徑作為變量，給出膠合植筋抗拔強度與直徑之間的關系。

表9 抗拔強度與長徑比的曲線擬合結果

本試驗以直徑為16 mm的植筋桿對應的擬合方程為基線，即Fax=－0．563 9λ2+15．01λ，擬合出膠合竹順紋植筋平均軸向抗拔強度的Fax的預測模型為:

選用此模型滿足:長徑比λ為5～20，植筋桿直徑12～20 mm，膠黏劑為雙組分環(huán)氧樹脂，膠層厚度0．5～4．0 mm，膠合竹或材性相近的膠合木，順紋植筋。

2．4 破壞模式

試驗中主要產(chǎn)生3種破壞模式:a為膠合竹開裂;b為植筋桿拔出;c為植筋桿屈服(見圖5)。

圖5 膠合竹順紋植筋主要破壞模式

①膠合竹開裂。拉—拉荷載模式下要求試樣兩端的植筋桿中心線既要在一條直線上，又要能夠保證各自的垂直，這對試樣鉆孔的精度和植筋時的垂直度都有很高的要求。加載過程中因邊距過小或植筋桿不共軸容易產(chǎn)生彎曲應力，進而導致膠合竹開裂。

②植筋桿拔出。膠合竹植筋拔出只發(fā)生在膠合竹與膠黏劑界面。這種模式的產(chǎn)生主要原因是植筋連接中，膠層不是最弱項，抗拔強度取決于膠黏劑與膠合竹界面的粘接強度，這通常又與被連接材料(膠合木、膠合竹)對膠黏劑的滲透性有關。本試驗中植筋桿/膠黏劑界面完好無損，一方面在于環(huán)氧樹脂膠黏劑不僅對鋼材有較好的粘接性能;另一方面，植筋桿表面的螺紋進一步增大了粘接表面，固化后產(chǎn)生類似機械連接的嵌合作用。

③鋼筋屈服。隨著植入深度的增加，膠合植筋的抗拔強度增大，當強度大于鋼筋本身的拉伸強度時即產(chǎn)生了植筋桿的屈服，屬于韌性破壞。這種破壞模式是最為理想的形式。因為相對于木材而言，鋼材是一種均質穩(wěn)定的材料，其強度設計的準則和計算方法十分成熟。當膠合木膠合植筋連接中達到鋼材的屈服破壞，其連接抗拔強度的設計可以參考鋼材的設計準則，具有更安全、更方便的特點。

3 結論

邊距對膠合竹植筋抗拔強度有一定影響，邊距過小容易導致膠合竹的開裂，進而降低連接抗拔強度;推薦的邊距為大于或等于4d;膠層厚度對連接抗拔強度影響不顯著。長徑比是影響植筋連接抗拔強度的一個重要參數(shù)。根據(jù)長徑比給出膠合竹順紋植筋抗拔強度的預測模型為:Fax=(0．563 9λ2+15．01λ)(d/12)1．5。植筋連接主要產(chǎn)生了膠合竹開裂、植筋桿拔出和植筋桿屈服等3種破壞模式。

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