郁有升，周其霖，韓俊良

(1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033；2.青島理工大學 山東省高等學校藍色經濟區(qū)工程建設與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266033)

0 引 言

膠合木是由一定厚度的板材沿順紋方向疊層膠合而成[1]，在制作過程中，可消除木材天然缺陷對承載力的不利影響。將膠合木應用于大跨度結構中可充分發(fā)揮其輕質高強、抗震性能好的特點。近年來木網殼結構廣泛應用于國內外工程中，例如日本的大館樹海體育館、美國的塔科馬穹頂、天津僑城歡樂谷演藝中心等都是典型的木網殼建筑。膠合木在大跨度建筑中的應用對節(jié)點的性能提出了更高的要求。文獻[2]～[5]進一步指出，節(jié)點剛度是影響單層網殼整體穩(wěn)定性和承載力的重要因素。

木網殼螺栓連接節(jié)點主要有鋼夾板節(jié)點[6]、鋼填板節(jié)點[7]，螺栓孔處木材在荷載作用下易沿木材紋路方向開裂，故螺栓孔是其薄弱部位，且由于木梁螺栓孔的初始間隙會導致節(jié)點存在初始滑移[8]，影響節(jié)點的初始剛度。相關學者針對防止木材螺栓孔開裂做了研究[9-10]，但未能解決節(jié)點初始剛度低的問題。Gecys等[11]提出了一種新型螺栓-鋼填板節(jié)點，通過在鋼板和木材接觸面填充聚合物纖維水泥基，來增強木材和鋼材的黏結，提高節(jié)點剛度。何敏娟等[12]對鋼填板預應力套管螺栓節(jié)點進行了順紋和橫紋抗拉試驗，無論是順紋抗拉還是橫紋抗拉，該節(jié)點的極限承載力和剛度均有所提高，且具有較好的延性。Wanyama等[13]對釘節(jié)點、螺栓節(jié)點和釘-螺栓組合節(jié)點進行了抗拉試驗，發(fā)現(xiàn)釘-螺栓組合節(jié)點的主要優(yōu)點是具有很高的剛度和抗震能力。

為減緩木梁螺栓孔初始間隙對節(jié)點剛度的不利影響，通過在夾板內表面設置鋼齒，利用鋼齒與木梁之間的機械咬合作用來提高網殼節(jié)點的初始剛度與承載力，進而可以提高網殼的整體穩(wěn)定性。目前對于帶齒夾板節(jié)點的研究較少，本文對不含鋼齒的普通夾板節(jié)點和帶齒夾板節(jié)點的受力性能進行對比試驗，并結合有限元軟件ABAQUS進行分析，研究了帶齒夾板節(jié)點的受力機理和破壞模式，以期為帶齒夾板節(jié)點的工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 連接形式

以K6型膠合木網殼為原型設計的節(jié)點連接形式如圖1所示。夾板是由鋼板彎折而成，加工時在夾板的鋼齒對應位置預鉆孔，將自攻螺釘鉆入孔中，并且在釘冒位置通過塞焊與夾板焊接，組成帶齒夾板。工程應用中，首先將帶齒夾板與膠合木梁通過螺栓拼裝完成，隨后將帶齒夾板通過高強螺栓固定在鋼轂上，該節(jié)點施工方便、裝配化效率高。

圖1 節(jié)點構造

1.2 試件尺寸

通過同尺寸下不含鋼齒的普通夾板節(jié)點(JD-1)和帶齒夾板節(jié)點(JD-2)的單調加載試驗，研究了鋼齒對節(jié)點初始剛度和承載力的提升作用。節(jié)點具體尺寸如圖2～4所示。

圖2 試件尺寸(單位:mm)

圖3 鋼轂尺寸(單位:mm)

圖4 帶齒夾板尺寸(單位:mm)

試件中固定膠合木梁的鋼轂為正六邊形，由6塊270 mm×210 mm×10 mm的鋼板焊接而成。鋼轂內置6塊放射狀加勁板以增強結構剛度，加勁板厚度為8 mm。為了方便加勁板焊接，中間設置1個φ159×10的無縫鋼管。鋼材材質為Q345B，螺栓為8.8級M16和M20高強螺栓，M16螺栓、M20螺栓按照規(guī)范[14]施加預緊力。鋼齒由自攻螺釘制作而成，截面直徑約為4.5 mm，凸出夾板的長度為5.6 mm。

1.3 膠合木材料特性

木梁由花旗松層板膠合木制作而成，材質符合規(guī)范[1]中TCT24等級膠合木的制作要求。對膠合木進行了材性試驗，膠合木的材性實測結果見表1。

表1 膠合木材性

1.4 加載裝置及加載制度

試驗加載裝置如圖5所示，豎向荷載通過反力架由千斤頂作用于鋼轂上。試件兩端部采用單向鉸支座支承。為防止加載過程中膠合木梁發(fā)生滑移和扭轉，膠合木梁通過鋼板固定件與鉸支座連接。

圖5 加載裝置

加載采用量程為50 t的液壓千斤頂，手動加載。加載過程分為2個階段，即預加載階段和正常加載階段。預加載階段：施加一級荷載(每級荷載增量為預估承載力的10%，即5 kN)，持續(xù)5 min后卸載至0。預加載可以檢查測量系統(tǒng)的有效性，確保測量系統(tǒng)正常工作。正常加載采用分級加載的方法，每級荷載增量為5 kN。每級荷載加載完畢后，都持荷3～5 min待穩(wěn)定后繼續(xù)加載。當節(jié)點失去承載力時，停止加載。

2 試驗結果

2.1 試驗現(xiàn)象

在試件JD-1加載過程中，每施加一步荷載，節(jié)點位置都會發(fā)出“咔咔”的響聲，該聲音是由夾板與木梁之間發(fā)生滑移而發(fā)出的。隨著荷載的增加，節(jié)點位置開始出現(xiàn)細微的木材劈裂聲，說明此時木梁螺栓孔附近出現(xiàn)裂紋，但無法觀測到。當荷載加到42.57 kN時，一側膠合木梁沿順紋方向在上側一排螺栓孔附近出現(xiàn)了第1條可觀測到的裂縫，此時試件的跨中位移為47.18 mm，節(jié)點轉角為0.143 rad。隨著荷載的增加，裂縫逐漸擴展。最終在木材順紋方向沿受拉側螺栓位置發(fā)生橫紋劈裂破壞，試件突然失去承載力，停止加載。此時跨中荷載為43.18 kN，試件的跨中撓度為75.16 mm，節(jié)點轉角為0.229 rad。夾板發(fā)生輕微變形，木梁螺栓孔有擠壓變形和開裂的現(xiàn)象，夾板與木梁之間有明顯的相對滑動。破壞形態(tài)如圖6所示。

圖6 JD-1破壞形態(tài)

在試件JD-2加載過程的初期，節(jié)點處沒有出現(xiàn)任何響聲，夾板與膠合木梁之間沒有發(fā)生明顯的滑移，說明鋼齒與木梁之間的機械咬合作用使得荷載能夠有效傳遞。最終由于夾板翼緣變形過大，試件無法繼續(xù)承載。此時試件跨中的豎向荷載為65.33 kN，跨中撓度為97.18 mm，節(jié)點轉角為0.310 rad。膠合木梁沒有出現(xiàn)裂縫，螺栓孔處沒有明顯的擠壓變形，鋼齒孔出現(xiàn)塑性變形，JD-2試驗現(xiàn)象如圖7所示。試驗過程中JD-1和JD-2的螺栓均保持剛直，未發(fā)生變形。

圖7 JD-2破壞形態(tài)

在彎矩與剪力聯(lián)合作用下，試件的變形包括鋼轂變形、夾板翼緣變形、夾板腹板變形、夾板與木梁之間相對滑動變形以及木梁變形。其中試件JD-1變形主要為夾板與木梁之間相對滑動變形，試件JD-2變形主要為夾板翼緣受拉變形。

2.2 彎矩-轉角曲線

試驗得到的彎矩-轉角(M-θ)曲線如圖8所示。在受力階段的初期，兩曲線幾乎重合，說明此時夾板與木梁尚未發(fā)生相對滑動。當轉角約為0.02 rad左右時，因木梁螺栓孔初始間隙的影響，JD-1的夾板與木梁出現(xiàn)相對滑動，直至螺栓桿參與傳力，因此JD-1的彎矩-轉角曲線首先下降。螺栓桿擠壓螺栓孔會使得木梁纖維出現(xiàn)橫紋拉應力，當拉應力超過橫紋抗拉強度時發(fā)生開裂，導致承載力下降。JD-2因鋼齒與木梁的機械咬合作用使得夾板與木梁之間的滑動明顯減緩，并且嵌入木梁的鋼齒在螺栓桿參與傳力時分擔了木梁螺栓孔的應力，因此JD-2未出現(xiàn)開裂。

圖8 彎矩-轉角曲線

2.3 力學性能

可以通過初始剛度k和屈服彎矩My、極限彎矩Mu、破壞彎矩Mf以及對應的轉角θy，θu，θf對節(jié)點的力學性能進行評價。初始剛度k可根據文獻[15]中的方法，即采用極限彎矩Mu的10%，40%對應的彎矩及轉角計算

(1)

式中：M10%，M40%分別為10%Mu和40%Mu；θ10%，θ40%分別為10%Mu和40%Mu對應的轉角。

JD-2試件可根據歐洲規(guī)范EN 12512[16]中屈服荷載的計算方法，計算My及相應的θy。JD-1試件以橫紋劈裂破壞為主，無法做出k/6對應的切線，此時屈服彎矩取極限彎矩的50%[17]。試驗所得數(shù)據如表2所示。

表2 試驗數(shù)據

由于鋼齒的存在，與JD-1相比，JD-2試件的初始剛度k提高了47.18%，極限承載力Mu提高了31.4%。節(jié)點的延性可由轉角延性系數(shù)γ來評估。JD-2試件與JD-1試件相比，γ提高了19.83%。由以上分析可以看出，帶齒夾板節(jié)點可以有效提高節(jié)點的初始剛度、承載力和延性。

3 有限元分析

3.1 屬性定義

在有限元模擬時，將膠合木簡化為橫紋各向同性材料，并通過定義工程常數(shù)來指定膠合木彈性階段的本構關系，木材彈性參數(shù)見表3。由于該節(jié)點存在螺栓連接，為了有效模擬螺栓孔的擠壓變形與開裂，對螺栓孔周圍木材的材性進行折減[18]。在塑性階段將膠合木視為各向同性材料，模型中塑性階段的應力-應變關系按照膠合木順紋受壓材性試驗來設置，其應力-應變表達式參考了文獻[19]中關于木材順紋受壓部分的數(shù)學模型，包括非線性上升段和線性下降段，如圖9所示，其應力-應變關系表達式如下

圖9 木材應力-應變模型

表3 彈性參數(shù)

(2)

式中：σ，ε分別為膠合木應力與應變；r為非線性段參數(shù)，r=εpE0/fc，fc為木材順紋抗壓強度；εp為fc對應的應變，本文取0.006；E0，Ed分別為膠合木順紋彈性模量和曲線下降段的斜率，本文取Ed=0.1E0；εu為膠合木順紋極限壓應變，對應下降段中0.8fc時的應變。

3.2 相互作用

節(jié)點中存在較多的相互作用關系，合理定義各接觸面之間的相互作用關系是保證有限元分析結果正確性的關鍵。本模型定義的各部件之間的相互作用如表4所示。

表4 各接觸面之間的相互作用

3.3 模型建立

用有限元軟件ABAQUS對節(jié)點進行建模時，由于需要考慮復雜的接觸關系進行彈塑性分析，所有單元均采用C3D8R實體單元。將鋼齒簡化為直徑為4.5 mm的圓柱。由于鋼齒孔的存在會使得膠合木梁網格十分密集，且木梁節(jié)點域附近受力復雜，遠離節(jié)點域處應力較小。為了便于網格劃分，提高計算效率，建模時將梁按節(jié)點域附近和遠離節(jié)點域分為兩部分，分別進行建模并定義其相互作用為“綁定”。木梁螺栓孔及鋼齒孔沿圓周劃分為12個單元。為防止網格扭曲過大，在木梁鋼齒孔與鋼齒接觸面處劃分為3個單元。為了提高計算精度，防止剪切自鎖，夾板厚度方向劃分為2個單元。模型網格劃分如圖10所示。

圖10 有限元模型

在有限元模型中，試件端部為鉸接約束，在膠合木梁端部截面的形心處創(chuàng)建參考點RP1，RP2，并將端部截面耦合到參考點上，對參考點施加鉸接約束。考慮到試驗時荷載施加在鋼轂中心的鋼管上，數(shù)值模擬時在鋼轂上表面的形心處創(chuàng)建參考點RP3，將鋼轂中心鋼管的上表面耦合到RP3上，并將位移荷載施加在該參考點上。

3.4 模型驗證

試驗曲線和模擬曲線對比如圖11所示，在初始傳力階段，試驗結果與有限元模擬結果吻合良好，隨著JD-1試件的木材發(fā)生開裂，模擬結果略大于試驗結果。初始剛度的模擬結果與試驗結果對比如表5所示，可以看出試驗結果與模擬結果的相對誤差在7%以內，精度較好，可以用于參數(shù)分析。

表5 初始剛度模擬結果與試驗結果對比

圖11 模擬曲線與試驗曲線對比

3.5 受力機理

JD-1在彎矩和剪力的聯(lián)合作用下，荷載主要由夾板通過螺栓傳遞給木梁，木梁螺栓孔處受螺栓擠壓，應力較大。JD-2可以使荷載通過夾板上的鋼齒及螺栓共同傳遞給木梁，鋼齒分擔了螺栓傳遞的荷載，因此降低了木梁螺栓孔處的應力水平。

圖12給出了木梁順紋方向(木梁長度方向)及橫紋方向(木梁截面高度方向)的應力云圖。可以看出，在荷載作用下，由于節(jié)點受力并產生一定的轉角，木梁端部與鋼轂之間發(fā)生相互擠壓，試件的木梁端部順紋方向壓應力較大，且木梁受壓區(qū)與鋼轂之間的摩擦力將使木梁端部產生橫紋拉應力。JD-1試件木梁螺栓孔由于受到螺栓的擠壓傳力，螺栓孔處存在順紋壓應力、橫紋壓應力以及橫紋拉應力，應力狀態(tài)復雜，易發(fā)生開裂。JD-2試件由于鋼齒的存在，荷載將通過螺栓以及鋼齒共同傳遞給木梁，因此減小了木梁螺栓孔的應力，避免了開裂，使得節(jié)點的破壞模式由木梁螺栓孔開裂的脆性破壞模式轉變?yōu)閵A板屈曲破壞的延性破壞模式。

圖12 木梁應力云圖(單位:MPa)

試件鋼構件的應力云圖如圖13所示，可以看出兩試件中夾板應力較大，均出現(xiàn)不同程度的屈服。由于鋼齒分擔了螺栓傳遞的荷載，故JD-2試件螺栓的應力明顯小于JD-1。

圖13 鋼構件應力云圖(單位:MPa)

結合試驗和有限元分析，帶齒夾板鋼木連接節(jié)點的受力過程可以分為3個階段：

(1)嵌固階段。受力階段的初期，在鋼齒的機械咬合力和摩擦力共同作用下，夾板與木梁不發(fā)生相對滑動。

(2)滑移階段。隨著荷載的增加，摩擦力逐漸被克服，由于木梁螺栓孔存在初始間隙，螺栓未參與傳力。在荷載作用下鋼齒孔出現(xiàn)變形，夾板與木梁開始出現(xiàn)相對滑動，此時荷載主要通過鋼齒傳遞。因此鋼齒的存在減少了螺栓孔初始間隙對節(jié)點剛度的影響。

(3)共同傳力階段。當螺栓桿與木梁螺栓孔接觸，螺栓開始參與荷載的傳遞，標志著滑移階段結束，共同傳力階段開始，此時荷載通過螺栓及鋼齒共同傳遞。因此鋼齒的存在緩解了木梁螺栓孔的應力集中，提高了節(jié)點的承載力與延性。

3.6 參數(shù)分析

3.6.1 夾板翼緣厚度

通過試驗及數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)夾板翼緣在單調荷載作用下發(fā)生較大的受拉變形，為此以JD-2試件為基礎，取4種夾板翼緣厚度t分別為6，8，10，12 mm，保持其他參數(shù)不變。相應的彎矩-轉角曲線如圖14所示。隨著夾板翼緣厚度的增加，夾板翼緣的變形將減小，因此帶齒夾板節(jié)點的抗彎承載力和初始剛度可以通過增加夾板翼緣厚度來提高。

圖14 夾板翼緣厚度的影響

3.6.2 夾板布齒率

以JD-2試件為基礎，在其他參數(shù)不變的條件下，在夾板腹板上布置不同數(shù)目的鋼齒，參數(shù)設置見表6，其中夾板布齒率ρ為鋼齒總截面面積與夾板腹板、木梁接觸面的面積之比。

表6 鋼齒數(shù)與夾板布齒率

節(jié)點轉角達到0.229 rad時螺栓的應力云圖如圖15所示，相應的彎矩-轉角曲線如圖16所示。隨著夾板布齒率的增加，螺栓應力逐漸減小，可推斷出木梁螺栓孔受到螺栓的擠壓應力減小。鋼齒阻止夾板與木梁相對滑動的能力隨著夾板布齒率的增加而增加，節(jié)點的剛度與承載力呈上升趨勢，但當布齒率大于0.65%時，布齒率的增加對節(jié)點的影響不大。因此建議夾板布齒率取0.46%～0.65%。

圖15 螺栓應力云圖(單位:MPa)

圖16 夾板布齒率的影響

規(guī)范[1]中規(guī)定了關于銷軸類連接最小端距、邊距、行距及中距，其中螺栓連接、釘連接、方頭螺釘連接以及木鉚釘連接等均屬于銷軸類連接，而帶齒夾板節(jié)點屬于一種釘與螺栓的組合節(jié)點?？紤]到節(jié)點受彎時鋼齒孔處受力方向與木材紋路既不平行也不垂直，因此鋼齒的布置間距建議端距、邊距、行距、中距的最小值分別取7d，4d，5d，4d，其中d為鋼齒直徑。為防止鋼齒嵌入木梁引起木材開裂，鋼齒的直徑不宜過大，建議鋼齒直徑取3～6 mm。

4 結語

(1)對普通夾板節(jié)點(JD-1)和帶齒夾板節(jié)點(JD-2)進行了單調加載試驗。結果表明JD-1的破壞模式為木梁沿水平螺栓孔連線方向的橫紋劈裂破壞，JD-2的破壞模式為夾板屈服破壞。與JD-1相比，JD-2的初始剛度提高了47.18%，極限承載力提高了31.4%，延性系數(shù)提高了19.83%。

(2)鋼齒對節(jié)點力學性能的提高主要表現(xiàn)為：在滑移階段，鋼齒首先參與荷載傳遞，減緩了螺栓孔初始間隙的影響，因此提高了節(jié)點的初始剛度；在共同傳力階段，鋼齒分擔了螺栓傳遞的荷載，減小了木梁螺栓孔的應力水平，因此改變了節(jié)點的破壞模式，提高了節(jié)點的承載力和延性。

(3)增加夾板翼緣厚度可以提高節(jié)點的初始剛度和抗彎承載力；夾板布齒率對節(jié)點初始剛度和承載力有一定的影響，建議夾板布齒率取0.46%～0.65%。