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        日本柳杉木構(gòu)件內(nèi)嵌鋼填板銷連接橫紋承載性能

        2020-08-14 01:56:40王朝暉呂洋波葛蓓清張忠利蘇冠男田昭鵬
        林業(yè)科學(xué) 2020年7期
        關(guān)鍵詞:鋸材橫紋脆性

        王朝暉 呂洋波 葛蓓清 張忠利 蘇冠男 田昭鵬

        (中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所 北京100091)

        現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間通常采用金屬件連接,鋼填板銷連接是一種常見的銷軸類連接方式,其將鋼板置于梁、柱等構(gòu)件預(yù)先開設(shè)的槽口內(nèi),通過鋼銷將構(gòu)件連接起來。對木結(jié)構(gòu)梁、柱連接節(jié)點(diǎn)的研究發(fā)現(xiàn),梁端鋼銷周圍木材容易出現(xiàn)開裂,在橫紋荷載作用下,梁端部承受的剪力最大; 在剪力作用下,木材內(nèi)產(chǎn)生順紋剪切應(yīng)力,銷孔壁擠壓在木材內(nèi)形成橫紋拉應(yīng)力(劉柯珍, 2011; 張剛, 2014)。木材順紋抗剪強(qiáng)度和橫紋抗拉強(qiáng)度較低,當(dāng)螺栓或鋼銷直徑較大、數(shù)量較多時(shí),節(jié)點(diǎn)部位會發(fā)生木材的脆性破壞,使得梁、柱等構(gòu)件受彎承載力和變形能力得不到充分利用(徐天琦等, 2017)。

        鋼填板銷連接的破壞形式可能是延性破壞或脆性破壞或二者兼有,延性破壞指銷連接部位發(fā)生銷屈服,脆性破壞指銷連接部位木材發(fā)生剪切或劈裂破壞。單純的延性破壞或脆性破壞很少發(fā)生,一般延性破壞先發(fā)生,隨著荷載不斷增加,構(gòu)件發(fā)生脆性破壞并喪失承載力。Johansen(1949)最早提出了木結(jié)構(gòu)銷類連接承載力計(jì)算方法,該方法假定連接節(jié)點(diǎn)最終發(fā)生延性破壞,節(jié)點(diǎn)承載力主要取決于木材的銷槽承壓強(qiáng)度和螺栓或鋼銷的抗彎強(qiáng)度,后逐漸演變?yōu)槟壳皬V泛應(yīng)用的歐洲屈服理論(European yield model, EYM)。歐洲屈服理論可很好解決單剪和雙剪連接問題,但不能有效解決多剪連接問題。Sawata等(2006)基于木材銷槽承壓和鋼銷彎矩滿足剛塑性模型的假定,推導(dǎo)出了多剪連接下的承載力計(jì)算公式。徐德良等(2009)研究側(cè)材厚度對木材-鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)屈服模式和承載力的影響,結(jié)合理論分析提出了屈服荷載和極限荷載的計(jì)算公式。祝恩淳等(2016)認(rèn)為無論銷連接基于何種屈服模式,其承載力計(jì)算均可歸結(jié)于銷槽有效承壓長度系數(shù)的確定上,推導(dǎo)出了銷連接承載力計(jì)算公式,并采用樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和興安落葉松(Larixgmelinii)間不同組合連接方式進(jìn)行試驗(yàn),驗(yàn)證了承載力計(jì)算公式可用于計(jì)算不同強(qiáng)度等級木構(gòu)件銷連接的承載力。

        van der Put等(2000)研究認(rèn)為,預(yù)測木材脆性破壞承載力對節(jié)點(diǎn)的合理設(shè)計(jì)具有重要意義,并基于斷裂力學(xué)基本理論推導(dǎo)出了木材橫紋劈裂破壞承載力計(jì)算公式。Jensen等(2003; 2012)在van der Put計(jì)算模型基礎(chǔ)上,考慮螺栓端距和橫紋抗拉強(qiáng)度對節(jié)點(diǎn)承載力的影響,提出了新的計(jì)算公式。Patel等(2012)對單個(gè)螺栓和2個(gè)螺栓橫紋連接承載力進(jìn)行研究,將實(shí)測值與基于van der Put等(2000)、Jensen等(2003)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EC5(Eurocode 5)得出的計(jì)算值進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)Jensen等(2003)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值最吻合,認(rèn)為EC5中規(guī)定的斷裂韌度C1不太適用于單板層積材LVL(laminated veneer lumber)或其他木質(zhì)復(fù)合材料。Snow(2006)按照ASTM D5652-95 R2000測試方法研究單板層積材LVL、單板條定向?qū)臃e材PSL(parallel strand lumber)、大片刨花定向?qū)臃e材LSL(laminated strand lumber)3種工程木材料的連接性能和破壞模式,并與松木鋸材進(jìn)行對比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)行橫紋連接時(shí),工程木質(zhì)品螺栓連接承載能力高于松木,LVL、PSL和松木均發(fā)生劈裂破壞,而LSL在梁的受拉面發(fā)生破壞。Smith等(2006)指出ASTM D5652-95 R2000測試方法存在缺陷,認(rèn)為對于產(chǎn)生劈裂破壞的構(gòu)件,其最終失效荷載是因?yàn)槁菟ㄏ虏坎牧戏蛛x失去支撐作用的結(jié)果,無法獲得產(chǎn)生劈裂破壞所對應(yīng)的相應(yīng)荷載,推薦采用圖1中的2種方法進(jìn)行測試。王明謙等(2016)探討膠合木梁柱嵌入鋼板-螺栓拼接節(jié)點(diǎn)在純彎和彎剪復(fù)合荷載作用下的破壞機(jī)制,結(jié)果發(fā)現(xiàn)木材橫紋劈裂破壞是膠合木梁柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)的主要破壞模式。

        圖1 建議采用的測試方法Fig.1 Proposed test methods

        日本柳杉(Cryptomeriajaponica)原產(chǎn)日本,引種到我國南方長江流域已有100多年歷史,人工林主要分布在四川、湖北、江西、貴州等地,材質(zhì)與杉木(Cunninghamialanceolata)相近,主要用于裝飾家具用材,在結(jié)構(gòu)材利用方面基本處于空白狀態(tài)。日本柳杉在日本作為主要結(jié)構(gòu)用材樹種,廣泛用于日式木結(jié)構(gòu)建筑,結(jié)構(gòu)用鋸材和膠合木產(chǎn)業(yè)鏈完善,產(chǎn)品強(qiáng)度等級明確、質(zhì)量穩(wěn)定可靠。結(jié)構(gòu)梁柱用鋸材或枋材通常是經(jīng)過人工干燥處理,而膠合木在日本也被稱為集成材,是將干燥的鋸材層板經(jīng)涂膠層壓膠合而成,中小斷面集成材廣泛用于日本木結(jié)構(gòu)住宅的梁柱構(gòu)件,梁柱構(gòu)件常用的2種厚度規(guī)格分別為105 mm和120 mm。本研究以120 mm厚度規(guī)格的日本柳杉結(jié)構(gòu)用鋸材梁和膠合木梁為研究對象,參照圖1b彎曲剪切測試方法對其進(jìn)行單個(gè)鋼銷的鋼填板橫紋承載性能試驗(yàn),并將試驗(yàn)值與日本、歐洲、加拿大、美國和我國木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,探究其破壞機(jī)制和承載性能,以期為木結(jié)構(gòu)梁、柱構(gòu)件金屬件連接時(shí)梁端銷連接設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        日本柳杉結(jié)構(gòu)用鋸材和膠合木原產(chǎn)于日本岡山縣,表觀密度0.34~0.43 g·cm-3。使用手持式含水率儀測定試樣含水率,每個(gè)試樣分3處不同部位測定,取平均值,含水率為5.8%~13.3%。含髓心的鋸材強(qiáng)度等級為JAS2級(機(jī)械等級E70),膠合木強(qiáng)度等級為E65-F255。鋼銷直徑d為12 mm,材質(zhì)等級為Q235鋼; 鋼板采用45號鋼材,厚度10 mm。

        1.2 試驗(yàn)加工及試驗(yàn)裝置

        鋼填板銷連接中,銷類緊固件端距、邊距、間距和行距的最小尺寸應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。本研究僅探討單個(gè)鋼銷的情況,故只考慮端距和邊距的最小尺寸。端距84 mm相當(dāng)于7倍鋼銷直徑,邊距120 mm相當(dāng)于10倍鋼銷直徑,滿足各國標(biāo)準(zhǔn)要求。

        試驗(yàn)設(shè)計(jì)2組共10個(gè)鋼填板連接試樣,試驗(yàn)類型及其試樣規(guī)格尺寸和設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,密度和含水率為測試前梁構(gòu)件的相應(yīng)數(shù)據(jù)。梁構(gòu)件規(guī)格為850 mm(長)×120 mm(寬)×240 mm(高),參照圖1b測試方法,鋼銷布置在梁端部,用于模擬梁、柱連接時(shí)梁端鋼銷受剪作用情況。有效梁寬度為110 mm=120 mm-10 mm(鋼板厚度)。

        1.3 加載裝置與方式

        試驗(yàn)在25 t液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,使用東京測器位移計(jì)CDP-100測量鋼板和木材之間的相對位移,位移計(jì)具體位置如圖2所示,木材兩側(cè)各布置位移計(jì)1個(gè),量程100 mm,結(jié)果取平均值以減小誤差,數(shù)據(jù)通過東京測器TDS-530靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)采集,保證荷載和位移數(shù)據(jù)同步。采用單調(diào)加載時(shí),加載速度為1 mm·min-1,直至荷載下降至極限荷載的80%以下停止加載。試驗(yàn)結(jié)束后測量試樣含水率、密度,并將試樣剖開觀測連接部位鋼銷屈服形態(tài)。

        圖2 鋼填板銷連接橫紋承載試驗(yàn)加載示意(mm)Fig.2 Setup of the dowel joint with the slotted-in steel plates in the beam loaded perpendicular to grain

        圖3 荷載-位移曲線Fig.3 Load- displacement curvesa.鋸材 Sawn timber; b.膠合木 Glulam.

        2 結(jié)果與分析

        2.1 荷載-位移曲線

        圖3a、b分別為鋸材梁和膠合木梁構(gòu)件的橫紋連接荷載-位移曲線??梢钥闯?,加載初期,荷載-位移曲線呈線性關(guān)系,構(gòu)件處于線彈性階段; 隨著位移增加曲線呈非線性,構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段; 當(dāng)位移增加到一定數(shù)值,曲線下行,荷載瞬間急速減小,此時(shí)構(gòu)件螺栓孔附近出現(xiàn)開裂,裂紋方向與木材纖維方向一致,接著荷載又隨位移增加再次上升,加載至極限狀態(tài)時(shí),梁構(gòu)件產(chǎn)生劈裂破壞喪失承載力。

        2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

        短期承載力標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)木造軸組工法住宅の許容応力度設(shè)計(jì)改訂委員會(2017)規(guī)定的等效理想彈塑性方法確定?;谠囼?yàn)獲得的荷載-位移曲線,可以確定初始開裂的荷載Pini、最大荷載Pmax、2/3Pmax、屈服荷載Py(圖4、5)。屈服荷載Py的確定方法如下: 1) 連接荷載-位移曲線上0.1Pmax和0.4Pmax對應(yīng)的點(diǎn),形成直線Ⅰ; 2) 連接荷載-位移曲線上0.4Pmax和0.9Pmax對應(yīng)的點(diǎn),形成直線Ⅱ; 3) 平移直線Ⅱ,使之與荷載-位移曲線相切,形成直線Ⅲ; 4) 直線Ⅰ與直線Ⅲ交點(diǎn)所對應(yīng)的縱坐標(biāo)值記為屈服荷載Py。

        圖4 連接節(jié)點(diǎn)的性能參數(shù)確定Fig.4 Definition of the strength parameter of the joints

        圖5 參數(shù)確定示意Fig.5 Schematic diagram of parameter determination

        表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test result

        鋸材梁和膠合木梁鋼填板銷連接最大荷載、屈服荷載如圖6所示。根據(jù)試驗(yàn)得到鋸材梁和膠合木梁鋼填板銷連接最大荷載平均值分別為27.00和30.80 kN、屈服荷載平均值分別為14.50和15.00 kN,屈服荷載均小于2/3最大荷載,短期承載力標(biāo)準(zhǔn)值取決于屈服荷載,鋸材梁和膠合木梁銷連接承載力標(biāo)準(zhǔn)值分別為8.60和13.70 kN,膠合木梁鋼填板銷連接的最大荷載和屈服荷載平均值均大于鋸材梁,且變異系數(shù)明顯小于鋸材梁,從而導(dǎo)致膠合木梁鋼填板銷連接的短期承載力標(biāo)準(zhǔn)值遠(yuǎn)高于鋸材梁。試樣破壞后測得鋸材梁和膠合木梁構(gòu)件的密度平均值一致,膠合木梁構(gòu)件的含水率平均值和變異系數(shù)均小于鋸材梁,也是造成銷連接承載力變異小的原因。

        2.3 破壞形態(tài)

        鋸材梁和膠合木梁最終均發(fā)生劈裂破壞,破壞形態(tài)如圖7所示。將梁剖開觀測連接部位鋼銷的屈服形態(tài)(圖8),可以看出,鋸材梁和膠合木梁端鋼銷均在中部出現(xiàn)一個(gè)塑性鉸,塑性鉸之外區(qū)域螺栓剛直,與Johansen(1949)總結(jié)的屈服模式Ⅲ型(圖9)一致,說明節(jié)點(diǎn)延性較好。此時(shí),鋼銷達(dá)到其抗彎屈服強(qiáng)度,側(cè)材在鋼銷壓力作用下也出現(xiàn)銷槽承壓破壞,鋼銷與上下表面木材接觸部位存在作用力,使得木材內(nèi)部產(chǎn)生橫紋拉應(yīng)力,最終導(dǎo)致木材發(fā)生劈裂破壞。根據(jù)文獻(xiàn)(徐德良等, 2009; 祝恩淳等, 2016)描述的銷連接屈服模式規(guī)律,當(dāng)鋼填板厚度、鋼銷強(qiáng)度一定時(shí),最終屈服模式與側(cè)材厚度和側(cè)材銷槽承壓強(qiáng)度有關(guān),當(dāng)側(cè)材厚度較小或銷槽承壓強(qiáng)度較小時(shí),將發(fā)生側(cè)材銷槽承壓破壞即屈服模式I型; 當(dāng)側(cè)材厚度較大或銷槽承壓強(qiáng)度較高時(shí),將在中部和側(cè)材中同時(shí)出現(xiàn)塑性鉸,塑性鉸之間的木材發(fā)生銷槽承壓破壞,即屈服模式Ⅳ型; 當(dāng)側(cè)材或主材部位銷屈服出現(xiàn)一個(gè)塑性鉸,為屈服模式Ⅲ型,如圖9所示。

        圖6 最大荷載、屈服荷載比較Fig.6 Comparison of maximum load and yield load

        圖7 梁構(gòu)件破壞形態(tài)Fig.7 Failure modes of specimens

        圖8 鋼銷屈服形態(tài)Fig.8 Yield modes of dowel

        圖9 鋼填板銷連接節(jié)點(diǎn)的3種屈服模式Fig.9 Three yield modes of dowel joint with the slotted-in steel plates in the wood

        Pedersen(2001)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)螺栓連接處于橫紋受力時(shí),會對銷槽孔附近的木材產(chǎn)生橫紋拉伸應(yīng)力,如圖10所示。在橫紋拉伸應(yīng)力作用下,因木材纖維之間的橫向聯(lián)系較弱容易被拉開,如果達(dá)到橫紋拉伸應(yīng)力的臨界值木材還未發(fā)生銷槽承壓破壞,則會出現(xiàn)木材劈裂破壞; 如果達(dá)到橫紋拉伸應(yīng)力的臨界值木材已發(fā)生銷槽承壓破壞,木材依舊會開裂,但是拉伸應(yīng)力會隨著銷槽孔發(fā)生移動而減緩裂縫發(fā)展進(jìn)程。

        2.4 承載力計(jì)算

        日本標(biāo)準(zhǔn)(日本建築學(xué)會, 2012)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)(British Standards Institution, 2004)、加拿大標(biāo)準(zhǔn)(Canadian Wood Council, 2014)、美國標(biāo)準(zhǔn)(American Wood Council, 2018)和我國標(biāo)準(zhǔn)(中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 2017)均給出了鋼填板銷連接承載力計(jì)算公式,可分為銷連接屈服荷載和木材脆性破壞承載力計(jì)算。

        圖10 銷連接拉伸荷載時(shí)銷槽孔周圍橫斷面應(yīng)力分布示意(Pedersen, 2001)Fig.10 Schematic stress condition in a transverse section in dowel proximity, with attention to tension stresses

        2.4.2 木材脆性破壞承載力計(jì)算 國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脆性破壞計(jì)算公式如表4所示,我國標(biāo)準(zhǔn)尚未規(guī)定。

        表3 各國標(biāo)準(zhǔn)中鋼填板銷連接屈服荷載的計(jì)算公式比較Tab.3 The calculation formula of yield load of dowel with the slotted-in steel platesin standards

        表4 各國標(biāo)準(zhǔn)中鋼填板銷連接脆性破壞的計(jì)算公式比較Tab.4 The calculation formula of brittle failure of dowel joint with the slotted-in steel plates in standards

        各國標(biāo)準(zhǔn)對脆性破壞的要求不同,日本標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)考慮了連接部位的劈裂破壞和順紋剪切破壞; 歐洲和加拿大標(biāo)準(zhǔn)僅考慮了劈裂破壞而未考慮剪切破壞; 美國標(biāo)準(zhǔn)對劈裂破壞僅作了構(gòu)造要求。

        2.4.3 承載力計(jì)算結(jié)果 根據(jù)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定公式計(jì)算屈服荷載結(jié)果見表5。歐洲、加拿大和美國標(biāo)準(zhǔn)取各種屈服模式計(jì)算結(jié)果最小值作為屈服荷載,日本和我國標(biāo)準(zhǔn)先分別取接合形式系數(shù)C和銷槽承壓有效長度的最小值再計(jì)算屈服荷載。計(jì)算得出的屈服模式均為屈服模式Ⅲ型,即最小值對應(yīng)的屈服模式。由表5可知,根據(jù)日本、歐洲、加拿大、美國、我國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式得出的屈服荷載分別為7.00、11.70、7.30、11.80和10.20 kN,其中日本和加拿大標(biāo)準(zhǔn)得出的計(jì)算值較小偏于保守,歐洲、美國和我國標(biāo)準(zhǔn)得出的計(jì)算值相對較大。

        表5 各國標(biāo)準(zhǔn)屈服荷載計(jì)算結(jié)果比較Tab.5 Calculation results of yield load

        根據(jù)國外標(biāo)準(zhǔn)得出的脆性破壞計(jì)算結(jié)果見表6。比較表5、6,屈服荷載計(jì)算值小于脆性破壞荷載計(jì)算值,其中剪切破壞荷載計(jì)算值小于劈裂破壞荷載計(jì)算值。結(jié)合圖3的荷載-位移曲線,可以認(rèn)為銷連接部位先發(fā)生銷屈服后出現(xiàn)木材初始開裂,初始開裂取決于木材抗剪強(qiáng)度、橫紋抗拉強(qiáng)度和銷所在的梁高部位以及銷孔到梁端的距離。梁端銷連接發(fā)生初始開裂后鋼銷仍能起到支撐作用,連接節(jié)點(diǎn)延性較好。荷載繼續(xù)上升至最大荷載,最終木材劈裂破壞喪失承載力。

        表6 脆性破壞荷載計(jì)算結(jié)果比較Tab.6 Calculation results of brittle failure load

        2.5 試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

        一般標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定屈服荷載計(jì)算公式中不區(qū)分鋸材和膠合木,同樹種同等級屈服荷載視為等同,而本研究結(jié)果表明日本柳杉短期承載力標(biāo)準(zhǔn)值鋸材梁和膠合木梁之間存在顯著差異。由表7可知,鋸材梁試驗(yàn)值偏小,與日本、加拿大和我國標(biāo)準(zhǔn)屈服荷載計(jì)算值吻合較好,誤差在20%以內(nèi)。膠合木梁試驗(yàn)值相對較大,與歐洲和美國標(biāo)準(zhǔn)屈服荷載計(jì)算值吻合較好,誤差在15%以內(nèi)。各國標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測的屈服模式均為Ⅲ型,與試驗(yàn)結(jié)果一致。各國標(biāo)準(zhǔn)的屈服荷載計(jì)算公式基于一定基本假設(shè)的理論推導(dǎo),同時(shí)計(jì)算公式中涉及的銷槽承壓強(qiáng)度是由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的,這些都與實(shí)際試驗(yàn)情況存在誤差。同時(shí),鋸材變異性大,含水率偏高,試驗(yàn)得到的承載力較低,但計(jì)算公式中僅考慮木材密度,沒有區(qū)分出鋸材梁與膠合木梁的差異,很有必要通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

        表7 試驗(yàn)獲得短期承載力標(biāo)準(zhǔn)值與公式計(jì)算值的關(guān)系①Tab.7 Relationship between standard percentile values of bearing performance by test and calculation values

        脆性破壞試驗(yàn)值與計(jì)算值的關(guān)系見表8。由表可知,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,說明采用標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法能較好預(yù)測橫紋連接梁構(gòu)件的脆性破壞。其中,日本標(biāo)準(zhǔn)對于劈裂破壞的預(yù)測與試驗(yàn)值最為接近,歐洲和加拿大的預(yù)測結(jié)果較為保守,主要是因?yàn)楦鲊鴺?biāo)準(zhǔn)中對斷裂韌度的取值各不相同。另外,膠合木梁抵抗脆性破壞的能力優(yōu)于鋸材梁。

        表8 脆性破壞荷載試驗(yàn)值與公式計(jì)算值的關(guān)系Tab.8 Relationship between experimental values and calculation values of brittle failure

        2.6 屈服模式分析

        本試驗(yàn)中屈服形式為Ⅲ型,若要獲得延性更好的屈服模式Ⅳ型,根據(jù)文獻(xiàn)(徐德良等, 2009)可采用增加梁寬度的方法。如表9所示,要達(dá)到屈服模式Ⅳ型的狀態(tài),梁寬度至少達(dá)到183 mm。

        表9 達(dá)到屈服模式Ⅳ型需要的最小梁寬度及相應(yīng)屈服荷載Tab.9 Minimum beam width required for yield mode Ⅳ and corresponding bearing capacity

        達(dá)到屈服模式Ⅳ型時(shí)相應(yīng)的承載力并未超過表10的木材脆性破壞荷載,因此在木材喪失承載力之前可以達(dá)到屈服模式Ⅳ型狀態(tài),與本研究屈服模式Ⅲ型狀態(tài)下的承載力相比增大29%~49%。屈服模式Ⅳ型的受力狀態(tài)見圖9,鋼銷在中間及木材中均出現(xiàn)塑性鉸,塑性鉸之間木材發(fā)生銷槽承壓破壞。該屈服模式下延性、屈服荷載和脆性破壞荷載均得到提高,是銷連接設(shè)計(jì)中更理想的屈服模式。

        表10 梁寬度改變后的脆性破壞荷載Tab.10 Brittle failure bearing capacity after beam width change

        2.7 梁、柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

        日本金物工法理事會在《接合部性能試験報(bào)告書》(金物工法推進(jìn)協(xié)議會, 2011)中進(jìn)行了膠合木梁柱連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖11所示,每個(gè)梁端使用3根鋼銷,通過內(nèi)嵌鋼填板連接到柱端,由于柱端螺栓連接承載力通常大于梁端銷連接承載力,最終承載力取決于梁端銷連接承載力(34.30 kN),略低于或相當(dāng)于本研究中膠合木梁端單個(gè)銷連接短期承載力標(biāo)準(zhǔn)值(13.70 kN)的3倍左右,梁端銷連接節(jié)點(diǎn)短期承載力與單個(gè)銷連接承載力和銷數(shù)量具有良好的相關(guān)性:

        (1)

        式中:Pa為單個(gè)鋼銷設(shè)計(jì)用容許荷載;jKd為長期荷載影響系數(shù);jKm為含水率影響系數(shù);ru為終局強(qiáng)度比;Pk為短期承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

        (2)

        式中:n為梁端鋼銷最少數(shù)量;Q梁端承受荷載;Pa為單個(gè)鋼銷設(shè)計(jì)用容許荷載。

        圖11 梁、柱連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)Fig.11 Set up of post-beam connection test

        本研究得到的梁端單個(gè)銷連接承載性能可以為梁柱的銷連接設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        3 討論

        相比鋸材,膠合木作為一種工程木產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中可剔除木節(jié)、開裂等自然缺陷,且層板干燥均勻、含水率更低,可根據(jù)受力特性進(jìn)行合理組坯,既能減少鋸材無法控制的個(gè)體偏差,又能降低試驗(yàn)結(jié)果的變異性。本試驗(yàn)研究表明,強(qiáng)度等級確定、質(zhì)量合格的膠合木銷連接短期承載力標(biāo)準(zhǔn)值比同樣規(guī)格尺寸的鋸材大。各國標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于屈服荷載的計(jì)算除理論推導(dǎo)公式不同外,木材銷槽承壓強(qiáng)度的確定對計(jì)算結(jié)果也具有較大影響。張剛等(2014)對木結(jié)構(gòu)螺栓連接設(shè)計(jì)中銷槽承壓強(qiáng)度的確定方法進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)日本和加拿大標(biāo)準(zhǔn)給出的銷槽承壓強(qiáng)度小于歐洲、美國和我國標(biāo)準(zhǔn),可見銷槽承壓強(qiáng)度的確定對精確預(yù)測銷連接承載力十分重要。

        由于木材橫紋抗拉強(qiáng)度和順紋抗剪強(qiáng)度較低,當(dāng)節(jié)點(diǎn)鋼銷或螺栓數(shù)量較多時(shí),可能在鋼銷全部屈服之前發(fā)生木材劈裂等脆性破壞(Snow, 2006; Frankeetal., 2011)。各國標(biāo)準(zhǔn)中脆性破壞的計(jì)算結(jié)果略有不同,主要是因?yàn)楦鲊鴺?biāo)準(zhǔn)中對斷裂韌度的取值各不相同。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)在連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中尚未考慮木材的脆性破壞,今后應(yīng)進(jìn)一步開展連接節(jié)點(diǎn)部位木材順紋剪切強(qiáng)度和橫紋抗拉強(qiáng)度的斷裂韌性機(jī)制研究,完善我國銷連接脆性破壞計(jì)算公式和參數(shù),從而更好地保證木構(gòu)件連接安全可靠度。

        4 結(jié)論

        1) 鋸材梁和膠合木梁鋼填板單個(gè)銷連接的最大荷載平均值分別為27.00和30.80 kN,屈服荷載平均值分別為14.50和15.00 kN,短期承載力標(biāo)準(zhǔn)值分別為8.60 和13.70 kN,短期承載力標(biāo)準(zhǔn)值取決于屈服荷載,膠合木鋼填板銷連接的最大荷載和屈服荷載平均值均大于鋸材梁,且變異系數(shù)明顯小于鋸材梁,從而導(dǎo)致膠合木梁鋼填板銷連接的短期承載力標(biāo)準(zhǔn)值明顯高于鋸材梁,具有更高的承載力。

        2) 當(dāng)銷連接作為中小斷面梁柱構(gòu)件的主要連接方式時(shí),宜選用強(qiáng)度等級確定、質(zhì)量合格的膠合木作為木構(gòu)件,比鋸材具有更高的連接承載力,且含水率低,穩(wěn)定性更好。端銷連接節(jié)點(diǎn)短期承載力與單個(gè)銷連接承載力和銷數(shù)量具有良好的相關(guān)性,可作為梁柱節(jié)點(diǎn)梁端銷連接設(shè)計(jì)依據(jù)。

        3) 銷連接部位發(fā)生屈服后出現(xiàn)木材開裂,初始開裂取決于木材抗剪強(qiáng)度、橫紋抗拉強(qiáng)度和銷所在的梁高部位以及銷孔到梁端的距離。梁端銷連接發(fā)生初始開裂后鋼銷仍能起到支撐作用,連接節(jié)點(diǎn)延性較好,荷載繼續(xù)上升至最大荷載,最終梁沿銷孔水平剪切劈裂破壞喪失承載力。

        4) 鋸材梁銷連接試驗(yàn)承載力標(biāo)準(zhǔn)值偏小,與日本、加拿大和我國標(biāo)準(zhǔn)屈服荷載計(jì)算值吻合較好。膠合木梁試驗(yàn)值相對較大,與歐洲和美國標(biāo)準(zhǔn)屈服荷載計(jì)算值吻合較好,誤差在15%以內(nèi)。各國標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)公式計(jì)算結(jié)果預(yù)測的屈服模式為Ⅲ型,均與試驗(yàn)結(jié)果一致。要達(dá)到Ⅳ型屈服模式,梁寬度至少達(dá)到183 mm。

        5) 各國標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式能較好預(yù)測銷連接木材的脆性破壞,日本標(biāo)準(zhǔn)對于劈裂破壞的計(jì)算與試驗(yàn)值接近,歐洲和加拿大標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果較為保守。

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