王朝暉 呂洋波 葛蓓清 張忠利 蘇冠男 田昭鵬

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 中國(guó)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(duì)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(huì)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(duì)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(zhǎng)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(jí)木構(gòu)件銷連接的承載力。

van der Put等(2000)研究認(rèn)為，預(yù)測(cè)木材脆性破壞承載力對(duì)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(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響，提出了新的計(jì)算公式。Patel等(2012)對(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)試方法存在缺陷，認(rèn)為對(duì)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(duì)應(yīng)的相應(yīng)荷載，推薦采用圖1中的2種方法進(jìn)行測(cè)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(cè)試方法Fig.1 Proposed test methods

日本柳杉(Cryptomeriajaponica)原產(chǎn)日本，引種到我國(guó)南方長(zhǎng)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(jí)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(duì)象，參照?qǐng)D1b彎曲剪切測(cè)試方法對(duì)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(guó)和我國(guó)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(cè)定試樣含水率，每個(gè)試樣分3處不同部位測(cè)定，取平均值，含水率為5.8%～13.3%。含髓心的鋸材強(qiáng)度等級(jí)為JAS2級(jí)(機(jī)械等級(jí)E70)，膠合木強(qiáng)度等級(jí)為E65-F255。鋼銷直徑d為12 mm，材質(zhì)等級(jí)為Q235鋼； 鋼板采用45號(hào)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?jī)H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(guó)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(cè)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(zhǎng))×120 mm(寬)×240 mm(高)，參照?qǐng)D1b測(cè)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(cè)器位移計(jì)CDP-100測(cè)量鋼板和木材之間的相對(duì)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(cè)器TDS-530靜態(tài)應(yīng)變測(cè)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(cè)量試樣含水率、密度，并將試樣剖開觀測(cè)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?？梢钥闯觯虞d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(huì)(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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)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(huì)對(duì)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(huì)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(huì)開裂，但是拉伸應(yīng)力會(huì)隨著銷槽孔發(fā)生移動(dòng)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(huì)， 2012)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)(British Standards Institution， 2004)、加拿大標(biāo)準(zhǔn)(Canadian Wood Council， 2014)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(American Wood Council， 2018)和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(中華人民共和國(guó)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(guó)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)尚未規(guī)定。

表3 各國(guó)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(guó)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(guó)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(guó)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)先分別取接合形式系數(shù)C和銷槽承壓有效長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的屈服模式。由表5可知，根據(jù)日本、歐洲、加拿大、美國(guó)、我國(guó)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(guó)和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)得出的計(jì)算值相對(duì)較大。

表5 各國(guó)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(guó)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(jí)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(guó)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(duì)較大，與歐洲和美國(guó)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)的屈服模式均為Ⅲ型，與試驗(yàn)結(jié)果一致。各國(guó)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(cè)橫紋連接梁構(gòu)件的脆性破壞。其中，日本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于劈裂破壞的預(yù)測(cè)與試驗(yàn)值最為接近，歐洲和加拿大的預(yù)測(cè)結(jié)果較為保守，主要是因?yàn)楦鲊?guó)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)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(huì)在《接合部性能試験報(bào)告書》(金物工法推進(jìn)協(xié)議會(huì)， 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(zhǎng)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(jí)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(guó)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(duì)計(jì)算結(jié)果也具有較大影響。張剛等(2014)對(duì)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(guó)和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，可見銷槽承壓強(qiáng)度的確定對(duì)精確預(yù)測(cè)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(guó)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?guó)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)斷裂韌度的取值各不相同。我國(guó)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(guó)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(jí)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(guó)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(duì)較大，與歐洲和美國(guó)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)公式計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式能較好預(yù)測(cè)銷連接木材的脆性破壞，日本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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。