唐立秋,徐 偉,2,楊會峰,譚桂花,陳 洋

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211800; 2.南京長江都市建筑設(shè)計(jì)股份有限公司,江蘇 南京 210005; 3.煙臺昆侖能源有限公司,山東 煙臺 265200)

在裝配式建筑和建筑工業(yè)化背景下,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在我國得到日益廣泛的重視并取得一定的工程應(yīng)用[1]。眾所周知,木材在順紋方向具有較高的承載力,常見的木柱受壓及木梁受彎情形均利用了木材的順紋受力性能。然而在某些情況下,木結(jié)構(gòu)或構(gòu)件往往由于橫紋方向承載力的不足而導(dǎo)致失效或出現(xiàn)過大變形,如木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)部位、木梁或桁架等的支座部位、應(yīng)力層積木材承受預(yù)應(yīng)力作用的墊板部位、預(yù)應(yīng)力筋在木柱等的錨固部位均存在較大的橫紋承壓問題;在傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的榫卯與斗拱部位,也存在此現(xiàn)象,有時甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)的不均勻沉降或變形,甚至傾斜?；诖?針對如何增強(qiáng)橫紋承壓木材的力學(xué)性能,目前已開展很多相關(guān)研究,自攻螺釘增強(qiáng)是近年來發(fā)展起來的一種增強(qiáng)方式。

在木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)部位,由于存在由螺栓等緊固件受力而引起的木材橫紋受拉劈裂破壞,一些研究者對此開展了大量研究工作,主要集中于自攻螺釘對節(jié)點(diǎn)承載力、延性以及耗能性能等的增強(qiáng)效果,取得了較大進(jìn)展[2-8]。在自攻螺釘增強(qiáng)方面,另一個研究領(lǐng)域是對木梁支座等部位的增強(qiáng),Lathuilliere等[9]、Maderebner等[10]以及Daniel等[11]關(guān)于木梁支座部位增強(qiáng)的研究表明,螺釘?shù)囊肟梢蕴岣吣玖褐ё鶛M紋承載力和剛度。在理論分析方面,Blass等[12]針對不同規(guī)范中局部受壓設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不一致的現(xiàn)象,提出了一個改進(jìn)的橫紋局部受壓公式。Tomasi等[13]提出了自攻螺釘在構(gòu)件多向受力時提高其承載力和剛度的計(jì)算方法。Marchi等[14]提出了一種用于計(jì)算以自攻螺釘為剪力連接件的木-混凝土組合節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度和剛度的簡化理論方法,且該方法與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

綜上所述,自攻螺釘增強(qiáng)可以提升木構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)區(qū)域的承載力和延性,但在其材料層面的受力機(jī)制的相關(guān)研究不多。鑒于此,筆者通過試驗(yàn)研究,以承壓部位、螺釘長度及數(shù)量等為變化參數(shù),研究這些參數(shù)對橫紋承壓木材增強(qiáng)效果的影響,并分析破壞模式、極限承載力、等效彈性模量以及位移延性等性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)所采用的膠合木試件由北美花旗松板材制成,試件尺寸分別為120 mm × 200 mm × 360 mm和120 mm × 190 mm × 360 mm，自攻螺釘布置如圖1所示。自攻螺釘?shù)膹?qiáng)度等級為8.8級，共有4種型號(長度×直徑)：40 mm×4.5 mm、90 mm×6.5 mm、130 mm×6.5 mm和190 mm×6.5 mm。增強(qiáng)試件加工時,膠合木試件在打入自攻螺釘前需預(yù)鉆孔,預(yù)鉆孔鉆頭直徑應(yīng)小于自攻螺釘直徑,自攻螺釘打入時應(yīng)保證釘頭與試件表面齊平。

圖1 自攻螺釘布置示意圖Fig.1 Layout diagrams of self-tapping screws

試件根據(jù)自攻螺釘?shù)奈恢梅譃橹虚g局部表面橫紋承壓(PERPC)和盡端局部表面橫紋承壓(PERPS)兩組情形,其中PERP表示橫紋承壓,C表示中部,S表示盡端。本文中根據(jù)自攻螺釘?shù)臄?shù)量和長度分為22組,每組5個共計(jì)110個試件,試件分組見表1,對每組試件進(jìn)行編號，試件編號規(guī)則為“PERPC螺釘長度-螺釘數(shù)量”和“PERPS螺釘長度-螺釘數(shù)量”。

經(jīng)材料性能試驗(yàn),足尺膠合木試件的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。8.8級自攻螺釘?shù)那?qiáng)度為667 MPa,抗拉強(qiáng)度為706 MPa。

表1 試件主要參數(shù)

表2 膠合木物理力學(xué)性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置與加載制度

參考《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50329—2012)[15]采用600 kN電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)加載。試驗(yàn)采用位移控制模式,單調(diào)均勻加載的加載速率設(shè)定為2.0 mm/min。本試驗(yàn)主要測量試件的荷載(P)-位移(Δ)關(guān)系,采用荷載傳感器使荷載和位移同步采集數(shù)據(jù),使用靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)DH3816N采集試驗(yàn)的荷載與位移數(shù)據(jù)。

2 破壞模式

破壞模式如圖2所示。由圖2可知:所有試件均出現(xiàn)了明顯的木材壓屈現(xiàn)象,而到了試驗(yàn)后期隨著壓屈變形的增大,中間局部表面橫紋承壓試件的兩端還出現(xiàn)了橫紋劈裂破壞。對于沿試件高度通長設(shè)置自攻螺釘?shù)腜ERPC190-5組試件,自攻螺釘與橫紋試件共同受壓,最終破壞時自攻螺釘也發(fā)生了受壓屈曲;而對于其他短螺釘增強(qiáng)試件,自攻螺釘并未明顯的彎曲。綜上,破壞模式主要分為如下兩種:破壞模式(a),膠合木橫紋承壓破壞而自攻螺釘無明顯破壞現(xiàn)象,此種破壞模式出現(xiàn)于自攻螺釘較短增強(qiáng)試件的情形;破壞模式(b),膠合木橫紋承壓破壞且自攻螺釘受壓屈曲,此種破壞模式出現(xiàn)于通長布置的自攻螺釘增強(qiáng)試件情形。

圖2 試件的典型破壞模式Fig.2 Typical failure modes of specimens

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 荷載-位移曲線

試件荷載-位移曲線如圖3和4所示。由圖3與4可知:對于中間局部表面橫紋承壓和盡端局部表面橫紋承壓兩種情形,其荷載-位移曲線總體上分為彈性變形和塑性變形兩個階段。自攻螺釘越短,其增強(qiáng)效果就越差;當(dāng)螺釘長度相同時,螺釘數(shù)量的增加將使得試件承載力顯著提高。此外,中間局部表面橫紋承壓(圖3)相對于盡端局部表面橫紋承壓(圖4)情形,前者由于受到兩側(cè)木材纖維更大的約束而具有更高的承載力。

圖3 PERPC組試件荷載-位移曲線Fig.3 Load-displacement curves of PERPC group specimens

圖4 PERPS組試件荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of PERPS group specimens

3.2 極限承載力

根據(jù)歐洲規(guī)范EN 408:2012[16]可以確定各組試件的橫紋承壓極限承載力及強(qiáng)度。橫紋極限承壓強(qiáng)度(fc)定義如式(1)所示。

(1)

式中:Fc為極限承載力,b為受壓面寬度,l為受壓面長度。

各組試件的極限承載力平均值以及極限承壓強(qiáng)度如表3所示,試件極限承載力對比如圖5所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 極限承載力對比曲線Fig.5 Comparison curves of ultimate load-carrying capacity

對于中間局部表面橫紋承壓試件,PERPC40-0和PERPC90-0為未增強(qiáng)試件,在承載力對比中取其平均值為參考值。由表3可知:在PERPC40組試件中,隨自攻螺釘數(shù)量的增加,承載力變化不明顯,采用16支自攻螺釘增強(qiáng)的試件的極限承載力提高11.6%;對于PERPC90組試件,自攻螺釘數(shù)量為5、9、16時的極限承載力分別提高23.3%、40.7%和47.1%;而PERPC130組試件中,自攻螺釘數(shù)量為5、9、16時的極限承載力分別提高32.0%、40.0%和62.5%。

對于盡端局部表面橫紋承壓試件,PERPS40-0為未增強(qiáng)試件,作為對比試件。由表3可知:在PERPS40組試件中,當(dāng)自攻螺釘數(shù)量為5和16時,極限承載力分別提高5.6%和7.2%;在PERPS90組試件中,當(dāng)自攻螺釘數(shù)量為5、9、16時,極限承載力分別提高11.3%、4.0%和26.1%;而PERPS130組試件中,自攻螺釘數(shù)量為5、9、16時，極限承載力分別提高19.5%、22.2%和33.9%。

由圖5可得:總的來說,與PERPS組試件相比,PERPC組試件的極限承載力更大。

針對中間局部表面橫紋承壓試件,圖6給出了相同螺釘數(shù)量(5支)、不同螺釘長度試件的荷載-位移對比曲線。由圖6并結(jié)合表3可知:相同螺釘數(shù)量情況下,隨著自攻螺釘長度的增加,試件極限承載力的提高幅度更加明顯;而當(dāng)自攻螺釘長度不變而數(shù)量增多時,螺釘對于極限承載力的貢獻(xiàn)增大(圖5)。此外,由于中間局部表面橫紋承壓試件中,螺釘?shù)脑鰪?qiáng)作用可以向兩個方向輻射,其承壓面也會相應(yīng)增大,因此在同等條件下此類試件的極限承載力的提高幅度可達(dá)盡端局部表面橫紋承壓試件的2倍左右。

圖6 不同自攻螺釘增強(qiáng)試件的荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of specimens with different self-tapping screw numbers

對于中間局部表面橫紋承壓試件PERPC190-5,其采用的自攻螺釘與膠合木試件高度等大,在承壓過程中自攻螺釘將直接受力,因此其承載力增強(qiáng)幅度顯著提高。

3.3 等效彈性模量

為反映自攻螺釘增強(qiáng)對膠合木橫紋承壓彈性模量的影響,依據(jù)歐洲規(guī)范EN 408:2012[16]采用割線彈性模量來表示構(gòu)件的等效彈性模量(Ec),其定義見式(2)。

(2)

式中:F40=0.4Fc,F10=0.1Fc,W40為F40對應(yīng)的變形量,W10為F10對應(yīng)的變形量,h為試件高度。

等效彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果平均值列于表3。由表3可知:隨著自攻螺釘數(shù)量的增多以及長度的增大,膠合木試件的等效彈性模量有較大的提升,且中間局部表面橫紋承壓試件等效彈性模量的提升要遠(yuǎn)大于盡端局部表面橫紋承壓試件,前者提升達(dá)46.8%,而后者為34.7%。

3.4 延性

根據(jù)歐洲規(guī)范EN 12512:2005[17],位移延性系數(shù)(μ)的定義如式(3)所示。

(3)

式中:Δu為試件的極限荷載(Pu)所對應(yīng)的位移,Δy為屈服荷載(Py)所對應(yīng)的位移。

各試件的位移延性系數(shù)列于表3。由表3可知:兩類試件的延性均較好,位移延性系數(shù)最小為1.66,最大可達(dá)2.95。但隨著螺釘數(shù)量的增多,試件的變形減小、延性會略有下降。

4 結(jié)論

通過對自攻螺釘增強(qiáng)膠合木局部受壓承載力試驗(yàn),分析了自攻螺釘數(shù)量、長度和布置等參數(shù)對膠合木局部表面橫紋承壓承載力的影響,主要得到兩方面結(jié)論。

1)膠合木表面橫紋承壓主要有兩種破壞模式:破壞模式(a),當(dāng)自攻螺釘較短時,膠合木橫紋承壓破壞而自攻螺釘無明顯變化。破壞模式(b),自攻螺釘通長設(shè)置且具有較大的長細(xì)比時,在自攻螺釘發(fā)生屈曲破壞的同時,膠合木發(fā)生橫紋承壓破壞。此外,由于膠合木試件在順紋方向的長度較短,因此,當(dāng)橫紋承壓變形較大時,膠合木端部也會出現(xiàn)橫紋劈裂破壞形式。

2)膠合木局部表面橫紋承壓承載力隨著自攻螺釘數(shù)量及長度的增加而提高,對于中間和盡端局部表面橫紋承壓兩種情形,極限承載力最大分別可提高62.5%和33.9%,試件的等效彈性模量最大可分別提高46.8%和34.7%;試件的位移延性系數(shù)可達(dá)1.66～2.95。