陳愛軍，彭潤勃，賀國京，王皓磊，王解軍

(中南林業(yè)科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410004)

膠合木是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保建筑材料，具有材性良好、建造靈活、強質(zhì)比高、保溫隔熱、和諧美觀等優(yōu)點[1?2]，被廣泛應用于房屋、橋梁等工程領域[3?4]。隨著我國天然林業(yè)面積減少，建設結(jié)構(gòu)用材短缺，膠合木的制作與生產(chǎn)長期依賴進口木材，而東北落葉松作為國內(nèi)速生木材，適應性強，木材性能優(yōu)良，在我國發(fā)展東北落葉松膠合木具有天然優(yōu)勢和廣闊前景。如位于張(張家界)花(垣)高速公路張家界服務區(qū)的現(xiàn)代膠合木結(jié)構(gòu)人行天橋[5]?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)工程正向著大跨、高層發(fā)展，對大構(gòu)件膠合木梁的需求越來越大。通常需要對膠合木梁進行拼接或接長以滿足結(jié)構(gòu)要求，為實現(xiàn)膠合木梁長度的跨越，通常采用螺栓連接(如木-木相接)、鋼填板螺栓連接、黏鋼連接和鋼夾板螺栓連接等方式來接長膠合木梁[6]。目前，國內(nèi)外學者對膠合木梁螺栓連接這種連接方式開展了大量的試驗與理論研究。KAMBE 等[7]采用日本落葉松制成的膠合木進行螺栓連接，通過改變連接件的螺栓直徑和端距進行相關試驗研究，結(jié)果表明螺栓端距較小試件的破壞形式表現(xiàn)為脆性破壞，而螺栓端距較大的試件表現(xiàn)為延性破壞。HP 等[8]對鋼夾板螺栓連接膠合木構(gòu)件進行拉伸試驗研究，結(jié)果表明加拿大木結(jié)構(gòu)規(guī)范的計算結(jié)果偏于保守，并提出鋼夾板螺栓連接件極限荷載計算方法。ATAEI 等[9]進行擴展端板的螺栓連接鋼木組合梁柱節(jié)點的試驗研究，結(jié)果表明螺栓連接的鋼木梁柱節(jié)點具有良好的轉(zhuǎn)動能力和延性，木材厚度對節(jié)點受力性能的影響顯著。XU 等[10]以拉、壓、剪等不同受力形式的螺栓連接木結(jié)構(gòu)為研究對象，探討了其非線性本構(gòu)關系，結(jié)果表明有限元模型能夠有效預測節(jié)點剛度和實效荷載等。HE等[11]通過變換螺栓直徑及排列形式等參數(shù)，研究初始裂縫對鋼填板螺栓連接承載力的影響，基于屈服理論和斷裂力學，提出了計算模型且得到了試驗結(jié)果的驗證。王明謙等[12]對膠合木梁柱鋼填板連接節(jié)點在純彎與彎剪作用下進行試驗研究，結(jié)果表明節(jié)點受彎承載力和延性隨節(jié)點剪彎比的增大而減小，基于Van Der Put 模型的節(jié)點受彎承載力計算結(jié)果具有較好的精度。羅烈等[13]對20 個鋼填板-螺栓連接膠合木梁柱試件進行抗剪試驗，研究其節(jié)點橫紋受力性能，結(jié)果表明節(jié)點破壞均為木材橫紋劈裂脆性破壞，非加載邊的邊距對節(jié)點受力性能影響較為顯著。目前國內(nèi)外學者對普通螺栓連接和鋼填板螺栓連接的試驗研究較多，而鋼夾板螺栓連接兼顧普通螺栓連接傳力簡單、安裝便捷的特點，同時鋼夾板對稱布置于膠合木兩側(cè)，無需對膠合木構(gòu)件內(nèi)部進行切割[14]，保證膠合木能夠全截面受力，能提高膠合木梁接長構(gòu)件的承載能力。本文在已有研究的基礎上[15-19]，采用有限元計算和試驗相結(jié)合的方法對采用鋼夾板螺栓連接方式進行接長的膠合木梁的抗彎性能及其影響參數(shù)進行研究，研究成果可為鋼夾板螺栓連接膠合木梁的工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

為探討鋼夾板螺栓連接膠合木梁的抗彎性能，設計制作了13 組共39 根試驗梁，設計參數(shù)和構(gòu)造分別如表1 和圖1 所示。其中，編號M 的為純膠合木梁組，其余編號的均為鋼夾板螺栓連接膠合木梁組。根據(jù)《中國木結(jié)構(gòu)設計手冊》關于螺栓排列最小間距的規(guī)定，36 根鋼夾板螺栓連接膠合木梁試件中螺栓直徑為6 mm，螺栓端距為50 mm，螺栓邊距為20 mm。膠合木和鋼夾板的預留螺孔直徑比螺栓直徑大1 mm，以保證膠合木梁與鋼夾板能夠順利連接安裝。

圖1 試件構(gòu)造圖Fig.1 Configuration of specimens

表1 試件設計參數(shù)Table 1 Specimen design parametersmm

1.2 試件材料

鋼夾板螺栓連接膠合木梁試件均由東北落葉松膠合木、Q345 鋼板、8.8 級普通螺栓組合而成。根據(jù)我國木材和鋼材力學性能試驗現(xiàn)行國家標準[20?24]的有關規(guī)定對膠合木和鋼夾板進行材性試驗，測得木材的物理力學性能參數(shù)見表2，測得鋼夾板屈服強度為310 MPa，極限強度為486 MPa，屈強比為0.63。螺栓的極限抗拉強度為600 MPa，屈服強度為580 MPa。

表2 木材的物理力學性能Table 2 Physical and mechanical properties of wood

1.3 加載與測試方案

鋼夾板螺栓連接膠合木梁受彎性能試驗采用四點彎曲法加載，裝置如圖2所示。為防止膠合木梁產(chǎn)生局部擠壓破壞，在試驗梁三分點加載處設置鋼板墊塊。試驗前進行預加載至1 kN，以消除螺栓與膠合木、鋼夾板間的拼接間隙，并檢驗儀器正常運行。正式試驗采用單調(diào)分級加載模式，0～12 kN：每級荷載為2 kN；12 kN 后，每級荷載為1 kN直至試驗梁破壞。

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Device schematic of loading for test

為測試鋼夾板螺栓連接膠合木梁撓度和應變的變化情況，在支座、L/4 及跨中截面兩側(cè)各設置1 個百分表，共6 個。在純彎段膠合木梁側(cè)面等間距布置5個應變片，測試膠合木應變沿截面高度的變化情況，膠合木梁頂、底面各布置1 個應變片，在鋼夾板側(cè)面等間距布置3個應變片。采用應變儀采集應變數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果

2.1 構(gòu)件破壞現(xiàn)象

本試驗中，同組試件的試驗結(jié)果離散性較小，故每組隨機選取1個試件進行分析。純膠合木梁試驗過程：加載初期試驗梁處于彈性階段；當荷載達到12.0 kN 時，開始聽到輕微的木纖維拉斷的劈裂聲，跨中撓度為18.00 mm；增大荷載至18.3 kN時，跨中撓度達到30.67 mm，并伴隨有較大的木材開裂響聲，膠合木梁下緣出現(xiàn)順紋方向裂縫，隨著荷載的增大該裂縫不斷擴展；加載至22.8 kN時，膠合木梁純彎段下緣沿順紋方向裂縫迅速貫穿，跨中底部木纖維被拉斷，破壞形式表現(xiàn)為脆性受拉破壞。破壞形態(tài)如圖3所示。

圖3 純膠合木梁破壞現(xiàn)象Fig.3 Destruction phenomena of pure plywood beams

鋼夾板螺栓連接膠合木梁各組試件的試驗現(xiàn)象基本類似。以試件B100 為例，當荷載加載至6.3 kN時，試件發(fā)出輕微的開裂響聲；當荷載加至13.1 kN 時，膠合木梁發(fā)出連續(xù)劈裂聲，膠合木梁出現(xiàn)沿順紋方向的裂縫；當荷載加至19.4 kN 時，縱向裂縫迅速向端部擴展，同時跨中撓度明顯增加；當荷載加載至23.8 kN 時，伴隨著清脆而響亮的木纖維劈裂聲，試件發(fā)生破壞，裂縫沿梁底部螺栓孔連線貫穿開裂，拼接的2根膠合木梁發(fā)生明顯的錯位現(xiàn)象。

加載過程中膠合木梁段和螺栓彎曲的轉(zhuǎn)動中心隨著荷載的增加而變化，導致破壞后膠合木梁螺栓孔均發(fā)生不同方向的擠壓。底排螺栓和螺栓孔變形較為明顯，第1條貫穿裂縫通常出現(xiàn)在底排螺栓孔附近，且螺栓的彎曲程度隨著螺栓順紋間距增大而減小。

由試驗破壞現(xiàn)象和試驗結(jié)果表明螺栓并、錯列布置方式和拼接兩段是否來源同一根膠合木對試驗梁的抗彎承載力影響不大，而螺栓順紋間距對抗彎承載力影響較為明顯。鋼夾板-螺栓連接膠合木梁為拼接構(gòu)件，當螺栓順紋間距較小時，試件的連接性能較弱且接縫降低了梁的整體性，故其抗彎承載力不及純膠合木梁。隨著螺栓順紋間距增大，鋼夾板?螺栓連接性能有所提高，梁的整體性增強可充分發(fā)揮膠合木材料的抗彎強度。試驗梁的破壞形態(tài)表現(xiàn)為沿底排螺栓孔連線產(chǎn)生縱向貫穿裂縫而破壞，抗彎承載力明顯提升。鋼夾板螺栓連接膠合木梁試件破壞形態(tài)如圖4所示，抗彎承載力及撓度如表3所示。

表3 試驗梁抗彎承載力及撓度Table 3 Flexural bearing capacity and deflection of test beam

圖4 鋼夾板螺栓連接膠合木梁破壞現(xiàn)場Fig.4 Destruction phenomena of glued wood beams connected with steel splints and bolts

2.2 荷載?撓度曲線

試驗梁的荷載?撓度曲線如圖5 所示，從圖中可以看出，各組試驗梁的荷載?撓度曲線基本表現(xiàn)為二折線形式。由于在加載初期鋼夾板螺栓連接膠合木梁試件處于彈性階段，螺栓與膠合木連接緊密且受力均勻，撓度與荷載呈線性變化關系，故鋼夾板螺栓連接膠合木梁試件的初始抗彎剛度明顯高于純膠合木梁試件；隨著荷載增大，底排螺栓出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，螺栓彎曲變形擠壓螺栓孔壁導致螺栓與螺栓孔壁接觸面積減少，鋼夾板螺栓連接膠合木梁試件的荷載?撓度曲線斜率逐漸降低，各試件的抗彎剛度逐漸降低，甚至低于純膠合木梁。隨著荷載繼續(xù)增大，螺栓變形愈加明顯，最終由于底排螺栓孔受到嚴重的擠壓變形導致試件沿螺栓孔水平方向撕裂破壞。

圖5 試件荷載-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curves of specimens

鋼夾板螺栓連接膠合木梁在彈性階段的抗彎剛度相比純膠合木梁有明顯提升，且破壞時跨中撓度較純膠合木梁提高約40%。鋼夾板螺栓連接膠合木梁是采用螺栓和鋼夾板將2 段梁拼接而成的，在加載后期螺栓發(fā)生滑移，應力集中在距離較遠的某幾個螺栓上，導致該螺栓孔急劇擴張，而使跨中撓度迅速增大。而純膠合木梁屬于木纖維撕裂或拉斷破壞，應力相對分布均勻，故純膠合木梁破壞時的跨中撓度較小。

3 有限元分析

基于ANSYS 軟件建立鋼夾板螺栓連接膠合木梁三維實體模型，將有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較分析，并對其抗彎性能進行綜合評價。

3.1 有限元模型的建立

為準確模擬試驗梁的受彎性能，在有限元模型建立前應對材料本構(gòu)關系進行定義。木材為各向異性材料，順紋方向強度高、彈性模量較大，而橫紋方向力學性能明顯較低[25]。本文不考慮膠合木梁的木節(jié)、干縮裂縫、斜紋等缺陷，在彈性階段將木材視為正交各向異性材料，采用ANSYS 中Orthotropic Elasticity本構(gòu)模型。木材在塑性階段和破壞階段，由于木材順紋抗壓性能為膠合木梁破壞的主要影響參數(shù)，該階段木材本構(gòu)模型采用等向強化模型。螺栓和鋼夾板均考慮為理想彈塑性模型。各構(gòu)件的材性參數(shù)見表4。

表4 材性參數(shù)Table 4 Parameter of material property

試驗梁的幾何模型由膠合木、鋼夾板、螺栓構(gòu)成，均采用實體單元SOLID186 進行模擬。再通過分割命令將膠合木螺栓孔部位分割成帶螺栓孔的立方體小木塊，并將所有木塊與膠合木的接觸對均設置為綁定接觸，其余各構(gòu)件之間均采用摩擦接觸。根據(jù)材料屬性和摩擦試驗確定各接觸面摩擦因數(shù)的取值，其中螺栓和鋼夾板與膠合木之間的摩擦因數(shù)均為0.2，螺栓與鋼夾板之間的摩擦因數(shù)為0.35，跨中拼接2 段膠合木之間的摩擦因數(shù)為0.4。

根據(jù)膠合木梁受力情況對不同部位網(wǎng)格進行差異化劃分。膠合木梁在螺栓孔處通過實體分割，生成規(guī)則正六面體網(wǎng)格，并對跨中受力復雜區(qū)域進行網(wǎng)格加密；螺栓近似為圓柱體，將螺栓及螺栓孔沿圓周長劃分為12 等份，螺栓和鋼夾板的網(wǎng)格尺寸均為6 mm。

試驗中鋼夾板螺栓連接膠合木梁在位移達到50～65 mm 時發(fā)生破壞，故數(shù)值模擬中通過位移控制將模型的位移控制為65 mm。有限元模型的支承邊界與試驗相同，均為簡支。

3.2 有限元計算結(jié)果

3.2.1 荷載-撓度曲線

將試驗和有限元分析得到的荷載-撓度曲線(如圖5 所示)進行對比可知：純膠合木梁有限元模型和試驗的荷載-撓度曲線較為接近，但有限元模型計算出的剛度略大于試驗梁，且變形能力略有增加，一方面有限元模擬中假定膠合木材料介質(zhì)均勻，而試驗梁是通過層板膠合工藝制作而成的非均勻性材料；另一方面是由于膠合木梁存在木節(jié)、干縮裂縫及膠合層強度低等缺陷影響，其抗彎性能降低，故有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果有所差異。觀察鋼夾板螺栓連接膠合木梁的6 組荷載?撓度曲線，在加載初期，鋼夾板螺栓連接膠合木梁在荷載作用下處于彈性階段，螺栓與螺栓孔緊密貼合提供良好的抗彎剛度，該階段試驗梁的抗彎剛度比有限元計算的要高。但隨著荷載加大，螺栓擠壓螺栓孔產(chǎn)生變形導致試驗梁的抗彎剛度有所降低，試驗曲線與有限元模擬曲線開始相交。隨著荷載繼續(xù)增大，跨中撓度不斷增大，試驗曲線與有限元模擬曲線的走勢基本一致，直至發(fā)生破壞而停止。

3.2.2 抗彎承載力

螺栓并列布置和螺栓錯列布置的試驗與有限元模擬抗彎承載力的比較如圖6所示。隨著螺栓間距的增大，試件的抗彎承載力逐漸提高，無論螺栓并列或錯列布置、螺栓間距等參數(shù)的變化，試驗結(jié)果和有限元模擬結(jié)果吻合度極高，相對誤差小于4%，說明有限元建模方法能夠準確地計算鋼夾板螺栓連接膠合木梁抗彎承載力。

3.2.3 應力分布云圖

圖7(a)表示B60 模型左側(cè)Z1～Z9 號螺栓的應力分布云圖，螺栓最大應力分布在跨中底部，彎曲變形最大的螺栓同樣位于跨中底部。螺栓群的外圍螺栓應力較大，中間螺栓應力較小。同時，螺栓應力集中于螺桿三分點處，且應力遠大于螺栓屈服強度，表明試件破壞時螺栓已經(jīng)進入塑性破壞階段。這與各試件破壞后螺栓的應力分布、螺栓彎曲變形程度都基本一致。純膠合木梁的應力云圖如圖7(b)所示，應力云圖中底部應力為正值表示拉應力，頂部應力為負值表示壓應力，與純膠合木梁在荷載作用下底部受拉破壞的試驗現(xiàn)象相吻合。圖7(c)分別表示B60 模型在荷載為10 kN和極限荷載時對應的鋼夾板應力云圖。在加載初期，跨中頂排和底排螺栓孔產(chǎn)生較大應力，此時螺栓間距越大最外側(cè)螺栓孔應力值越??；隨著荷載增大，應力逐漸增大，跨中螺栓孔附近出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。

圖7 應力分布云圖Fig.7 Stress distribution of convective cloud

4 參數(shù)分析

運用已驗證的有限元建模方法，分別考慮螺栓端距和直徑、鋼夾板厚度以及膠合木厚度對鋼夾板螺栓連接膠合木梁抗彎性能的影響。基于試驗結(jié)果，當螺栓順紋間距為100 mm 時抗彎承載力較大，故參數(shù)分析模型的螺栓順紋間距均取100 mm。螺栓端距和直徑、鋼夾板厚度3 個參數(shù)的膠合木梁尺寸與試驗梁尺寸一致，僅改變膠合木梁厚度(表1 中膠合木梁寬度)參數(shù)，長度和高度也均與試驗梁的尺寸一致。各影響參數(shù)模型的抗彎承載力如圖8所示，依次可得到如下結(jié)果：

圖8 抗彎承載力Fig.8 Flexural bearing capacity

1) 當螺栓端距<8 d 時抗彎承載力與螺栓端距成正比，當螺栓端距>8 d時，隨螺栓端距增大抗彎承載力提升較為緩慢。

2) 隨著螺栓直徑增大，模型的初始抗彎剛度和抗彎承載力均逐步提高。

3)當鋼夾板厚度較薄時，模型的荷載?撓度曲線斜率和抗彎承載力均較低；隨著鋼夾板厚度的增加，各組的荷載?撓度曲線的斜率明顯上升，抗彎承載力也有一定提高。但當鋼夾板厚度>6 mm時，抗彎承載力的提升幅度較小。

4) 隨著膠合木厚度增加，模型的初始抗彎剛度和抗彎承載力均逐漸提高，但提高幅度卻逐漸降低。

5 結(jié)論

1) 采用鋼夾板螺栓連接能夠提高膠合木梁的初始抗彎剛度和抗彎承載力。螺栓并列、錯列布置方式及拼接兩段梁是否來源于同一根膠合木對鋼夾板螺栓連接膠合木梁的受彎性能影響較小。因此，裝配式木結(jié)構(gòu)中可以采用鋼夾板螺栓連接方式對膠合木梁進行接長。

2) 隨螺栓順紋間距的增大，鋼夾板螺栓連接膠合木梁的初始抗彎剛度和極限荷載均呈上升趨勢。增大螺栓端距和直徑、鋼夾板和膠合木厚度均能提高鋼夾板螺栓連接節(jié)點的抗彎承載力，但超過一定范圍提高幅度逐漸降低。

3) 有限元模擬鋼夾板螺栓連接膠合木梁的抗彎承載能力、荷載-撓度曲線、應力分布等結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，驗證了本文鋼夾板螺栓連接膠合木梁受彎試驗的合理性和有限元分析的計算精度。