彭慧

（浙江大學建筑工程學院，杭州 310058）

0 引言

中國是世界上竹資源最豐富的國家，素有“竹子王國”之稱，據(jù)第8次森林資源調查（2014）結果顯示，中國竹林面積601多萬公頃［1］。竹子作為可再生材料相比于鋼筋混凝土以及磚石材料都更為低碳環(huán)保，具有保護環(huán)境的優(yōu)勢［2，3］。竹子具有強度高、彈性好、性能穩(wěn)定、強度和剛度高于木材等優(yōu)點［4，5］，同時由于其生長周期快、價格低廉，近年來被廣泛用于建筑材料［6，7］。

竹結構建筑中，連接節(jié)點對結構整體的穩(wěn)定性和安全性有著至關重要的作用，節(jié)點構造問題是現(xiàn)在原竹建筑發(fā)展的主要制約因素［8］。竹管的幾何不均勻和空心薄壁的特性導致其連接起來較為復雜，竹條相較于竹管柔韌性更好，更易加工和連接，越來越多以竹條為受力構件的竹結構被設計和使用。Villegas等［9］設計了由竹管和竹條組裝而成的桁架，通過設計新型的鋼夾以實現(xiàn)頂部和底部竹管與對角線和垂直竹條元件之間的連接，并進行結構測試，試驗結果表明該結構具有良好的受力性能。Garcia等［10］對螺栓和鋼墊板連接的竹條梁進行加載試驗，試驗表明梁的破壞主要是由竹條受壓屈曲導致，而連接節(jié)點并未失效，證明了竹條螺栓連接節(jié)點的可靠性。

目前對于竹條連接節(jié)點的相關規(guī)范設計和研究較少，為了提供一種竹條方便快捷的連接方式，文中將通過對竹條螺釘連接節(jié)點順紋加載試驗，研究竹條螺釘連接節(jié)點的破壞方式和極限承載力，討論螺釘直徑、端距、中距等因素對極限承載能力和破壞形式的影響，為此類原竹結構螺釘節(jié)點連接的工程應用提供依據(jù)。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗所用材料包括竹條、304自攻螺釘、不銹鋼片。

竹子采用中國種植面積最廣的毛竹，竹齡為3～4年，產(chǎn)地為安吉。竹筒開片后經(jīng)粗刨加工及防護干燥處理，含水率為18%，竹條厚度為7mm，經(jīng)切割后長度為100mm，寬度選用24mm和40mm。自攻螺釘采用304不銹鋼十字沉頭螺釘，包括3、4、5、6mm這4種規(guī)格。鋼片采用厚2mm、寬40mm、長120mm的不銹鋼片，自行設計后由工廠定做，根據(jù)設計的螺釘孔的尺寸位置進行打孔，方便與竹條連接。

1.2 試件設計與分組

試驗所用鋼片強度、剛度遠大于竹條，因此螺釘連接節(jié)點的破壞模式和極限承載力主要取決于竹材和螺釘?shù)牟牧闲阅?。根?jù)螺釘直徑、端距、中心距和個數(shù)設計12組試件，并對其進行編號，其中D表示螺釘直徑，Dj表示端距，Zj表示中距，N表示螺釘個數(shù)，字母后面的數(shù)字表示各參數(shù)值。具體試驗分組如表1所示。

表1 螺釘連接節(jié)點試驗設計參數(shù)

試件制作時，為防止螺釘鉆入竹條時發(fā)生劈裂，先對竹條進行預鉆孔，鉆孔大小比螺釘直徑小1mm。連接方式如圖1所示。

圖1 螺釘連接節(jié)點

1.3 加載方法與設備

靜力加載試驗在WE-58液壓式萬能試驗機上完成，試驗機的最大加載值為50kN。用萬能試驗機上兩端的剛性夾頭分別固定鋼片和竹條，通過承臺移動對試件施加拉力。參照木結構銷類連接性能試驗方法［11］，在正式加載前先對構件進行預加載，預加載以夾具是否對試件夾緊固定為準，消除試件和夾具之間的縫隙。正式加載采用位移作為加載控制條件，加載速度通過手動旋轉儀器送油閥的松緊進行控制，保證勻速加載，當試件發(fā)生破壞，儀表盤指針回轉，記錄此時的荷載值，即為試件的極限荷載。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

根據(jù)試驗得到各試件的極限荷載，試驗結果見表2所示。

表2 螺釘連接節(jié)點極限承載力試驗值

2.2 螺釘連接節(jié)點的破壞形態(tài)

對12組試件的破壞形態(tài)進行分析，其破壞形式可以分為：

（1） 端距小于3d時，試件容易發(fā)生端部剪切破壞見圖2（a）。由于螺釘距竹條端部的端距過小，竹材端部剪切面面積較小，對螺釘?shù)募s束作用較小。加載過程中，螺釘旋轉對螺孔產(chǎn)生擠壓作用，螺孔壁逐漸壓潰并帶出竹屑；隨著荷載增加，竹條表面產(chǎn)生剪切裂縫并向竹條端部發(fā)展，同時裂縫沿竹條厚度方向貫穿整個截面，端部竹材發(fā)生塊狀剪出，試件隨即喪失承載力，連接節(jié)點承載力主要由竹材抗剪強度決定。

（2） 劈裂破壞見圖2（b）多發(fā)生于端距小于3d的單螺釘連接節(jié)點。加載初始階段，螺釘受力后首先對螺孔孔壁上部造成擠壓，由于端距較小，螺孔兩側出現(xiàn)剪切裂縫。隨著荷載增加，螺釘發(fā)生傾斜旋轉，竹條螺孔壁下部也受到來自螺釘螺桿的壓力，在端部出現(xiàn)剪切擴孔損傷的基礎上，隨著螺釘?shù)男D，螺孔下部受壓并產(chǎn)生貫通竹材厚度的劈裂裂縫，承載力迅速下降，試件發(fā)生破壞。隨著螺釘直徑增加，劈裂裂縫發(fā)展速度加快，這主要由于越大的螺孔直徑對竹材截面的削弱越大，竹材的裂縫更易發(fā)展。

（3） 端距小于3d且邊距小于2d時，節(jié)點剪切破壞和劈裂破壞同時發(fā)生見圖2（c）。由于端距較小，竹條端部出現(xiàn)剪切破壞，同時較小的邊距導致竹材對螺釘?shù)募s束作用較弱，邊部竹材受到螺釘橫向的擠壓而產(chǎn)生劈裂，節(jié)點喪失承載力。

（4） 承壓破壞見圖2（d）發(fā)生于端距≥3d的螺釘連接節(jié)點。隨著螺釘端距增加，竹材端部剪切面面積增大，此時發(fā)生剪切破壞所需的荷載增大，竹材端部對螺釘?shù)募s束作用增加，端部竹材不易發(fā)生剪切破壞。加載時，螺釘傾斜旋轉對竹條螺孔產(chǎn)生擠壓，隨著荷載增加，螺孔外側受力較大，竹材壓潰變形，并帶出竹屑，同時螺釘受到來自螺孔的反向壓力，因彎矩作用產(chǎn)生彎曲變形，此時連接節(jié)點承載力主要由竹材螺孔承壓強度決定。

圖2 螺釘連接節(jié)點破壞模式

2.3 極限承載力影響因素分析

單螺釘連接節(jié)點，端距為2d時，隨著螺釘直徑增大，極限承載力增大見圖3（a），由于節(jié)點均產(chǎn)生剪切破壞，節(jié)點承載力由竹材剪切強度決定，大直徑螺釘?shù)亩硕司噍^大，剪切面面積較大，抗剪承載力也就越大。其中6mm直徑螺釘連接節(jié)點承載力降低，原因可能是螺釘在受力過程中，螺釘沿螺桿方向發(fā)生拔出，節(jié)點力學性能未得到充分發(fā)揮。

雙螺釘連接節(jié)點，螺釘直徑、中心距和邊距相同，s＜3d，隨著端距增加，端部剪切面面積增大，極限承載力增大；s≥3d，極限承載力增加趨于平緩，這主要是由于竹條螺孔發(fā)生承壓破壞，此時承載力由螺孔承壓強度決定，在直徑一定時，螺孔承壓面積相同，節(jié)點承載力相差不大。Dj20由于釘子被過早拔出，發(fā)生了承載力下降的情況見圖3（b）。

雙螺釘連接節(jié)點，螺釘直徑一定，端距為2d時，節(jié)點發(fā)生脆性破壞，螺釘連接節(jié)點承載力隨中心距增加變化不大見圖3（c）。

對比D4、Zj12和N3的極限承載力見圖3（d），雙螺釘連接節(jié)點極限承載力和三螺釘連接節(jié)點的極限承載力分別為單螺釘節(jié)點的1.6倍和1.8倍，極限承載力隨螺釘個數(shù)增多而增大，但并非隨螺釘個數(shù)增加呈倍數(shù)增長的關系，其間存在折減系數(shù)，原因可能是多螺釘連接節(jié)點各螺釘之間存在相互影響，各螺釘受力并不均勻，因此多螺釘連接節(jié)點極限承載力并不能由單螺釘連接節(jié)點的極限承載力乘以螺釘個數(shù)來計算。

圖3 各參數(shù)對螺釘連接節(jié)點極限承載力影響

3 結語

通過對竹條螺釘連接節(jié)點試件的靜力加載試驗，研究了其破壞形態(tài)以及螺釘直徑、螺釘個數(shù)、端距、中距對極限承載力的影響，得到以下結論：

（1） 竹條螺釘連接節(jié)點受到順紋方向施加的荷載時，螺釘直徑、端距和中心距對節(jié)點破壞形式均有影響。端距較小時，端部竹材剪切面較小，抗剪能力較弱，此時節(jié)點端部容易發(fā)生剪切破壞；端距大于等于3d時，節(jié)點破壞向銷槽承壓破壞轉變，同時螺釘受力發(fā)生彎曲。螺釘直徑較大時，對竹條截面削弱容易導致劈裂裂縫發(fā)展。節(jié)點中心距較大，而邊距較小時，邊部竹材在螺釘擠壓作用下容易產(chǎn)生劈裂。

（2） 竹條螺釘連接節(jié)點的極限承載力隨螺釘直徑和端距增加而增大，當端距大于3d（d為螺釘直徑）時，節(jié)點螺孔處發(fā)生承壓破壞，此時增加端距對極限承載力影響不大。端距為2d，節(jié)點發(fā)生脆性破壞時，中心距增大對極限承載力影響較小。極限承載力隨螺釘個數(shù)增大而增加，由于螺釘間可能存在相互影響，極限承載力并非隨著螺釘個數(shù)增加呈倍數(shù)增加。