劉新虎 黃大典
(1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系,上海 200092)
近些年隨著木結(jié)構(gòu)的發(fā)展,正交膠合木(CLT)由于其良好的雙向性能,逐漸受到人們的青睞。CLT木板可應(yīng)用于屋面板、樓板或墻板[1],與墻面材料和防火材料等在工廠組合,形成組合預(yù)制墻體(樓板)后在工地組裝[2],具有極高的裝配化程度。
CLT墻板-樓板連接節(jié)點(diǎn)通常采用角鋼連接,這種連接方式結(jié)構(gòu)簡單、傳力明確且施工方便。在節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)方面,Gavric[3-4]、Schneider[5-7]、Liu[8-9]等學(xué)者研究了不同形式角鋼連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。
本文主要研究一種CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)在不同方向上的力學(xué)特性。首先對(duì)兩種類型的自攻螺釘進(jìn)行了不同方向抗剪、抗拔的單調(diào)及往復(fù)加載試驗(yàn),通過研究自攻螺釘在CLT板中的順紋抗剪、橫紋抗剪、抗拔性能和破壞模式,為估算CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)承載力提供依據(jù)。
為防止CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)在剪力作用下于鋼構(gòu)件處發(fā)生脆性破壞,本文對(duì)角鋼進(jìn)行了超強(qiáng)設(shè)計(jì),確保變形集中于釘與木材處,以獲得較好的節(jié)點(diǎn)延性。對(duì)CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗拔和抗剪方向的單調(diào)和往復(fù)加載,探究其變形模式、承載力、延性特性等。
試驗(yàn)中的單調(diào)加載和往復(fù)加載均按照歐洲規(guī)范BS EN 12512∶2001TimberStructures-TestMethods-CyclicTestingofJointsMadewithMechanicalFasteners[10]進(jìn)行。
單調(diào)加載即按一定加載速率將試件加載至破壞。規(guī)范[10]中對(duì)于試件破壞的定義為:若試件發(fā)生脆性破壞,曲線突然下降,則定義曲線陡降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載與位移為極限荷載與極限位移;若試件延性較好,曲線緩慢下降,則定義承載力下降至峰值的80%的點(diǎn)為破壞點(diǎn);若前兩者均不滿足,則定義位移達(dá)到30 mm時(shí)為破壞點(diǎn)。
往復(fù)加載制度如圖1所示,按單調(diào)加載所得屈服位移vy為參考值,以0.25vy、0.5vy為目標(biāo)位移各循環(huán)1次,再以0.75vy、vy、2vy、4vy、6vy等為位移目標(biāo)各循環(huán)3次,直到達(dá)到單調(diào)加載破壞點(diǎn)。
圖1 往復(fù)加載制度
a—方法1;b—方法2。
試驗(yàn)所用CLT采用的層板為加拿大進(jìn)口的Ⅱc級(jí)及以上云杉-松-冷杉(SPF)。CLT采用3層(105 mm)或5層(175 mm)層板正交粘結(jié)而成。
試驗(yàn)采用的釘由意大利Rothoblaas廠家生產(chǎn),型號(hào)為HBS5×80(直徑5 mm、長度80 mm)與KOP8×100(直徑8 mm、長度100 mm),具體樣式如圖3所示。
a—HBS5×80;b—KOP8×100。
釘連接試驗(yàn)所用CLT板均從同一批次的CLT板中進(jìn)行取樣切割,密度約為410 kg/m3,含水率在10%~13%。釘連接試驗(yàn)所用木塊尺寸分別為抗剪試件:80 mm×80 mm;抗拔試件:80 mm×80 mm。
釘連接抗剪、抗拔布置如圖4所示。
a—抗剪試驗(yàn);b—抗拔試驗(yàn)。
HBS5×80釘與KOP8×100釘抗剪、抗拔試驗(yàn)數(shù)量見表2,各試樣見圖5、圖6。
a—順紋、橫紋抗剪單調(diào)加載試樣;b—順紋、橫紋抗剪往復(fù)加載試樣;c—抗拔單調(diào)加載試樣。
a—順紋抗剪單調(diào)加載試樣;b—抗拔單調(diào)加載試樣。
表2 釘連接試驗(yàn)數(shù)量
試件抗剪加載速率為3 mm/min,抗拔加載速率為2 mm/min。
HBS5×80順紋抗剪、橫紋抗剪和抗拔單調(diào)加載均值曲線如圖7所示,性能指標(biāo)見表3。
表3 HBS5×80釘和KOP8×100釘單調(diào)加載性能指標(biāo)
圖7 HBS5×80釘單調(diào)加載均值曲線
2.4.1HBS5×80抗剪單調(diào)加載
順紋抗剪和橫紋抗剪曲線有較為明顯的彈性段,可以看出釘在橫紋方向的承載力和彈性剛度均高于順紋方向,但順紋方向的延性較好。
2.4.2HBS5×80抗剪往復(fù)加載
釘在抗拔連接件中主要受力方向沿CLT板外層規(guī)格材順紋方向且位移僅限于正向,而抗剪角鋼連接件中主要受力方向沿CLT板外層規(guī)格材橫紋方向且會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向的位移。本文在HBS5×80釘抗剪往復(fù)加載中,對(duì)順紋方向試件僅做半邊往復(fù)加載,對(duì)橫紋方向做完整往復(fù)加載。順紋、橫紋方向分別加載3個(gè)釘,順紋往復(fù)加載釘編號(hào)為HBS5×80-S1、HBS5×80-S2、HBS5×80-S3,橫紋往復(fù)加載釘編號(hào)為HBS5×80-H1、HBS5×80-H2、HBS5×80-H3,其滯回曲線分別如圖8、圖9所示。
a—HBS5×80-S1;b—HBS5×80-S2;c—HBS5×80-S3。
a—HBS5×80-H1;b—HBS5×80-H2;c—HBS5×80-H3。
可以看出:自攻螺釘在往復(fù)荷載作用下,曲線的捏縮效應(yīng)較為明顯,這是因?yàn)槟静陌l(fā)生了塑性變形。當(dāng)力卸載至0時(shí),位移并沒有退回0處,這是由于釘也發(fā)生了變形,故當(dāng)位移退回至0時(shí),會(huì)有反向力。從橫紋抗剪滯回曲線中可以看出,第三象限內(nèi)的曲線沒有第一象限內(nèi)的曲線飽滿,這也是因?yàn)獒斠呀?jīng)發(fā)生了彎曲變形,反向加載時(shí)承載力會(huì)低于正向加載,多次往復(fù)后釘易在中部塑性鉸處或釘頭塑性鉸處發(fā)生斷裂。
2.4.3HBS5×80抗拔單調(diào)加載
10個(gè)釘抗拔單調(diào)加載曲線如圖7所示,相較于抗剪來說,釘抗拔性能延性較差,初始剛度較大,達(dá)到最大承載力后曲線陡然下降,性能指標(biāo)見表3??梢钥闯觯鹤怨ヂ葆擧BS5×80的峰值承載力及彈性剛度較高,但延性較差,且數(shù)據(jù)離散性較大,或與釘子打入速度有關(guān)。
2.4.4KOP8×100順紋抗剪單調(diào)加載
10個(gè)KOP8×100順紋抗剪單調(diào)加載均值曲線如圖10所示,可見其順紋抗剪力-位移曲線呈現(xiàn)較為明顯的彈性段與塑性段。由于釘子直徑較大,剛度相應(yīng)也很大,在剪切過程中釘子僅有少許變形,主要表現(xiàn)為木材順紋承壓破壞,當(dāng)釘頭接近木塊邊緣時(shí),木材發(fā)生劈裂。由于在實(shí)際節(jié)點(diǎn)中釘并不會(huì)到達(dá)木材邊緣,故在釘節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)中木材發(fā)生劈裂即停止加載,僅取該段作為有效數(shù)據(jù),性能指標(biāo)中僅統(tǒng)計(jì)了承載力峰值、彈塑性剛度以及屈服位移、屈服荷載見表3。
圖10 KOP8×100釘單調(diào)加載均值曲線
2.4.5KOP8×100抗拔單調(diào)加載
與HBS5×80釘抗拔性能類似,其初始剛度大,達(dá)到承載力峰值后曲線陡然下降,如圖10所示為10個(gè)KOP8×100釘抗拔力-位移曲線,其性能指標(biāo)均值見表3??梢钥闯觯怨ヂ葆擪OP8×100具有較高的承載力峰值及彈性剛度,但延性較差,沒有明顯塑性段。
KOP8×100釘連接的順紋抗剪和抗拔承載力均約為HBS5×80釘連接的2倍,但兩種釘連接的延性相差較小。由于釘抗拔延性較差,考慮到不希望連接件被拔出太多,因此角鋼連接節(jié)點(diǎn)中所用釘均采用HBS5×80。試驗(yàn)所用角鋼及尺寸如圖11所示,根據(jù)釘抗剪和抗拔的承載力選取釘個(gè)數(shù),其中角鋼上部與墻板連接處采用5個(gè)釘或7個(gè)釘,下部與樓板連接處采用10個(gè)釘,其布置位置見圖12。
a—連接件三維示意;b—連接件尺寸,mm。
a—與墻板連接處5釘布置;b—與墻板連接處7釘布置;c—與樓板連接處10釘布置。
CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)采用500 kN邦威萬能試驗(yàn)機(jī)完成,該試驗(yàn)機(jī)可用于拉、壓試驗(yàn)。
3.2.1抗 拔
CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)抗拔試驗(yàn)布置如圖13所示,中間板作為墻板,左右板作為樓板,于加載頭左右兩側(cè)對(duì)稱布置連接件。對(duì)與墻板連接處采用5個(gè)釘?shù)脑嚰M(jìn)行單調(diào)和往復(fù)加載,分別命名為B-5-1、B-5-2;對(duì)與墻板連接處采用7個(gè)釘?shù)脑嚰M(jìn)行單調(diào)加載,命名為B-7-1。其中單調(diào)加載速率為6 mm/min,往復(fù)加載速率為12 mm/min。
a—正面; b—側(cè)面。
3.2.2抗 剪
試驗(yàn)布置三維示意如圖14所示,中間板作為墻板,兩側(cè)板作為樓板,同樣于加載頭左右兩側(cè)對(duì)稱布置連接件。實(shí)際試驗(yàn)中,為了保持兩側(cè)鋼板不發(fā)生過大變形并有效壓住兩側(cè)樓板,在前方加塞了兩塊等高木塊。CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)抗剪試驗(yàn)中角鋼與墻板連接均采用5個(gè)釘,對(duì)其進(jìn)行單調(diào)和往復(fù)加載,分別命名為J-5-1、J-5-2,其中單調(diào)加載速率為6 mm/min,往復(fù)加載速率為12 mm/min。
a—三維示意;b—實(shí)際布置。
3.3.1抗 拔
如圖15所示,當(dāng)與墻板連接采用5個(gè)釘時(shí),整個(gè)加載過程中角鋼底部與樓板連接處的釘幾乎沒有被拔出,變形均集中于角鋼上部與墻板連接處。前期主要變形為與墻板連接釘?shù)尼旑^出現(xiàn)塑性鉸,且有少量釘被拔出,如圖16a所示;后期與墻板連接釘進(jìn)入屈服階段,整個(gè)節(jié)點(diǎn)承載力達(dá)到峰值,釘中部也出現(xiàn)塑性鉸,同時(shí)可見明顯木材順紋承壓破壞,如圖16b所示。隨著與墻板連接釘被拔出得越多,節(jié)點(diǎn)承載力開始下降,此時(shí)有釘被剪斷。
圖15 CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)(與墻板連接采用5個(gè)釘)抗拔試驗(yàn)現(xiàn)象
a—與墻板連接釘拔出;b—木材橫紋承壓破壞、釘頭剪斷;c—規(guī)格材脫膠;d—角鋼轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢。
當(dāng)與墻板連接采用7個(gè)釘時(shí),角鋼底部與樓板連接處的釘也被拔出,越靠近墻板處的釘越容易被拔出,可聽見其被拔出時(shí)的悶響,同時(shí)底部與樓板連接釘被拔出位移也不斷增大,最終將CLT板表層規(guī)格材拔起,節(jié)點(diǎn)破壞,見圖16c。由于鋼連接件剛度較大,故其自身變形很小,繞底部邊緣有轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢,如圖16d所示。
3.3.2抗 剪
如圖17所示,加載初期,與抗拔現(xiàn)象類似,由于角鋼與墻板連接處釘個(gè)數(shù)相較于與樓板連接少,變形主要集中于與墻板連接處,表現(xiàn)為與墻板連接釘頭傾斜并出現(xiàn)塑性鉸。當(dāng)位移達(dá)到20 mm左右時(shí)木材開始出現(xiàn)“噼啪”聲響,且較為頻繁,此時(shí)木材出現(xiàn)橫紋承壓破壞,木纖維被剪斷,同時(shí)墻板邊緣出現(xiàn)較明顯破壞,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性。隨著位移的增大,與墻板連接釘也不斷被拔出,節(jié)點(diǎn)承載力開始下降,角鋼有轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢,且有釘頭被剪斷。
a—釘初期彎曲變形;b—釘變形增大并拔出;c—木材橫紋承壓破壞;d—木材劈裂破壞。
3.4.1抗 拔
CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)抗拔試驗(yàn)曲線見圖18??梢钥闯觯摴?jié)點(diǎn)各試件抗拔力-位移曲線形狀基本一致,初始剛度高,承載力在位移為20 mm左右達(dá)到峰值,此時(shí)與墻板連接釘?shù)膯蝹€(gè)釘承載力也達(dá)到峰值,隨后立即下降,但下降后又出現(xiàn)一段較為平緩的曲線,此時(shí)木材順紋承壓破壞較為嚴(yán)重,導(dǎo)致釘與水平線夾角逐漸增大,釘以抗拔為主,隨著位移不斷增大,曲線開始出現(xiàn)小范圍突然下降,為釘頭被剪斷及規(guī)格材的突然脫膠破壞。試驗(yàn)性能指標(biāo)見表4,可知該節(jié)點(diǎn)初始抗拔剛度較高,延性較好。
圖18 CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)抗拔力-位移曲線
3.4.2抗 剪
CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)抗剪試驗(yàn)曲線見圖19,其抗剪性能指標(biāo)見表4。對(duì)比其抗拔性能可以得出,該節(jié)點(diǎn)抗剪承載力與抗拔承載力相比略高一些,但達(dá)到峰值承載力時(shí),很快出現(xiàn)下降,無明顯塑性段,這是由于抗剪試驗(yàn)中木材橫紋承壓時(shí)木纖維不易被剪斷,故釘變形較大,并被不斷拔出,導(dǎo)致其抗剪承載力迅速下降或釘頭被剪斷,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下降段。
圖19 CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)抗剪力-位移曲線
表4 CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)性能指標(biāo)
本文首先對(duì)兩種自攻螺釘連接(釘HBS5×80、釘KOP8×100)進(jìn)行了抗剪及抗拔試驗(yàn)。在CLT墻體-樓板角鋼連接節(jié)點(diǎn)中選用HBS5×80釘進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)抗拔、抗剪兩個(gè)方向的單調(diào)和往復(fù)加載,其中角鋼與墻板連接采用5個(gè)或7個(gè)釘,與樓板連接采用10個(gè)釘。得到以下試驗(yàn)結(jié)果:
1)釘連接順紋及橫紋抗剪試驗(yàn)得到的力-位移曲線均有較為明顯的彈性段,釘在橫紋方向的彈性剛度和承載力均高于順紋方向,但順紋方向的延性較好。
2)釘連接抗拔初始剛度及峰值承載力較高,均略高于順紋抗剪。但達(dá)到最大承載力后曲線陡然下降。相較于抗剪來說,釘抗拔延性較差。
3)釘KOP8×100抗拔及抗剪性能均優(yōu)于釘HBS5×80。其中釘KOP8×100的彈性剛度和峰值承載力約為釘HBS5×80的2倍,但延性的提高不明顯。
4)抗拔試驗(yàn)中,當(dāng)與墻板連接采用5個(gè)釘時(shí),整個(gè)加載過程中角鋼底部與樓板連接處的釘幾乎沒有被拔出,變形均集中于角鋼上部與墻板連接處,表現(xiàn)為釘?shù)膹澢c木材順紋承壓破壞。
5)抗拔試驗(yàn)中,當(dāng)與墻板連接采用7個(gè)釘時(shí),底部與樓板連接釘也被拔出,越靠近墻板處的釘越容易被拔出,最終將CLT板表層規(guī)格材拔起,節(jié)點(diǎn)破壞。
6)對(duì)5釘角鋼進(jìn)行了抗剪單調(diào)和往復(fù)加載,由于角鋼與墻板連接處釘個(gè)數(shù)相較于與樓板連接少,變形主要集中于與墻板連接處,以釘變形以及木材橫紋承壓破壞為主。無論是抗拔還是抗剪方向,節(jié)點(diǎn)均表現(xiàn)出了良好的延性。