內嵌多塊鋼板銷式木連接力學性能研究

張盛東，范新海，屈文俊

（同濟大學土木工程學院，上海200092）

內嵌鋼板銷式木連接具有簡潔、美觀、可靠、抗火性能好等特點，已廣泛應用于重型木結構節(jié)點連接中，其連接構造如圖1a所示.內嵌鋼板銷式連接根據內嵌鋼板的數量分為內嵌單塊和多塊鋼板銷式連接.Johansen最早給出了內嵌單塊鋼板銷式連接節(jié)點在屈服破壞模式下承載力計算公式［1］；隨后文獻［2－5］對內嵌單塊鋼板單銷和多銷連接節(jié)點的破壞模式、承載力計算公式和鋼板與木構件間的相對滑移進行了試驗研究，并建議了不同破壞模式下節(jié)點承載力和滑移剛度計算公式；Sj?din等［6］、Rammer等［7］則針對木材含水率對連接節(jié)點承載力的影響進行了試驗研究；徐德良等［8］對內嵌單塊鋼板單個螺栓木連接的順紋受拉性能進行了試驗研究.在大跨、多（高）層木結構中，要求連接節(jié)點具有較高的承載力和剛度，一般需在較大的木構件中內嵌多塊鋼板.Mischler［9］，Sawata等［10］等對內嵌多塊鋼板單銷連接順紋受壓節(jié)點進行了試驗研究，結果表明內嵌鋼板銷式連接節(jié)點的承載力和剛度隨鋼板數目的增加而增加.

圖1 內嵌鋼板銷式連接示意和破壞實例Fig.1 Dowel－type timber connections with slotted－in steel plates and a failure example

但是近年來，國外有多起因采用內嵌多塊鋼板銷式連接破壞而導致木結構發(fā)生倒塌的報道，如2003年丹麥的自行車競技場1／3的屋頂塌落，見圖1b.我國目前還未開展內嵌多塊鋼板銷式連接力學性能研究，但該連接方式在實際工程中已有應用，因此有必要對內嵌多塊鋼板銷式連接進行深入的研究.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

本文所涉及的材料包括膠合木、鋼板和鋼銷.膠合木是由美國花旗松加工而成，實測木材含水率平均值為13%，密度平均值為534kg·m－3；鋼銷和鋼板均采用Q235級鋼材加工制作而成，實測鋼銷受拉屈服強度平均值為357MPa，極限強度平均值為478 MPa.

1.2 試件設計及加工

本文共進行了11個內嵌鋼板單銷木連接試件的順紋受壓試驗，分為四組.木組件截面尺寸b×h＝210mm×350mm，長度l＝400mm，開槽寬度均為10mm，深度均為200mm，預鉆孔直徑等于鋼銷直徑d；鋼板尺寸均為長×寬＝250mm×200mm，厚度8mm，預鉆孔直徑比d大1mm；d分別為12，16，20mm，鋼銷長為250mm；鋼板端部離槽底距離50 mm.內嵌三塊鋼板銷式連接試件，鋼板間木材厚度t2與鋼板外邊緣木材厚度t1之比分別為0.5，1.0，2.0；內嵌兩塊鋼板銷式連接試件，t2／t1為2.0；內嵌單塊鋼板銷式連接試件，鋼板位于木組件中心.試件詳圖及具體參數見圖2和表1.

圖2 內嵌鋼板銷式連接試件幾何構造（單位：mm）Fig.2 Configuration of specimens of dowel－type connection with slotted－in plates

1.3 加載方式、量測內容和方法

本試驗所加荷載為順紋受壓荷載，加載方式為勻速單調加載，荷載控制，試件在10min左右達到破壞，正式加載前先對試件進行預加載.試件中鋼板與木組件間相對滑移超過30mm或荷載下降到最大荷載50%時（實際試驗時，相對滑移超過15mm，荷載不能繼續(xù)增加）試驗終止.除荷載外，試驗時還量測鋼板與膠合木組件間的相對滑移，本試驗的加載裝置如圖3所示.

表1 內嵌鋼板銷式連接試件設計參數Tab.1 Summary of design parameters of specimens of dowel－type connection with slotted－in plates

圖3 試驗加載裝置圖Fig.3 Loading layout of the tests

2 試驗結果

2.1 破壞模式

四組試件破壞時都發(fā)生了木材銷槽承壓破壞，根據破壞時鋼銷是否發(fā)生彎曲和彎曲后形成塑性鉸的個數，本次試驗內嵌多塊鋼板木連接試件的破壞模式可歸為Sawata等［10］所給出六種破壞模式（見圖7）中的四種典型破壞模式，如圖4所示.

（1）試件破壞模式Ⅰ：鋼銷基本保持剛直，僅發(fā)生木材銷槽承壓破壞，如圖4a所示.C－3試件鋼銷直徑為20mm，鋼板外邊緣木材相對厚度t1／d為1.5，鋼板間木材相對厚度t2／d為3.0，其破壞屬于破壞模式Ⅰ.

（2）試件破壞模式Ⅱ：鋼銷在鋼板間木材中基本保持剛直，在鋼板外邊緣木材中發(fā)生彎曲但沒有形成塑性鉸，最終破壞時僅在外邊緣鋼板處形成2個塑性鉸，表現為鋼銷彎曲和木材銷槽承壓破壞同時發(fā)生，如圖4b所示.試件A組中A－2和A－3試件的d為12mm，t1／d分別為3.75和2.50，t2／d分別為3.75和5.00；B組試件的d為16mm，t1／d分別為3.75，2.80和1.88，t2／d分別為1.88，2.80和3.75；C組中C－1，C－2試件的d為20mm，t1／d分別為3.00和2.25，t2／d分別為1.50和2.25.以上試件的破壞屬于破壞模式Ⅱ.

圖4 典型的破壞形式Fig.4 Typical failure modes

（3）試件破壞模式Ⅲ：鋼銷在鋼板間木材中基本保持剛直，在鋼板外邊緣木材中發(fā)生彎曲并形成塑性鉸，最終破壞時分別在外邊緣鋼板處和邊緣木材中共形成4個塑性鉸，表現為鋼銷彎曲和木材銷槽承壓破壞同時發(fā)生，如圖4c所示.A－1試件的d為12mm，t1／d為5.0，t2／d為2.5，其試件破壞屬于破壞模式Ⅲ.

（4）試件破壞模式Ⅴ：鋼銷在鋼板間木材中彎曲并產生塑性鉸，在鋼板外邊緣木材中發(fā)生彎曲但沒有形成塑性鉸，最終破壞時分別在外邊緣鋼板處和鋼板間木材中共形成4個塑性鉸，表現為鋼銷彎曲和木材銷槽承壓破壞同時發(fā)生，如圖4d所示.D－2試件d為12mm，t1／d為3.75，t2／d為8.33，其試件破壞屬于破壞模式Ⅴ.

2.2 荷載與鋼板－木材間相對滑移

圖5分別給出了A，B，C，D四組試件的荷載—相對滑移曲線.由圖5可知，在其他條件相同的情況下，試件的承載力隨著t2增加而增大，而最大相對滑移值則隨著t2增加而減小.

圖5 不同試件的荷載—相對滑移曲線Fig.5 Load－slip curves of different specimens

根據試驗所得荷載—相對滑移曲線可按ASTM D5652［11］建議的方法確定連接試件的屈服強度，即通過5%d偏移法評定.本文根據該標準將屈服強度定義為試件的承載力，極限強度則根據EN26891［12］建議的最大相對位移達到15mm時對應的荷載值來確定.試驗所獲得的連接試件屈服強度和極限強度見表2.

表2 連接節(jié)點試驗結果Tab.2 Load－carrying capacities of dowel－type connections

2.3 承載力影響因素分析

圖6給出了ns，t2與d對連接承載力影響的試驗結果.承載力取表2中的屈服強度.

圖6 承載力影響因素分析Fig.6 Analysis of the effects of factors on the load－carrying capacities

從圖6a可以看出，內嵌鋼板銷式連接節(jié)點承載力隨ns的增加而增大.從圖6b可以看出，內嵌三塊鋼板銷式連接節(jié)點承載力隨t2／t1比值增大而增大.從圖6c可以看出，當t2／t1＝0.5時，內嵌鋼板銷式連接節(jié)點承載力隨d的增加先增大后降低；當t2／t1＝1.0時，內嵌鋼板銷式連接承載力隨d的增加而增大；當t2／t1＝2.0時，內嵌鋼板銷式連接節(jié)點的承載力隨d增加先降低后增大.

3 內嵌多塊鋼板銷式連接承載力計算

3.1 承載力計算公式的推導

Sawata等［10］將內嵌多塊鋼板（對稱）銷式連接分為六種屈服破壞模式，如圖7所示.

圖7 內嵌多塊鋼板銷式連接破壞模式Fig.7 Failure modes for dowel－type connection with three slotted－in steel plates

圖8為內嵌多塊鋼板銷式連接節(jié)點內力分布圖和剪切面?zhèn)€數，本文根據文獻［13］建議的方法將內嵌多塊鋼板銷式連接分解成1個內嵌單塊鋼板（兩個A剪切面）連接節(jié)點加上（ns－1）個外夾鋼板（2（ns－1））連接節(jié)點，則內嵌ns塊鋼板銷式連接承載力Ru為

式中：Ru，inter為內嵌單塊鋼板雙剪連接節(jié)點承載力，Ru，out為外夾鋼板雙剪連接節(jié)點承載力，ns為鋼板數目.

Eurocode 5［14］基于Johansen［1］屈服理論給出了內嵌單塊鋼板和外夾鋼板雙剪單銷木連接節(jié)點的破壞模式（如圖9所示）及相關承載力計算公式.每種破壞模式下每個剪切面的承載力計算公式為

破壞模式e的承載力

破壞模式f的承載力

破壞模式g的承載力

破壞模式h的承載力

破壞模式l的承載力

式中：My為鋼銷屈服彎矩；fh為木材銷槽承壓強度.

不同破壞模式下內嵌多塊鋼板銷式木連接節(jié)點的承載力計算公式為

（1）破壞模式Ⅰ為內嵌單塊鋼板破壞模式e和（ns－1）個外夾鋼板破壞模式h組合，則破壞模式Ⅰ承載力計算公式為

（2）破壞模式Ⅱ為內嵌單塊鋼板破壞模式f和（ns－1）個外夾鋼板破壞模式h組合，則破壞模式Ⅱ承載力計算公式為

（3）破壞模式Ⅲ為內嵌單塊鋼板破壞模式g和（ns－1）個外夾鋼板破壞模式h組合，則破壞模式Ⅲ承載力計算公式為

（4）破壞模式Ⅳ為內嵌單塊鋼板破壞模式e和（ns－1）個外夾鋼板破壞模式l組合，則破壞模式Ⅳ承載力計算公式為

（5）破壞模式Ⅴ為內嵌單塊鋼板破壞模式f和（ns－1）個外夾鋼板破壞模式l組合，則破壞模式Ⅴ承載力計算公式為

（6）破壞模式Ⅵ為內嵌單塊鋼板破壞模式g和（ns－1）個外夾鋼板破壞模式l組合，則破壞模式Ⅵ承載力計算公式為

實際應用時，連接節(jié)點的承載力值取根據公式（7）～（12）所得到計算值的最小值.

3.2 計算公式的驗證

為了驗證理論計算公式的正確性，將理論計算與試驗結果進行對比，結果見表3.

表3 試驗結果與理論計算值對比Tab.3 Comparison of test results with predicted results

從表3可以看出，A－3與C－1試件可能由于試驗方法和試件加工誤差造成承載力計算值與試驗值不吻合，其余試件承載力計算值與試驗值符合較好，故建議的公式可用于內嵌多塊鋼板銷式連接承載力計算.

4 結論

（1）內嵌鋼板銷式木連接的破壞模式分別與t1／d和t2／d有關.

（2）內嵌鋼板銷式木連接節(jié)點的承載力與ns，t2／t1，d有關，且隨ns，t2／t1比值增加而增大.

（3）可以將內嵌ns鋼板銷式連接分解為內嵌單塊鋼板銷式連接和（ns－1）個外夾鋼板銷式連接，采用疊加原理來計算內嵌鋼板銷式連接節(jié)點承載力，計算值與試驗值符合較好.

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