木-混凝土單螺栓連接抗剪承載力試驗(yàn)及參數(shù)化分析

熊海貝 付 豪 歐陽祿

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所,上海 200092)

0 引 言

木-混凝土混合結(jié)構(gòu)綜合了木結(jié)構(gòu)施工快、造價(jià)低、舒適宜居、綠色節(jié)能,混凝土結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)、施工技術(shù)成熟兩方面的優(yōu)勢(shì),在木結(jié)構(gòu)的發(fā)展中起到了積極的推動(dòng)作用。劉燦等[1]對(duì)輕木屋架與混凝土圈梁采用錨栓連接的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到橫紋抗剪和順紋抗剪承載力性能;閆懷東等[2]對(duì)8組共24個(gè)木-混凝土組合梁螺釘連接進(jìn)行了單剪試驗(yàn),研究了木混凝土組合梁剪力連接件的受力性能;國外Dias A M P G等學(xué)者[3-4]對(duì)銷軸形式的木-混凝土連接進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究,并對(duì)木-混凝土混合結(jié)構(gòu)中的銷軸類連接節(jié)點(diǎn)[5-6]的剛度和非線性性能進(jìn)行了研究。Symons D和Moshiri F等[7-8]先后對(duì)傾斜植入自攻螺釘類木-混凝土連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究。熊海貝等[9]通過數(shù)值模擬對(duì)混凝土框架核心筒和三層木盒子的新型木-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系性能進(jìn)行了初步探索。許鴻盛等[10]通過數(shù)值模擬對(duì)于躍層住宅的抗震性能進(jìn)行了分析。目前,木-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系研究得以快速發(fā)展,然而在木-混凝土螺栓連接數(shù)值模擬過程中參數(shù)選取缺少直接可用的數(shù)據(jù)。因此,本文基于典型的木-混凝土單螺栓連接節(jié)點(diǎn):①進(jìn)行不同參數(shù)下的單螺栓連接試驗(yàn),通過單調(diào)加載試驗(yàn),研究木-混凝土單螺栓連接的基本力學(xué)性能;②利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)行參數(shù)化分析,為木-混凝土螺栓連接設(shè)計(jì)提供一定的參考和建議,推動(dòng)新型木-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

木-混凝土連接經(jīng)濟(jì)有效的屈服破壞模式和參數(shù)選取是試驗(yàn)研究的重點(diǎn),為此試驗(yàn)一共設(shè)計(jì)14個(gè)試件。采用控制變量法,一共設(shè)置4個(gè)變量,分別為螺栓直徑d(12 mm、14 mm、16 mm、18 mm)、木材厚度h(76 mm、114 mm)、螺桿等級(jí)(4.8級(jí)、8.8級(jí))和有無鋼墊板。以探究不同變量對(duì)屈服模式和破壞形態(tài)的影響,并得到不同構(gòu)造下節(jié)點(diǎn)的初始剛度、承載力以及延性性能數(shù)值,試件參數(shù)如表1所示,其中木材為為加拿大進(jìn)口的云杉-松-冷杉規(guī)格材(SPF),材質(zhì)等級(jí)為II級(jí)。

表1單螺栓連接試驗(yàn)各組試件參數(shù)

Table 1 Parameters of single bolt connection tests

注:以試件“N-12-76-4.8”為例對(duì)編號(hào)進(jìn)行解釋,第一位字母“N”代表無墊板(“Y”表示有墊板),第二位數(shù)字“12”代表螺栓直徑為12 mm,第三位數(shù)字“76”代表木材厚度為76 mm,第四位數(shù)字“4.8”代表螺栓強(qiáng)度為4.8級(jí),其余編號(hào)意義類同

木-混凝土單螺栓連接加鋼墊板試件示意圖如圖1所示,無鋼墊板試件基本類似,不同之處在于螺母下不含鋼墊板。其中,混凝土尺寸為400 mm×180 mm×250 mm,螺栓嵌入混凝土深度為190 mm,鋼墊板尺寸為60 mm×60 mm×5 mm,h,d分別代表木材厚度及螺栓直徑。

圖1 木-混凝土單螺栓連接單調(diào)加載試件示意圖(單位:mm)Fig.1 Schematic diagram of single blot connection (Unit:mm)

1.2 試驗(yàn)裝置與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)裝置如圖2所示,伺服作動(dòng)器型號(hào)MAS-100,數(shù)據(jù)采集頻率為2 Hz,作動(dòng)器的設(shè)計(jì)推力為±100 kN,位移量程為±500 mm。在試件的混凝土塊體兩邊設(shè)置限位裝置,用以固定混凝土塊,用作動(dòng)器推動(dòng)上部的木塊,以模擬兩者之間的滑動(dòng)。采用三個(gè)拉線式位移傳感器分別測(cè)量螺栓頂部的位移和木塊兩端沿加載方向的位移,如圖3所示,采用作動(dòng)器自帶的傳感器測(cè)量推力。

圖2 試驗(yàn)加載裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of loading device

1.3 加載制度

試驗(yàn)采用單調(diào)加載模式,參考美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTMD5652[11]標(biāo)準(zhǔn)中建議的方法,進(jìn)行兩階段加載。

圖3 位移測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.3 Arrangement of displacement measurement points

(1) 預(yù)加載階段,檢測(cè)試驗(yàn)所用位移計(jì)的工作狀態(tài),并消除節(jié)點(diǎn)各組成部分可能存在的不良接觸。預(yù)加荷載為節(jié)點(diǎn)承載力預(yù)估值的10%,加載速率為1.5 mm/min。加載至設(shè)定的預(yù)加荷載后持荷2 min,隨后卸載。

(2) 正式加載階段,加載速率為1.5 mm/min,采用位移加載控制方式,并持續(xù)加載至裝置位移峰值80 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

加載過程中首先發(fā)出明顯噼啪響聲,此后木材受到螺栓的擠壓逐漸變形,鋼螺栓沿加載方向位移逐漸增大,此過程中荷載增長相對(duì)較緩,隨后,同組試件中(螺栓直徑不同)螺栓直徑較小試件螺桿直接剪斷,如試件Y-12-76-4.8;直徑較大試件出現(xiàn)木材順紋劈裂,常伴隨木材橫紋局部的壓潰,如試件Y-16-76-4.8及Y-18-76-4.8。經(jīng)總結(jié),節(jié)點(diǎn)的破壞模式包括:①木材順紋劈裂破壞(圖4(b));②螺母處木材局部橫紋受壓破壞(圖4(c));③螺桿剪切破壞(圖4(d))。螺栓的屈服模式包括單塑性鉸屈服模式(圖5(a))和雙塑性鉸屈服模式(圖5(b))。混凝土整體完好,塑性鉸附近產(chǎn)生少許損傷。

除去初始加載時(shí)的滑移段,節(jié)點(diǎn)試件的荷載位移曲線(位移指作動(dòng)器沿加載方向位移)均包含:線彈性階段、彈塑性階段和破壞階段,如圖6列舉Y-12-76-4.8～Y-18-76-4.8(不同螺栓直徑)節(jié)點(diǎn)試件曲線。

通過試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn),普通單螺栓節(jié)點(diǎn)在單調(diào)加載試驗(yàn)過程中,由于螺栓的彎曲轉(zhuǎn)動(dòng),墊片和螺母會(huì)嵌入木材,造成木材的局部橫紋受壓破壞。在采取用尺寸比普通墊片較大的鋼墊板之后,可以有效避免墊片和螺母嵌入木材。

圖4 試驗(yàn)破壞模式Fig.4 Failure modes of test

圖5 螺桿屈服模式Fig.5 Screw yield modes

圖6 Y-d-76-4.8試件組荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of Y-d-76-4.8

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文通過各組試件荷載-位移曲線得到單螺栓連接節(jié)點(diǎn)的各種力學(xué)性能參數(shù),詳見表2,各參數(shù)定義如下:

1) 屈服承載力Py和屈服變形Δy

根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTMD5652標(biāo)準(zhǔn)[9]中對(duì)連接屈服點(diǎn)的定義,如圖7所示,將節(jié)點(diǎn)荷載為峰值荷載的10%與40%的兩點(diǎn)相連,并令連線沿變形軸平移螺栓直徑5%的距離,得到的平移直線與荷載-位移曲線相交點(diǎn)即為屈服點(diǎn)。屈服承載力Py為屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的承載力,屈服變形Δy為屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變形。

圖7 屈服承載力和屈服變形確定方法Fig.7 Determination methods of yield bearing capacity and yield deformation

2) 極限承載力Pu和極限變形Δu

節(jié)點(diǎn)極限承載力Pu為荷載位移曲線中荷載最大值,極限變形Δu為極限承載力對(duì)應(yīng)的位移。

3) 破壞荷載Pf和破壞位移Δf

由于木-混凝土單螺栓節(jié)點(diǎn)試件通常發(fā)生脆性破壞(木材劈裂或螺栓剪斷),且受試驗(yàn)加載裝置的限制,加載位移有限,試件的荷載位移曲線通常突然下降為零或者沒有下降段,因此,本文保守定義破壞荷載Pf為極限承載力,破壞位移Δf為對(duì)應(yīng)的位移。

4) 節(jié)點(diǎn)初始剛度

節(jié)點(diǎn)初始剛度Ke為荷載是極限承載力40%點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)的荷載0.4Pu與位移Δ0.4Pu的比值,即

Ke=0.4Pu/Δ0.4Pu

(1)

5) 節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)D

節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)D為極限變形Δu與屈服變形Δy的比值,即

D=Δu/Δy

(2)

總結(jié)得出,木材厚度與螺栓直徑的比值(厚徑比)對(duì)破壞模式有影響:同組試件,厚徑比較小時(shí),節(jié)點(diǎn)易出現(xiàn)木材順紋劈裂,并伴隨橫紋局部的壓潰;當(dāng)厚徑比較大時(shí),節(jié)點(diǎn)易發(fā)生螺栓剪切破壞。

表2單調(diào)加載試驗(yàn)力學(xué)性能

Table 2 Mechanical properties of monotone loading test

注:I表示木材順紋劈裂破壞,II表示木材局部橫紋壓潰,III表示螺桿剪切破壞

圖8給出了螺栓直徑、木材厚度、有無鋼墊板對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響曲線。綜合表2及圖8可以得出以下結(jié)論:

(1) 如圖8(a)所示,對(duì)于無墊板試件,節(jié)點(diǎn)初始剛度隨著螺栓直徑增大而提高,對(duì)于有墊板試件,無明顯規(guī)律;

(2) 如圖8(b)所示,承載力(包括屈服承載力及極限承載力)隨著螺栓直徑增大而提高,木材厚度對(duì)承載力影響較小,且無明顯規(guī)律;

(3) 如圖8(c)所示,試件增加鋼墊板后的屈服承載力和極限承載力可提高1倍左右,提升幅度詳見表3,由于鋼墊板和螺母的端部約束作用,隨著螺栓的彎曲使混凝土于木材之間壓力增大,摩擦力隨之增大,從而提高節(jié)點(diǎn)承載力;

(4) 由表2可知,節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)在3.13～11.28范圍內(nèi),因此木-混凝土單螺栓連接具有良好的延性。

表3加墊板后節(jié)點(diǎn)承載力提高百分比

Table 3 The percentage increase of the bearing capacity of the joint with the plate

圖8 各變量與力學(xué)性能性能參數(shù)之間關(guān)系Fig.8 The relationship between variables and mechanical performance parameters

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模擬

采用ABAQUS非線性有限元分析軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。為簡化模型,提高計(jì)算效率,采用如下基本假定:①模型尺寸不考慮構(gòu)件制作加工的誤差和材料缺陷;②不考慮螺栓和木材之間的間隙;③不考慮螺栓預(yù)緊力的影響;④不考慮螺紋影響,螺栓假定為光圓表面;⑤螺栓與混凝土、螺母、墊片之間,螺母與墊片,墊片與鋼墊板之間的接觸假定固結(jié);⑥通過對(duì)混凝土前后兩立面施加六自由度的約束模擬混凝土端的嵌固,通過對(duì)木材施加垂直于加載方向的位移約束來模擬約束裝置對(duì)木材的約束作用;⑦假定木材橫向各向同性,即徑向和弦向兩個(gè)方向材性相同。

3.1.1材性定義

1) 木材

鑒于木材材性的各向異性,木材破壞準(zhǔn)則采用Hill準(zhǔn)則:考慮各向異性的Mises屈服準(zhǔn)則,其通過判斷等效應(yīng)力與參考屈服應(yīng)力的大小來判斷材料是否發(fā)生屈服。

采用目前普遍使用的三線性應(yīng)力-應(yīng)變模型來模擬木材的本構(gòu),如圖9所示,且忽略泊松比在非線性階段可能發(fā)生的變化。木材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和參數(shù)取值如表4和表5所示。

圖9 木材應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型Fig.9 Stress-strain curves mode of timber

表4木材彈性階段力學(xué)性能參數(shù)

Table 4 Mechanical parameters of wood in elastic

表5木材塑性參數(shù)

Table 5 Mechanical parameters of wood in plasticity

2) 混凝土

混凝土本構(gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50005—2010)[12]中推薦的方法:考慮塑性損傷因子計(jì)算得到受壓和受拉本構(gòu)關(guān)系,本構(gòu)關(guān)系如圖10所示。彈性模量取32.5 MPa,泊松比0.2。

圖10混凝土本構(gòu)關(guān)系Fig.10 Concrete constitutive relation

3) 鋼材

鋼材均采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型,如圖11所示。根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]得到相應(yīng)參數(shù),其中,保證模型中的最大應(yīng)變小于給定的極限應(yīng)變值ε,鋼材材性參數(shù)如表6所示。

圖11 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型Fig.11 Stress-strain curve mode of steel

表6鋼材材性參數(shù)

Table 6 Parameters of steel material

3.1.2接觸設(shè)置

節(jié)點(diǎn)模型包括木構(gòu)件、混凝土、螺栓、螺母、墊片和鋼墊板六個(gè)部件,不同材料之間采用接觸對(duì)定義,接觸對(duì)定義如表7所示,其中法向作用采用“硬接觸”模型來描述壓力和接觸間隙的關(guān)系,切向采用庫倫摩擦模型。

表7模型接觸設(shè)置

Table 7 Contact Settings of model

除了以上四個(gè)接觸對(duì),由于螺栓與螺母、螺母與墊片、墊片與鋼墊板以及螺栓與混凝土之間的接觸關(guān)系幾乎不產(chǎn)生相對(duì)位移或節(jié)點(diǎn)承載力貢獻(xiàn),因此對(duì)該四對(duì)接觸關(guān)系采用綁定約束(tie contact)來進(jìn)行模擬,減少接觸數(shù)量,降低收斂難度。

3.1.3單元選取、網(wǎng)格劃分、邊界假定

模型中木構(gòu)件、螺栓和鋼墊板、螺母、墊片和混凝土基座均采用8節(jié)點(diǎn)線性減縮積分六面體單元(C3D8R)。

本文為了兼顧計(jì)算精度和速度,選擇在節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵部位-螺栓與木材的孔壁承壓部位進(jìn)行精細(xì)化網(wǎng)格劃分,在遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)的混凝土基座部位單元尺寸相對(duì)較大。本章模型中在螺栓與螺母、墊片、鋼墊板以及木材之間的接觸面邊界采用完全約束的種子,采用中性軸算法(medial axis)掃掠(sweep)劃分生成網(wǎng)格,如圖12所示,使得在所有的接觸面處的單元節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。

圖12 節(jié)點(diǎn)模型網(wǎng)格劃分Fig.12 Grid division of node model

模型的邊界條件如圖13所示,在混凝土基座兩側(cè)施加邊界約束固定整個(gè)模型;在木材順紋方向端面上,采用位移控制加載方式施加水平推力。

圖13 節(jié)點(diǎn)邊界條件與位移加載方式Fig.13 Boundary condition and loading way

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

將不含鋼墊板試件N-14-76-4.8、N-16-76-4.8、N-18-76-4.8及含鋼墊板試件Y-18-76-4.8的數(shù)值模擬荷載位移曲線與試驗(yàn)荷載位移曲線進(jìn)行對(duì)比(圖14),結(jié)果吻合良好;同時(shí),試件的破壞現(xiàn)象也與試驗(yàn)結(jié)果一致(以圖15中試件N-16-76-4.8為例),因此驗(yàn)證了有限元模型的合理性,可用于進(jìn)一步參數(shù)化分析。

圖14 有限元模擬與試驗(yàn)荷載位移曲線對(duì)比Fig.14 Comparison curves between simulation and test

圖15 試件N-16-76-4.8破壞剖面圖對(duì)比Fig.15 Comparison of the profile (N-16-76-4.8)

3.3 參數(shù)化分析

利用試件N/Y-16-76-4.8數(shù)值模型對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力進(jìn)行參數(shù)化分析,包含摩擦系數(shù)(木材與混凝土、螺栓與木材孔壁)、螺栓直徑、螺栓強(qiáng)度、鋼墊塊強(qiáng)度以及混凝土強(qiáng)度,結(jié)果分別如圖16-圖21所示,依次得到以下結(jié)論:

圖16 螺栓與木材孔壁摩擦系數(shù)μ1參數(shù)化分析Fig.16 Parametric analysis of friction coefficient between the blot and pin groove

圖17 木材與混凝土摩擦系數(shù)μ2參數(shù)化分析Fig.17 Prametric analysis of friction coefficient between the wood and concrete

圖18 螺栓直徑d參數(shù)化分析Fig.18 Parametric analysis of the bolt diameter

(1) 增大螺栓與木材孔壁之間的摩擦系數(shù)μ1可以提高節(jié)點(diǎn)的承載力,但提升幅度較小;

(2) 增大木材與混凝土之間摩擦系數(shù)μ2,當(dāng)位移小于10 mm對(duì)承載力的影響較小,可忽略,位移大于10 mm承載力提高越來越明顯;

(3) 螺栓直徑d的增大可以提高節(jié)點(diǎn)的初始剛度和承載力,但當(dāng)螺栓直徑超過一定尺寸時(shí)(16 mm),對(duì)于承載力提升的幅度減小,因此通過提高螺栓直徑來提高節(jié)點(diǎn)承載力并不一定經(jīng)濟(jì)有效,實(shí)際情況中可考慮使用多個(gè)小直徑螺栓;

圖19 螺栓強(qiáng)度fb參數(shù)化分析Fig.19 Parametric analysis of the bolt strength

圖20 鋼墊板強(qiáng)度fs參數(shù)化分析Fig.20 Parametric analysis of steel plate strength

圖21 混凝土強(qiáng)度fc參數(shù)化分析Fig.21 Parametric analysis of concrete strength

(4) 提高螺栓強(qiáng)度等級(jí)fb不能提高節(jié)點(diǎn)的初始剛度,對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力也沒有明顯貢獻(xiàn);

(5) 提高鋼墊板的強(qiáng)度等級(jí)fs對(duì)提高節(jié)點(diǎn)承載力無明顯影響;

(6) 提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)fc對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力幾乎沒有影響。

4 結(jié) 論

本文對(duì)14個(gè)木-混凝土單螺栓連接節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了單調(diào)加載試驗(yàn),得到了螺栓直徑、螺栓強(qiáng)度、木材厚度、鋼墊板對(duì)節(jié)點(diǎn)初始剛度、承載力、延性系數(shù)等力學(xué)性能的影響,并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。利用數(shù)值模型對(duì)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了參數(shù)化分析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)化分析結(jié)果得到以下結(jié)論及建議:

(1) 木-混凝土單螺栓連接節(jié)點(diǎn)破壞模式包括木材順紋劈裂破壞、螺母處木材局部橫紋受壓破壞,以及螺栓剪切破壞;螺栓具有單塑性鉸和雙塑性鉸屈服模式。

(2) 當(dāng)螺栓直徑較小時(shí),易出現(xiàn)螺栓剪斷,當(dāng)螺栓直徑較大,易出現(xiàn)木材順紋劈裂破壞和橫紋局部受壓破壞。

(3) 節(jié)點(diǎn)的有良好的延性,延性系數(shù)在3.13～11.28之間,可用于實(shí)際的使用中。

(4) 增加鋼墊板可提高節(jié)點(diǎn)承載力近1倍,為了提高節(jié)點(diǎn)承載力以及防止木材被壓潰,建議在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)增加鋼墊板。

(5) 增大螺栓直徑可提高節(jié)點(diǎn)承載力及初始剛度,直徑大于16 mm時(shí),提高螺栓直徑對(duì)于承載力的提升幅度不明顯,設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性因素。

(6) 參數(shù)化分析結(jié)果表明摩擦系數(shù)(螺栓與木材孔壁之間、木材與混凝土)、螺栓強(qiáng)度等級(jí)、鋼墊板強(qiáng)度等級(jí)對(duì)于節(jié)點(diǎn)承載力影響不大;提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力提高無影響。