濕度對膠合木銷槽承壓強度的影響試驗

馬貴進+徐德良+陸偉東+劉偉慶+宋佳程

摘要：為了研究濕度對膠合木銷槽承壓強度的影響，選取濕度分別為50%，70%，90%，木材紋理方向分別為順紋、斜紋、橫紋的45個膠合木試件進行銷槽承壓強度試驗，并將試驗結(jié)果與各國規(guī)范公式計算結(jié)果進行比較。結(jié)果表明：試件銷槽承壓破壞模式與膠合木紋理方向有關(guān)；相對濕度線性增長時，銷槽承壓強度與試件初始剛度呈現(xiàn)非線性下降趨勢；根據(jù)規(guī)范公式計算的試件銷槽承壓強度與試驗值吻合度較差，需要進一步優(yōu)化現(xiàn)有規(guī)范公式。

關(guān)鍵詞：膠合木；濕度；破壞模式；銷槽；承壓強度；初始剛度

中圖分類號：TU366.3文獻標志碼：A

Experiment on Effect of Humidity on Dowel Bearing Strength of

Glued Laminated TimberMA Guijin， XU Deliang， LU Weidong， LIU Weiqing， SONG Jiacheng

（College of Civil Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 211816， Jiangsu， China）Abstract： In order to study the effect of humidity on dowel bearing strength of glued laminated timber， 45 specimens of glued laminated timber including three kinds of humidity （50%， 70% and 90%） and three kinds of grain direction （longitudinal grain， diagonals grain， horizontal grain） were chosen in dowel bearing strength test， and the comparison between experimental results and the calculated results according to international standard formula was given. The results show that failure mode is related to the grain direction of glued laminated timber. With the linear growth of relative humidity， the dowel bearing strength and initial stiffness exhibit the trend of nonlinear decline. The calculated values of dowel bearing strength according to the existing standard formula are in poor agreement with the test values， so the existing standard formula needs to be optimized furtherly.

Key words： glued laminated timber； humidity； failure mode； dowel； bearing strength； initial stiffness

0引言

膠合木結(jié)構(gòu)節(jié)點連接是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容之一，節(jié)點連接的可靠性和有效性對木結(jié)構(gòu)整體性能有著非常重要的影響[14]。螺栓類連接是木結(jié)構(gòu)中常用節(jié)點連接形式，具有諸多優(yōu)點，已在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用[510]。Hansson[11]在木結(jié)構(gòu)倒塌調(diào)查案例中發(fā)現(xiàn)，23%的結(jié)構(gòu)破壞始于節(jié)點，而其中超過50%是螺栓節(jié)點破壞。螺栓連接最基本的力學指標是銷槽承壓強度，而對于銷槽承壓強度的研究，主要針對木材材性（密度、含水率）和螺栓直徑等。

Hwang等[12]對4種工程木（膠合木、單板層積木、單板條層積木、長條刨片層積木）在不同的加載方向及不同螺栓直徑下的銷槽承壓強度進行試驗研究。通過試驗發(fā)現(xiàn)：4種工程木產(chǎn)品的銷槽承壓強度隨螺栓直徑增大而減??；銷槽承壓初始剛度隨螺栓直徑增大而降低。Wilkinson[13]針對木材密度、螺栓直徑及加載方向等對順紋、橫紋銷槽承壓強度的影響進行試驗研究。試驗結(jié)果表明，順紋及橫紋銷槽承壓強度隨密度增大而增大，隨螺栓直徑增加而下降，并提出了順紋和橫紋銷槽承壓強度的計算公式，為美國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范奠定了基礎(chǔ)。Sawata等[14]通過試驗研究了鋼銷直徑和木材密度對銷槽承壓強度的影響，結(jié)果表明：順紋及橫紋銷槽承壓強度隨密度增加而增加；5%直徑偏移法得到銷槽承壓強度與直徑無關(guān)，5 mm位移偏移法得出其強度隨螺栓直徑增大而增大。Whale等[15]對針葉材、闊葉材、膠合板和加壓木材纖維板的順紋銷槽承壓強度進行了大量試驗研究，得到的結(jié)論為順紋銷槽承壓強度隨著鋼銷直徑增大而降低。黃紹胤等[16]通過試驗對中國冷杉銷連接進行銷槽承壓試驗研究，其結(jié)論是銷連接順紋銷槽承壓強度為含水率在15%時的木材標準試件順紋抗壓強度的0.938倍。劉柯珍[17]通過試驗研究了木材密度和螺栓直徑對中國產(chǎn)落葉松膠合木銷槽承壓強度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)順紋和橫紋銷槽承壓強度都隨木材密度增大而增大，隨螺栓直徑增大而減小，但順紋銷槽承壓強度下降幅度較橫紋小，可忽略不計，即認為順紋銷槽承壓強度不受螺栓直徑影響。Rammer等[18]通過試驗研究了4種含水率（4%，6%，12%，19%）對順紋銷槽承壓強度的影響，結(jié)果表明：銷槽承壓強度與含水率呈負相關(guān)的關(guān)系，并擬合出銷槽承壓強度與含水率的關(guān)系式。Kim等[19]研究了含水率區(qū)間在10.77%～89.92%，螺栓直徑為6，12，18，24 mm時柳杉的銷槽承壓強度。試驗結(jié)果表明：銷槽承壓強度隨螺栓直徑增大而減小，隨含水率升高而降低。

在歐洲、加拿大和美國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[2021]中，使用環(huán)境修正系數(shù)來考慮此類因素對木結(jié)構(gòu)節(jié)點及構(gòu)件設(shè)計的影響作用。在中國木結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范[2223]中，環(huán)境因素對節(jié)點及銷槽承壓強度的影響未做詳細說明。由此可見，對木結(jié)構(gòu)銷槽承壓強度有待深入研究。1試驗概況

1.1試件設(shè)計

花旗松膠合木銷槽承壓強度試件設(shè)計參照ASTM D 567497a（2002）[24]規(guī)范，設(shè)計3組（順紋、橫紋、斜紋）45個試件，試件示意見圖1。試件制作主要過程如下：在初始尺寸為120 mm×60 mm×50 mm的試件中心鉆取直徑為9.6 mm的螺栓孔，然后沿孔中心切割，得到試驗所需試件，最終試件尺寸為60 mm×60 mm×50 mm，銷槽承壓試件見圖2。

圖1試件示意（單位：mm）

Fig.1Schematic of Specimen （Unit：mm）圖2銷槽承壓試件

Fig.2Dowel Bearing Specimen1.2材料力學性能

試驗所用材料包括膠合木、螺栓，其中膠合木采用花旗松木材制備。根據(jù)《木材密度測定方法》（GB/T 1993—2009）[25]，測得膠合木氣干狀態(tài)下的密度平均值為0.48 g·cm-3，螺栓采用M8.8級高強螺栓，公稱直徑為8 mm。螺栓抗彎強度根據(jù)ASTM D 56521995[26]進行測定，其抗彎強度平均值為799.3 MPa。

1.3環(huán)境模擬

膠合木銷槽承壓試件放置在恒溫恒濕試驗箱內(nèi)，每種濕度下溫度保持恒定，濕度設(shè)置成50%，70%，90%，待試件含水率平衡后取出進行試驗，在試件取出時用保鮮膜包裹，以防止外界環(huán)境的干擾。

1.4試驗加載和量測內(nèi)容

試驗依據(jù)ASTM D 576497a（2002）規(guī)范進行。在萬能試驗機上進行銷槽承壓強度試驗。試驗方法是將8 mm直徑的螺栓放置在試件的半圓孔中，然后在螺栓上施加一恒定壓力。按ASTM D 576497a（2002）規(guī)范的要求，為確保試件在1～10 min之內(nèi)達到最大荷載或使整個螺栓嵌入試件銷槽中，試驗以1.0 mm·min-1的速度進行加載，加載裝置如圖3所示。當試件達到極限荷載或者發(fā)生破壞時，試驗停止。

圖3銷槽承壓試驗裝置

Fig.3Bearing Test Setup of Dowel試驗過程中主要量測力和螺栓與銷槽相對位移，可以從加載裝置和電腦端直接得到數(shù)據(jù)。2試驗結(jié)果及其分析

2.1試驗過程和破壞形態(tài)分析

試驗開始之前利用保鮮膜將銷槽承壓試件包裹住，防止外界環(huán)境干擾。開始試驗時，試件先定位好之后可將保鮮膜揭開，進行銷槽承壓試驗。

通過試驗可知，濕度在50%，70%，90%時，花旗松膠合木銷槽承壓破壞形態(tài)與木材紋理方向有關(guān)，破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4銷槽破壞形態(tài)

Fig.4Faliure Modes of Dowels由圖4可見：順紋銷槽承壓時，試件沿順紋方向開裂，銷槽發(fā)生破壞[圖4（a）]；斜紋銷槽承壓時，沿銷槽方向產(chǎn)生嵌入變形[圖4（b）]；橫紋銷槽承壓時，在試件槽孔兩側(cè)產(chǎn)生齒形裂紋[圖4（c）]。

2.2銷槽力位移曲線

銷槽力位移曲線如圖5所示。試件編號中，R后面的數(shù)字表示濕度，S表示順紋，X表示斜紋，H表示橫紋。由圖5可知，濕度在50%，70%，90%時，順紋試件銷槽承壓極限荷載和初始剛度最大，斜紋試件居中，橫紋試件最小。

濕度由50%增加到70%和90%時，順紋試件銷槽力位移曲線形式基本不變，曲線趨于平緩；在濕度為50%和70%時曲線初始剛度基本一致；在濕度為90%時剛度開始下降，試件表現(xiàn)為脆性破壞模式。加載初期，曲線呈現(xiàn)出非線性，主要是由于初始誤差及試驗時螺栓與銷槽之間的空隙引起。隨著荷載持續(xù)增加，空隙消除，試件處于線彈性階段，曲線呈現(xiàn)線性。荷載增加，試件槽孔兩端局部產(chǎn)生塑性變形并且出現(xiàn)細微裂紋，此時仍能繼續(xù)加載，但是由于裂紋的擴展導(dǎo)致整個試件在順紋方向裂紋延伸，銷槽失去承載能力，試件進入破壞階段。

濕度由50%增加到70%和90%時，斜紋銷槽承壓的曲線形態(tài)基本不變，曲線趨于平緩，曲線初始剛度逐漸變小，試件表現(xiàn)為脆性破壞模式。加載初期，試件較快地進入線彈性階段，隨著荷載持續(xù)增加，試件銷槽承受螺栓的擠壓，在銷槽兩端產(chǎn)生明顯的嵌入變形；荷載達到最大值時，嵌入變形加劇，試件最終破壞。

濕度由50%增加到70%和90%時，橫紋銷槽承壓曲線形態(tài)基本不變，曲線趨于平緩，曲線初始剛度逐漸變小，試件表現(xiàn)為脆性破壞模式。試件加載初期曲線形態(tài)與順紋相似，隨著荷載增加，曲線進入線彈性階段，但此階段過程較短，主要由于木材的橫紋抗壓強度比順紋抗壓強度低；在荷載持續(xù)增加的情況下，試件銷槽兩側(cè)產(chǎn)生裂紋并形成齒形裂紋，進而試件兩端出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象。此時，試件無法繼續(xù)加載，試件進入破壞階段。

2.3銷槽承壓強度分析

采用5%直徑偏移法確定銷槽承壓屈服荷載，如圖6所示[27]，其中，P為荷載，Δ為偏移量，Pu為極限荷載，Py為屈服荷載。

銷槽承壓強度的計算公式為

fe=fytd（1）

式中：fe為銷槽承壓強度；fy為銷槽屈服強度；d為螺栓直徑；t為銷槽承壓試件厚度。

花旗松膠合木銷槽承壓強度計算結(jié)果見表1。圖5銷槽力位移曲線

Fig.5Loaddisplacement Curves for Dowel圖6屈服荷載試驗值取法

Fig.6Method of Evaluating Yield Load Test表1花旗松膠合木銷槽承壓強度計算結(jié)果

Tab.1Calculation Results of Dowel Bearing

Strength for Glulam of Douglas Fir濕度/%紋理方向含水率/%fe/MPa初始剛度/

（kN·mm-1）50順紋10.041.5213.989 4斜紋9.724.459.362 4橫紋9.519.126.114 170順紋12.339.0313.987 0斜紋12.119.036.688 6橫紋12.517.845.406 290順紋16.327.258.923 3斜紋16.016.196.318 6橫紋15.814.204.612 22.4濕度和含水率對銷槽承壓強度的影響

圖7為膠合木紋理方向、濕度和含水率與銷槽承壓強度的關(guān)系。從圖7及表1可以看出：同一濕度條件下，銷槽承壓強度按順紋、斜紋、橫紋的順序出現(xiàn)非線性下降，見圖7（a）；隨著濕度線性增大，木材的含水率也隨之增大，見表1和圖7（b）；3種紋理方向的花旗松膠合木銷槽承壓強度在濕度與含水率增大的情況下出現(xiàn)非線性降低，見圖7（c）；當濕度為50%時，順紋、斜紋、橫紋銷槽承壓強度分別為41.52，24.45，19.12 MPa；當濕度達到70%時，順紋、斜紋、橫紋銷槽承壓強度分別下降6%，34.37%，6.7%；當濕度達到90%時，順紋、斜紋、橫紋銷槽承壓強度分別下降25.73%，26%，22%?？梢姖穸仍?0%時，順紋與橫紋銷槽承壓強度下降最明顯，均可以達到20%以上，而斜紋在濕度為70%，90%時其銷槽承壓強度下降也較為明顯。順紋試件在濕度為50%，70%時的初始剛度趨于一致，但在濕度為90%時剛度下降幅度為36.2%；斜紋試件在濕度為50%時的剛度最大，濕度為70%，90%時剛度下降幅度分別為28.76%，32.5%；橫紋試件在濕度為50%時的剛度最大，當濕度增加到70%，90%時，剛度降低幅度分別為11.6%，24.6%。

圖7膠合木紋理方向、濕度、含水率與銷槽

承壓強度的關(guān)系

Fig.7Relations of Grain Direction， Humidity， Moisture

Content of Glued Laminated Timber and Dowel

Bearing Strength3計算方法

3.1各國木材銷槽承壓強度計算公式

（1）《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50708—2012）[23]中銷槽承壓強度計算公式如下。

木材順紋銷槽承壓強度fe，0為

fe，0=77G（2）

木材橫紋銷槽承壓強度fe，90為

fe，90=212G1.45d（3）

木材斜紋銷槽承壓強度fe，45為

fe，45=fe，0fe，90fe，0sin2（θ）+fe，90cos2（θ）（4）

式中：G為主構(gòu)件材料的全干相對密度；θ為傾角。

（2）美國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范ANSI/AF & PA NDS2005[21]中銷槽承壓強度計算公式如下。

木材順紋銷槽承壓強度為

fe，0=77.25G（5）

木材橫紋銷槽承壓強度為

fe，90=212G1.45d（6）

木材斜紋銷槽承壓強度為

fe，45=fe，0fe，90fe，0sin2（θ）+fe，90cos2（θ）（7）

（3）歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EN 199511：2004[8]中銷槽承壓強度計算公式如下。

木材順紋銷槽承壓強度為

fe，0=0.082（1-0.01d）ρk（8）

式中：ρk為木材特征密度。

當螺栓的荷載作用方向與木材紋理方向的夾角為α時，木材銷槽承壓強度fe，α為

fe，α=fe，0K90sin2（α）+cos2（α）

K90=1.35+0.015d軟木

1.30+0.015d單板層積木

0.90+0.015d硬木（9）

當α=90°時，fe，α為橫紋銷槽承壓強度；當α=45°時，fe，α為斜紋銷槽承壓強度。

（4）加拿大木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范CSA O86092009中銷槽承壓強度計算公式如下。

木材順紋銷槽承壓強度為

fe，0=50G（1-0.01d）（10）

木材橫紋銷槽承壓強度為

fe，90=22G（1-0.01d）（11）

木材斜紋銷槽承壓強度fe，θ為

fe，θ=fe，0fe，90fe，0sin2（θ）+fe，90cos2（θ）（12）

由公式（2）～（12）可知，現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于木材銷槽承壓強度的計算公式均未考慮濕度的影響。

3.2各國木材銷槽承壓強度計算結(jié)果比較

將木材銷槽承壓強度試驗值與公式計算值進行比較，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，未考慮濕度影響的規(guī)范公式未能很好地預(yù)測銷槽承壓強度。除加拿大CSA O86092009規(guī)范能夠較好地預(yù)測濕度在70%和90%時膠合木的銷槽承壓強度外，其余規(guī)范計算出的誤差都較大，相對誤差范圍為30%～140%。

考慮濕度影響的Rammer和Kim公式僅預(yù)測順紋方向的銷槽承壓強度，未能預(yù)測斜紋和橫紋方向的銷槽承壓強度。Rammer公式預(yù)測值與試驗值相對誤差分別為33.6%，9.7%，15.3%。表2銷槽承壓強度計算結(jié)果

Tab.2Calculation Results of Dowel Bearing Strength濕度/%數(shù)據(jù)來源承壓強度計算值/MPa承壓強度試驗值/MPa相對誤差/%順紋斜紋橫紋順紋斜紋橫紋順紋斜紋橫紋50文獻[23]38.531.727.4文獻[21]38.632.127.4文獻[20]34.127.623.2文獻[4]23.014.110.1文獻[18]38.428.7316.6914.5434.089.988.734.592.388.718.865.659.651.115.830.433.670文獻[23]38.531.727.4文獻[21]38.632.127.4文獻[20]34.127.623.2文獻[4]23.014.110.1文獻[18]35.532.2412.6211.7319.4151.1133.819.8161.7133.86.0118.997.928.711.413.79.790文獻[23]38.531.727.4文獻[21]38.632.127.4文獻[20]34.127.623.2文獻[4]23.014.110.1文獻[18]30.326.3015.8012.2546.4100.6123.946.9103.0123.929.874.989.512.511.017.415.3由此可見，不同紋理方向、不同濕度條件下的銷槽承壓強度有待進一步研究，以便建立統(tǒng)一的設(shè)計方法。4結(jié)語

（1）濕度在50%，70%，90%時試件銷槽承壓破壞模式與膠合木紋理方向有關(guān)，跟濕度的相關(guān)性不顯著。順紋銷槽承壓時，螺栓嵌入銷槽，試件沿順紋方向開裂；斜紋銷槽承壓時，螺栓嵌入銷槽，銷槽破壞，沿銷槽出現(xiàn)嵌入變形；橫紋銷槽承壓時，螺栓嵌入銷槽，銷槽孔左右兩邊膠合木出現(xiàn)齒形裂紋。

（2）在相同濕度下，不同紋理方向的試件銷槽承壓強度與初始剛度不同。3種紋理方向的花旗松膠合木銷槽承壓強度在濕度與含水率增大的情況下出現(xiàn)下降；3種紋理方向的試件在濕度達到90%時，其初始剛度下降最為明顯，下降幅度達到30%。

（3）現(xiàn)有規(guī)范及相關(guān)文獻給出的銷槽承壓強度計算公式計算值與試驗值誤差較大，需要建立統(tǒng)一的公式預(yù)測不同紋理方向、不同濕度下的銷槽承壓強度。參考文獻：

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