交變荷載下木構(gòu)件增強(qiáng)端部釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能

楊小軍，馬　瀾，趙　琦，俞奕豪，徐汀竹

（1.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.安徽森泰木塑集團(tuán)股份有限公司，安徽 廣德 242200）

我國人民有悠久的建造和使用木結(jié)構(gòu)房屋的歷史，創(chuàng)造了燦爛的木結(jié)構(gòu)建筑文化。如今，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的提高，人們越來越對(duì)返璞歸真、回歸自然的居住環(huán)境更加青睞，集諸多優(yōu)異性能于一身的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑得到了快速發(fā)展[1]?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)通過各類節(jié)點(diǎn)將木構(gòu)件相互聯(lián)系、傳遞荷載，形成可靠的建筑結(jié)構(gòu)體系。木構(gòu)件端部是節(jié)點(diǎn)連接的關(guān)鍵部位，也是力學(xué)性能最薄弱的部位，給木構(gòu)件連接設(shè)計(jì)帶來了困難。隨著具有優(yōu)異力學(xué)性能的碳纖維復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，采用碳纖維對(duì)木構(gòu)件端面進(jìn)行增強(qiáng)成了改善其性能的一種有效技術(shù)手段[2-4]。作者通過前期研究，發(fā)現(xiàn)采用粉狀碳纖維對(duì)木構(gòu)件端面進(jìn)行增強(qiáng)，能大幅提升木材端部橫向抗拉強(qiáng)度[5-6]。

釘節(jié)點(diǎn)由于傳力路徑清晰、制作簡單、安全可靠等，一直是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中最受歡迎的連接方式之一。釘節(jié)點(diǎn)在木結(jié)構(gòu)中幾乎都被設(shè)計(jì)用作抗剪連接。長期以來，有關(guān)木結(jié)構(gòu)釘節(jié)點(diǎn)連接的研究較多，主要在釘連接承載性能的屈服理論、衰退效應(yīng)、抗側(cè)力、握釘力計(jì)算模型、重復(fù)釘入握釘性能及釘連接節(jié)點(diǎn)承載性能研究等方面，這些研究都基于木材縱向材面、基于單調(diào)荷載握釘試驗(yàn)，運(yùn)用力學(xué)理論或非線性有限元等方法進(jìn)行[7-14]。釘節(jié)點(diǎn)在服役過程中常常因風(fēng)、雨、人員、地震等原因長期處于變化荷載的作用下，其牢固程度將隨服役時(shí)間逐漸降低，易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)松動(dòng)，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象。研究資料表明，對(duì)于木質(zhì)復(fù)合材料，交變荷載（即疲勞與蠕變共同作用）引起的損傷明顯高于同等條件下靜力荷載引起的損傷或疲勞與蠕變引起的損傷之和，交變荷載下疲勞與蠕變易發(fā)生交互作用[15-17]。然而，國內(nèi)外有關(guān)在交變荷載下釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能方面的研究尚未見報(bào)道。

為此，本研究以木構(gòu)件端部為研究對(duì)象，采用具有高強(qiáng)抗拉性能的粉狀碳纖維進(jìn)行增強(qiáng)，研究釘連接節(jié)點(diǎn)在交變循環(huán)荷載作用下抗剪性能，揭示其一般規(guī)律，對(duì)提高木構(gòu)件端部釘連接性能及木結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)具有重要意義。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用木材采用產(chǎn)于東北的落葉松Larixolgensis和水曲柳Fraxinus mandshurica規(guī)格材，有部分活節(jié)，紋理通直，一等材，含水率約15%。粉狀碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維，纖維長度0.5～2.0 mm，纖維直徑7～11 μm，受拉彈性模量為2.4×105MPa，抗拉強(qiáng)度3 450 MPa，極限拉伸應(yīng)變?yōu)?%。膠黏劑為雙組分環(huán)氧類，混合后初黏度（23 ℃）5 000 mPa·s，其混合體積比為2∶1，抗拉強(qiáng)度50 MPa，彈性模量2.0 GPa，延伸率2.2%。試驗(yàn)用鋼板為Q345低合金高強(qiáng)度鋼，尺寸為150 mm×20 mm×4 mm。試驗(yàn)用螺釘為GB846-85-ST3.5x40-C-H 十字槽沉頭自攻鍍鋅螺釘。

1.2　試樣制作

挑選木材端面年輪分布規(guī)則的無缺陷弦切規(guī)格材，經(jīng)精截加工后對(duì)木構(gòu)件端面采用熱風(fēng)槍進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，直至端面出現(xiàn)200 條·dm-2以上裂紋，最后按增強(qiáng)涂層纖維內(nèi)短外長的雙層結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合。復(fù)合工藝參數(shù)：碳纖維用量170 g·m-2，施膠量350 g·m-2，復(fù)合壓力0.10 MPa，施壓方式為非剛性施壓，涂層結(jié)構(gòu)為內(nèi)層碳纖維長為0.5 mm涂層，外層為2 mm涂層[5]。在復(fù)合試件中間位置按《GB50005—2003木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]要求先鉆孔后擰入螺釘，基本參數(shù)：導(dǎo)孔直徑2 mm，導(dǎo)孔深30 mm，木螺釘擰入深度36 mm，試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3　測試方法

圖1　釘節(jié)點(diǎn)抗剪試件結(jié)構(gòu)及測試裝置Fig. 1　Diagram of a shearing specimen with screw joint and testing device

圖2　加載方式Fig. 2　Loading ways

釘節(jié)點(diǎn)抗剪測試如圖1所示，在三思萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上采用單剪加載方式進(jìn)行木構(gòu)件端部節(jié)點(diǎn)抗剪試驗(yàn)，加載波形為梯形波（如圖2），即在每次剪切交變荷載循環(huán)過程中，在交變荷載最大值和最小值處都分別加上保持時(shí)間t1，使得在每次循環(huán)過程中，釘節(jié)點(diǎn)既承受疲勞損傷，又在保載期內(nèi)同時(shí)承受蠕變損傷，加載保持時(shí)間t1分別為3 s、6 s、9 s，時(shí)間由程序自動(dòng)控制。單調(diào)荷載剪力測試時(shí)試驗(yàn)機(jī)加載速率為5 mm·min-1。交變荷載抗剪測試時(shí)初始加載階段加載速率為5 mm·min-1，交變荷載階段加載或卸載速率為300 N·s-1。

交變荷載采用3種加載方式，即低幅荷載、高幅荷載及變幅荷載，低幅荷載指交變荷載最小值最大值分別為500 N、1 000 N，即荷載變化幅度為500 N。高幅荷載指交變荷載的最小值、最大值分別為100 N、1 000 N，即荷載變化幅度為900 N。低幅及高幅荷載每周期荷載極值保持時(shí)間3、6或9 s，總交變加載時(shí)間5 400 s。變幅荷載指四階段遞進(jìn)式加載，即第一階段交變荷載最小值最大值分別取500 N、700 N（極值保持時(shí)間3 s，交變加載時(shí)間1 800 s），第二階段交變荷載最小值最大值分別取400 N、800 N（極值保持時(shí)間3 s，交變加載時(shí)間1 800 s），第三階段交變荷載最小值最大值分別取300 N、900 N（極值保持時(shí)間3 s，交變加載時(shí)間1 800 s），第四階段交變荷載最小值最大值分別取200 N、1 000 N（極值保持時(shí)間3 s，交變加載時(shí)間1 800 s）。交變加載試驗(yàn)分16組，每組6個(gè)試件，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

交變荷載剪切位移增量指交變荷載測試結(jié)束時(shí)剪切位移極限值與單調(diào)荷載下加載至1 000 N時(shí)剪切位移之差。

2　結(jié)果與分析

2.1　單調(diào)荷載下釘節(jié)點(diǎn)受剪性能

圖3為木構(gòu)件增強(qiáng)端面及木材端面釘節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載下剪力位移曲線，在幾種木構(gòu)件端部的釘連接方式中，構(gòu)件端部釘節(jié)點(diǎn)受剪行為幾乎呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。對(duì)于木材端面而言，釘節(jié)點(diǎn)在加載過程中，隨著剪切位移的增加，節(jié)點(diǎn)承受的剪力呈線性急速遞增，此階段螺釘螺紋與木材纖維相互咬合牢靠，螺釘周圍木材纖維提供足夠支撐應(yīng)力，木螺釘處于彈性受剪狀態(tài)；達(dá)彈性范圍極限值后，剪力隨剪切位移的增加幾乎保持恒定，此階段釘節(jié)點(diǎn)由受剪狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗艉褪芾瓲顟B(tài)，螺釘周圍一側(cè)木材出現(xiàn)嚴(yán)重變形并伴隨細(xì)微裂紋產(chǎn)生，螺釘產(chǎn)生了側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)，因螺釘剛性較大，未出現(xiàn)明顯變形；隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，剪力隨剪切位移平緩增加，此階段螺釘出現(xiàn)剪彎變形，剪切位移大幅增加。對(duì)于碳纖維增強(qiáng)端面而言，剪力達(dá)彈性范圍極限值后，螺釘出現(xiàn)局部剪彎變形，螺釘周圍碳纖維增強(qiáng)涂層未出現(xiàn)明顯變形。

表 1　交變荷載試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1　Experimental design for screw joints shearing resistance capacity under alternating load

圖3　木構(gòu)件增強(qiáng)端部節(jié)點(diǎn)典型載荷位移曲線Fig. 3　Curve of screw shearing capacity of wood members’end under monotonic load

木構(gòu)件增強(qiáng)端面微應(yīng)變分布云圖采用數(shù)字圖像法（DIC-3D系統(tǒng)）測得，即在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件釘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單軸拉升，測量單軸拉升過程試件表面的全場位移與應(yīng)變。DIC-3D系統(tǒng)是非接觸式的光學(xué)三維變形測量系統(tǒng)，用于計(jì)算、分析和記錄變形，該系統(tǒng)通過數(shù)字相機(jī)采集試件加載前后的散斑圖像，經(jīng)數(shù)字圖像相關(guān)方法計(jì)算出網(wǎng)格點(diǎn)圖像坐標(biāo)，并通過相機(jī)標(biāo)定參數(shù)將圖像坐標(biāo)重投影到世界坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)試件的變形測量。圖4為典型落葉松木構(gòu)件試件在2 kN剪力下增強(qiáng)端面應(yīng)變分布實(shí)測云圖，釘節(jié)點(diǎn)周圍微應(yīng)變較大，在剪力作用下，釘周圍上方下方均出現(xiàn)了較大的應(yīng)變，表明碳纖維增強(qiáng)涂層整體性較好，有效分散了釘孔邊緣一側(cè)承受的較大應(yīng)力。應(yīng)變云圖中釘孔上方區(qū)域顯示拉應(yīng)變狀態(tài)，是由于釘節(jié)點(diǎn)在剪力作用下試樣木材端部因較大拉力引起的整體彈性變形高于釘節(jié)點(diǎn)局部擠壓變形所致。

圖4　落葉松木構(gòu)件增強(qiáng)端面數(shù)字圖像法微應(yīng)變云Fig. 4　Micro-strain cloud diagram of reinforcedLarix olgensiswood member’s end face

木構(gòu)件釘節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)端面與木材端面在彈性范圍剪力極值存在較大差異（如表2所示），水曲柳及落葉松增強(qiáng)端面的剪力極值分別提高了102.54%、78.23%，碳纖維涂層硬度高、強(qiáng)度大，同時(shí)與木材端面能牢固結(jié)合，大大提升了釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能。彈性范圍剪力極值可用來評(píng)價(jià)增強(qiáng)后端面釘節(jié)點(diǎn)的抗剪性能。水曲柳及落葉松增強(qiáng)端部的變異系數(shù)比木材端面低，表明增強(qiáng)端面測得數(shù)值較穩(wěn)定，增強(qiáng)端面釘節(jié)點(diǎn)受木材材質(zhì)變異性影響較小。

2.2　不同交變加載方式釘節(jié)點(diǎn)受剪性能

由圖5可見，木構(gòu)件端面釘節(jié)點(diǎn)在恒幅交變荷載下位移隨時(shí)間變化規(guī)律幾乎一致，在初始階段，釘節(jié)點(diǎn)剪切位移增加速率較大，隨著時(shí)間的延續(xù)，速率逐步減??；在穩(wěn)定階段，釘節(jié)點(diǎn)剪切位移增加速率較小，且?guī)缀鹾愣ǎ撾A段位移時(shí)間曲線表現(xiàn)為一定傾斜角度的直線段。恒幅交變荷載下剪切位移時(shí)間曲線呈現(xiàn)了恒荷載下的蠕變變形短期特征，即非穩(wěn)定初始蠕變階段及等速蠕變階段。交變荷載幅度使剪切位移產(chǎn)生了約0.1～0.2 mm的變化幅度，剪切位移變化幅度隨交變荷載幅度增大而增大，在不同樹種及不同端面間位移變化幅度差異較小，在整個(gè)加載過程剪切位移變化幅度隨時(shí)間延續(xù)變化不明顯。

表 2　單調(diào)荷載下釘節(jié)點(diǎn)彈性范圍剪力極值Table 2　Shearing extreme values of screw joints under monotonic load

圖5　典型木構(gòu)件端面節(jié)點(diǎn)恒幅荷載下位移時(shí)間曲線Fig. 5　Curve of screw shearing capacity of wood members’end under constant amplitude load

由圖6可見，變幅荷載加載方式是由低幅荷載（500～700 N）分4階段逐步遞進(jìn)增加至高幅荷載（200～1 000 N），各階段剪切位移增量逐步遞增，在第三、四階段剪切位移增量顯著。交變荷載幅度是加速剪切變形的主要因素。

圖6　典型試件變幅荷載下荷載位移曲線Fig. 6　Curve of screw shearing capacity of wood members’end under variable amplitude load

由圖7可見，高幅荷載下不同樹種及不同端面釘節(jié)點(diǎn)位移剪切增加量均大于低幅荷載，木材端節(jié)點(diǎn)更顯著。低幅荷載（500～1 000 N）的平均荷載比高幅荷載（100～1 000 N）大200 N，節(jié)點(diǎn)剪切位移增加量卻偏低，在荷載極值一致的前提下，交變荷載變化幅度是影響剪切位移增加量的主要因素。交變荷載加載過程是疲勞損傷和蠕變損傷疊加的過程，釘節(jié)點(diǎn)抵抗疲勞損傷的性能較弱。木材端面釘節(jié)點(diǎn)是由木螺釘、木構(gòu)件端部釘孔周圍木纖維組成，當(dāng)釘受剪時(shí)，釘孔一側(cè)縱向排列的木纖維提供支撐，木材組織疏松、空隙多、硬度低等，高幅交變荷載對(duì)側(cè)向支撐的木纖維沖擊較大，易產(chǎn)生擠壓變形，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)細(xì)微裂紋。對(duì)于增強(qiáng)端面，釘受剪時(shí)以碳纖維增強(qiáng)層側(cè)向支撐為主，交變荷載引起的沖擊易使剛性較大較脆的增強(qiáng)涂層產(chǎn)生細(xì)微小顆粒損傷，隨時(shí)間延續(xù)損傷逐步累積。試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)木材端面及增強(qiáng)端面釘孔一側(cè)都出現(xiàn)了邊緣擴(kuò)大的現(xiàn)象。

圖7　不同剪力幅度釘節(jié)點(diǎn)剪切性能Fig. 7　Screw shearing capacity of wood members’ end with different shear amplitude

變幅荷載引起的剪切位移增量均高于低幅和高幅荷載，這是由于變幅荷載總加載周期較長，是低幅和高幅荷載的1.33倍。加載時(shí)間越長引起的剪切蠕變變形越大。

2.3　不同加載保持時(shí)間釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能

圖8　不同加載保持時(shí)間釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能Fig. 8　Screw shearing capacity of wood members’ end with different load retention time

由圖8可見，各周期極限荷載加載保持時(shí)間對(duì)釘節(jié)點(diǎn)剪切位移增量影響顯著，隨著加載保持時(shí)間延長剪切位移增量減小，水曲柳木材端面及增強(qiáng)端面節(jié)點(diǎn)9 s時(shí)剪切位移增量比3 s時(shí)分別降低了0.457 mm、0.044 mm。加載保持時(shí)間短則加載頻率高，在總的加載周期5 400 s內(nèi)釘孔壁承受荷載沖擊作用次數(shù)多，對(duì)釘孔一側(cè)邊緣木材損傷加大。文獻(xiàn)[15]提到的疲勞/蠕變交互作用下竹木復(fù)合層合板抗彎性能結(jié)果相反，周期內(nèi)加載保持時(shí)間是導(dǎo)致?lián)p傷的主要因素，其原因可能是在抗彎極大值處保持一定蠕變時(shí)間，而本研究是在極大極小值處都保持蠕變時(shí)間，極小值處產(chǎn)生了部分彈塑性恢復(fù)減緩了蠕變進(jìn)程；另一方面，釘節(jié)點(diǎn)抗剪測試不同于抗彎，交變荷載引起的沖擊易使釘孔邊緣外側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中，邊緣產(chǎn)生細(xì)微損傷并累積，交變加載頻率越高損傷累積越多，從而出現(xiàn)局部“擴(kuò)孔”現(xiàn)象。

2.4　不同樹種釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能

由圖9可見，水曲柳與落葉松間交變荷載引起的位移增量存在一定的差異，木材端面水曲柳低幅及高幅荷載剪切位移增量高于落葉松，而增強(qiáng)端面水曲柳卻低于落葉松。水曲柳木材為環(huán)孔闊葉材，孔隙比落葉松木材多，木材的實(shí)質(zhì)含量少，木材端面孔隙提供的側(cè)向支撐作用小，交變荷載易使木纖維擠壓密實(shí)。對(duì)于增強(qiáng)端面，水曲柳孔隙多卻有利于碳纖維滲入，在進(jìn)行端面工藝復(fù)合時(shí)有更多碳纖維進(jìn)入了木材端部縫隙及孔隙，大大改善了木構(gòu)件端部強(qiáng)度和剛度。

2.5　不同端部釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能

圖9　不同樹種釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能Fig. 9　Screw shearing capacity ofFraxinus mandshuricaandLarix olgensiswood members’ end

圖10　不同端部釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能Fig.10　Screw shearing capacity of reinforced and unreinforced wood members’ end

由圖10可見，增強(qiáng)端部在高幅、低幅及變幅交變荷載下的剪切位移增加值均遠(yuǎn)小于同樹種的木材端部，水曲柳木材端面增加量是增強(qiáng)端面的3倍以上，碳纖維增強(qiáng)端面均表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗剪性能，木構(gòu)件端部增強(qiáng)后能很好的抵抗交變荷載帶來的影響。碳纖維剛性大，硬度高，與木材結(jié)合牢靠后大大提高了木材端部橫向抗剪性能。另外，不同端面都施加的相同交變荷載，對(duì)木材端面而言，該荷載接近其允許的極限值，應(yīng)力水平高，而增強(qiáng)端面相反，增強(qiáng)端在這期間始終處于低應(yīng)力水平階段，安全邊界較高。

3　結(jié)論與討論

采用粉狀碳纖維增強(qiáng)水曲柳及落葉松木構(gòu)件端部，是提高其端部釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能有效技術(shù)手段。在單調(diào)荷載下，碳纖維增強(qiáng)后的水曲柳和落葉松木材端部釘節(jié)點(diǎn)抗剪力得到大幅改善，分別提高了102.54%和78.23%。

交變荷載能加速木構(gòu)件端部釘節(jié)點(diǎn)損傷進(jìn)程，交變荷載加載過程是疲勞損傷和蠕變損傷疊加的過程，交變荷載頻率及荷載變化幅度是影響釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能的主要因素；交變荷載引起的沖擊易使釘孔邊緣外側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中，邊緣產(chǎn)生細(xì)微損傷并累積，交變加載頻率越高損傷累積越多，易出現(xiàn)局部“擴(kuò)孔”現(xiàn)象，周期內(nèi)加載保持時(shí)間不是影響剪切位移增量的主要因素。

不同樹種及不同端面釘節(jié)點(diǎn)剪切位移增量差異明顯，增強(qiáng)端部在高幅、低幅及變幅交變荷載下的剪切位移增值均遠(yuǎn)小于同樹種的木材端部，水曲柳木材端面增量是增強(qiáng)端面的3倍以上，碳纖維增強(qiáng)端面均表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗剪性能，文獻(xiàn)[11]中碳纖維增強(qiáng)后的木構(gòu)件端面握釘性能也反映了這一特性。剪切位移增量可用作評(píng)價(jià)交變荷載下釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能優(yōu)劣的參數(shù)。

增強(qiáng)端面釘節(jié)點(diǎn)剪切破壞模式主要表現(xiàn)為釘孔邊緣碳纖維涂層出現(xiàn)局部變形及釘剪切變形。在一定的加載周期內(nèi)，增強(qiáng)后的水曲柳及落葉松木構(gòu)件端面具有更優(yōu)異的抗疲勞及蠕變性能，能有效阻止木構(gòu)件端面裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展?？紤]到實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的需要，將進(jìn)一步研究木構(gòu)件端面大直徑釘抗剪性能及多釘群體效應(yīng)。