鋼夾板—螺栓連接膠合木抗剪性能試驗研究

陳愛軍，牛 東，占雪芳，王解軍，彭容新，姚嘉帥

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

膠合木作為一種新型綠色建筑材料已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的梁、柱和桁架體系中。為滿足大跨結(jié)構(gòu)的需要而采用多種適宜于木結(jié)構(gòu)的連接方式來實現(xiàn)膠合木長度的跨越，如榫卯連接、銷類連接、鋼夾板—螺栓連接等。Wataruet al.[1]、Mettem[2]、樊承謀等[3]、張晉等[4]分別從不同角度對膠合木連接件的受力性能進(jìn)行相關(guān)研究。但是從國內(nèi)外現(xiàn)有的研究情況來看，鋼夾板—螺栓連接膠合木的抗剪性能試驗研究相對較少。本文中通過鋼夾板—螺栓連接膠合木試件的剪切靜載試驗和有限元模擬計算相結(jié)合的方法來探討螺栓間距和布置方式對其抗剪性能的影響。

1 試驗概況

1.1 構(gòu)件設(shè)計與制作

本研究根據(jù)文獻(xiàn)[5]關(guān)于螺栓連接設(shè)計的相關(guān)規(guī)定，膠合木厚度取80 mm，六角螺栓為8.8級，公稱直徑為8 mm，Q345鋼板厚度為8 mm。螺栓并、錯列連接件最小橫向間距和最小豎向間距分別取30、100 mm，螺栓總長度滿足整個連接結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計并超出1.5 d（d表示螺栓直徑），螺紋絲口長度大于2 cm，鋼夾板以及膠合木的預(yù)鉆孔徑取比螺栓直徑大1 mm。各試件組的具體參數(shù)見表1。

表1 試件尺寸Table1 Test specimen size mm

設(shè)計并制作12組，每組3個，共36個鋼夾板-螺栓連接膠合木試件。其中B1、B2、B3、B4分別為3行1列～4列螺栓，采用并列布置；C1、C2、C3、C4分別為3行1列～4列螺栓，采用錯列布置。鑒于試驗條件和進(jìn)程，本次只對并列布置試件的螺栓間距對抗剪性能造成的影響進(jìn)行探究，分別設(shè)計J100、J150、J200、J250（螺栓間距分別為100、150、200、250 mm）4組連接構(gòu)件，螺栓總數(shù)均為2列×3行=6個，螺栓并列布置。

1.2 試驗材料

試驗用膠合木材料的力學(xué)參數(shù)取值如表2所示，其中彈性模量E根據(jù)文獻(xiàn)[6]中所提供的方法并通過10個構(gòu)件（尺寸20 mm×20 mm×20 mm）的材性試驗確定，剪切模量G和泊松比υ根據(jù)相關(guān)規(guī)范[7]的規(guī)定來確定。

表2 膠合木的材料力學(xué)參數(shù)?Table2 Larch material mechanical parameters

螺栓和鋼夾板的材性數(shù)據(jù)由廠商提供，其中8 mm厚鋼夾板的彈性模量為2.06×105MPa，屈服強(qiáng)度為310 MPa；螺栓的彈性模量為2.06×105MPa，屈服強(qiáng)度為580 MPa。

1.3 試驗加載與測試

采用如圖1所示試驗裝置進(jìn)行試驗加載，為檢驗儀器設(shè)備是否正常工作，在正式加載前采用承載力10%的加載量進(jìn)行預(yù)加載。正式加載時以500 N/S的速度均速加載。加載過程中采用量程為30 mm、測量精度為0.01 mm的位移計進(jìn)行滑移值測量，同時采用東華DH3818靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)變測試。

圖1 試驗加載裝置Fig.1 Test setup

當(dāng)位移計中所測滑移值超過15 mm或者膠合木開裂破壞時停止加載，并記錄最大荷載。整個加載試驗中觀察試件的受力過程及破壞模式。

2 有限元數(shù)值模擬

采用ANSYS有限元分析軟件建立鋼夾板-螺栓連接膠合木三維實體模型進(jìn)行數(shù)值計算。

2.1 有限元模型的建立

有限元單元均采用Solid186（八節(jié)點六面體非協(xié)調(diào)模式單元）。在膠合木與鋼板之間、螺栓頭與鋼夾板、螺母與鋼夾板之間、螺栓桿與螺栓孔之間創(chuàng)建面-面接觸對，接觸面摩擦系數(shù)為0.3。采用多域掃掠型（MultiZone）網(wǎng)格劃分，以六面體為主。模型計算時采用荷載加載模式，在膠合木頂部施加均布荷載。

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

模型主要考慮在順紋方向的木材抗壓強(qiáng)度，所以利用ANSYS對鋼夾板-螺栓連接膠合木進(jìn)行分析時，假定膠合木在彈性階段為正交各向異性線彈性，在塑性階段為各向同性，即在軸向、徑向與切向3個方向采用相同的本構(gòu)關(guān)系?？紤]到試件破壞前主要承受木材順紋抗壓性能影響，模型中膠合木塑性階段的本構(gòu)關(guān)系按照順紋受壓材性試驗結(jié)果設(shè)置。其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：σ和ε分別表示膠合木應(yīng)力和相應(yīng)的應(yīng)變；E為試件線性階段抗壓彈性模量，即εL為試件比例極限強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變值，一般取峰值應(yīng)變的0.45～0.60；εE為試件的峰值應(yīng)變；σL為試件峰值應(yīng)力；A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4分別為經(jīng)驗系數(shù)[8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 破壞過程及特征

并列組試件B1～B4的試驗現(xiàn)象：B1試件在荷載加至40.1 kN時，滑移達(dá)到0.8 mm，膠合木出現(xiàn)第一聲微弱聲響，此時螺栓有彎曲但并不明顯；荷載達(dá)到107 kN時，荷載不再增加但是滑移繼續(xù)變大，最后膠合木沿列螺栓連線位置發(fā)生順紋劈裂破壞；B2、B3、B4前期變化過程大體與B1相似，但最終破壞方式有所區(qū)別。B2為沿兩列螺栓連線位置順紋劈裂破壞。B3與B4為沿外側(cè)兩列螺栓連線位置順紋劈裂破壞，而中間木材未開裂。4組試件螺栓彎曲程度均從上至下逐漸減小。

錯列組試件C1～C4的試驗現(xiàn)象：C1試件在荷載加至50.6 kN時，滑移值為1.1 mm并開始發(fā)出微弱響聲；當(dāng)荷載達(dá)到151 kN時，荷載不再增加但滑移持續(xù)增加，最終螺栓彎曲，木材沿最上排螺栓孔位置發(fā)生順紋劈裂破壞；C2、C3、C4變化過程大體與C1相似，均沿最上排螺栓孔位置發(fā)生順紋劈裂破壞，螺栓彎曲程度也是從上至下逐漸減小。

J100-J250的試驗現(xiàn)象：J100隨著荷載的增大，可以聽到鋼板與膠合木之間的摩擦聲及木材輕微的開裂聲，螺栓頭部逐漸擠壓木材向內(nèi)凹陷。當(dāng)荷載為145 kN時，荷載不變但滑移持續(xù)增加，膠合木破壞聲變大，最終木材沿兩列螺栓連線位置順紋劈裂破壞。J150、J200、J250變化過程與J100相似，螺栓發(fā)生了明顯的彎曲變形。

產(chǎn)生上述破壞模式的主要原因是連接膠合木的螺栓長細(xì)比較大，抗彎剛度相對較小，試驗中膠合木和螺栓之間發(fā)生明顯的剪切變形，所以鋼板和膠合木連接部分的變形主要集中于螺栓處。構(gòu)件傳力過程中荷載分布的不均勻會造成同一排螺栓中最外側(cè)螺栓所分配的剪力大而容易破壞，所以就呈現(xiàn)出木材沿兩外側(cè)螺栓位置順紋開裂的現(xiàn)象。

3.2 承載力分析

鋼夾板—螺栓連接膠合木抗剪性能的主要評價依據(jù)是極限荷載與屈服荷載。根據(jù)試驗得到的結(jié)果如表3所示。對于無明顯屈服點的試件，采用拐點法[9]，通過荷載—位移曲線得到的拐點即為試件的屈服點。

表3 主要階段試驗結(jié)果?Table3 Test results of main stages

由表3可得，隨著螺栓數(shù)量的增加，試件的最大位移也會增大。在相同螺栓數(shù)量下，螺栓錯列布置的最大位移大于并列布置的最大位移。其主要原因是：螺栓孔對膠合木截面的削弱程度螺栓錯列布置比并列布置小。

對比并、錯列鋼夾板—螺栓連接膠合木試件的極限荷載可得到極限荷載與螺栓列數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)性。對比同等數(shù)目螺栓的鋼夾板—螺栓連接膠合木構(gòu)件的極限承載力，得到螺栓錯列布置的抗剪性能比并列布置強(qiáng)。

對于雙列螺栓而言，隨著螺栓間距的增加，極限載荷與屈服荷載都呈現(xiàn)出增加趨勢。由于多個螺栓布置，螺栓受力分配不均，最先破壞的螺栓位于離荷載接觸端最近處。

3.3 試驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比分析

本文采用直接式線性方程求解法進(jìn)行計算，分別將B2、C2與B3、C3分為兩組，通過對比分析了并、錯列方式對鋼夾板—螺栓連接膠合木抗剪性能的影響。膠合木的變形圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，膠合木的應(yīng)力主要集中在螺孔附近，且出現(xiàn)較大的局部塑性變形。螺栓的最大應(yīng)力位于其與鋼板的接觸位置，這與試驗中螺栓的變形情況吻合。

圖2 膠合木變形圖Fig.2 The offset wood deformation drawing

試驗結(jié)果與計算結(jié)果如表4和圖3所示。從表4中可看出，試驗結(jié)果與計算結(jié)果的相對差值介于4.9%～9%之間，說明數(shù)值模擬與試驗吻合度較好。該模型可以用于鋼夾板—螺栓連接膠合木抗剪性能的計算。

表4 試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比Table4 Comparison between test results and calculation results

由圖3同樣可以看出，螺栓錯列布置的抗剪性能優(yōu)于并列布置，且在彈性階段計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較好，進(jìn)入塑性階段后計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較差，表明在試驗過程中螺栓與膠合木之間發(fā)生的相對滑移較大。

3.4 不同螺栓列數(shù)試件的剛度分析

鋼夾板-螺栓連接膠合木在螺栓間距試驗中，根據(jù)試驗結(jié)果得到的初始剛度與屈服后剛度如表5所示。螺栓間距不同的4組試件的試驗結(jié)果表明：隨著螺栓間距的增大，試件初始剛度和屈服后剛度均呈減小的趨勢，剛度變化幅度亦均在減弱，且屈服后剛度的變化幅度比初始剛度的變化幅度更小。這也充分表明：由于膠合木材料的特性，螺栓間距較小的試件的初始剛度相對較大，容易發(fā)生劈裂。所以增大螺栓間距能夠避免膠合木過早發(fā)生劈裂。

圖3 試驗結(jié)果與計算結(jié)果荷載—滑移曲線對比Fig.3 Comparison of load slip-curve between test results and calculated results

表5 試驗剛度對比Table5 Comparison of stiffness

4 結(jié) 論

通過對鋼夾板—螺栓連接膠合木抗剪性能靜載試驗得出如下結(jié)論：

（1）所有試件的應(yīng)力和變形都呈現(xiàn)出上大下小的規(guī)律，并隨著螺栓列數(shù)的增加，應(yīng)力和變形減小幅度增大，但螺栓列數(shù)與間距均不影響應(yīng)力與變形上大下小的規(guī)律。

（2）當(dāng)材料規(guī)格和螺栓個數(shù)相同時，錯列抗剪能力比并列大；螺栓列數(shù)與極限荷載、屈服荷載呈非線性關(guān)系且正相關(guān)，并隨著螺栓列數(shù)的增加，抗剪能力也相應(yīng)提高。

（3）在本試驗的多排螺栓連接中，隨著螺栓間距的增大，初始剛度呈減小趨勢，極限荷載與屈服荷載呈增大趨勢。

（4）本文僅對螺栓間距和螺栓的并列和錯列布置對鋼夾板—螺栓連接膠合木的抗剪性能進(jìn)行試驗研究和數(shù)值模擬。鋼夾板—螺栓連接膠合木的抗剪性能受木材材性、木材膠合技術(shù)、木材紋理、木材加工工藝等諸多因素的影響。所以對鋼夾板—螺栓連接膠合木力學(xué)性能的研究，還需進(jìn)一步開展系列相關(guān)的試驗和理論研究，逐步完善木結(jié)構(gòu)連接的設(shè)計和計算理論。