多榀木桁架的靜載試驗(yàn)及其承載能力

王菲彬,滕啟城,高一帆,陳秋韻,王長(zhǎng)菊,闕澤利

(南京林業(yè)大學(xué) a.風(fēng)景園林學(xué)院；b.材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210037)

輕型木桁架(light wood truss)作為一種重要的工程木產(chǎn)品在歐美等國(guó)家的木結(jié)構(gòu)建筑中得到了廣泛應(yīng)用。輕型木桁架以其輕質(zhì)高強(qiáng)、預(yù)制化程度高以及施工靈活等優(yōu)勢(shì)，不僅用于多種結(jié)構(gòu)形式的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)屋蓋、樓蓋體系，在城市老舊房屋“平改坡”工程中也得到了大力推廣和應(yīng)用[1-2]。在輕型木桁架屋蓋和樓蓋體系中，存在一些特殊位置的木桁架，該類桁架除受到上部均布荷載外，還同時(shí)承擔(dān)與其搭接的木桁架傳遞的集中荷載，其受力較為復(fù)雜，普通單榀木桁架難以滿足實(shí)際要求[3]。此外，隨著大型公共木結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)的發(fā)展，一些大跨、懸挑結(jié)構(gòu)中也需要具有更大承載能力的木桁架[4]。實(shí)際工程中，提高木桁架承載能力的方案有：采用大截面規(guī)格材加工木桁架；將多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的單榀木桁架通過(guò)連接件組合形成多榀木桁架(girder truss)。《輕型木桁架技術(shù)規(guī)范》(JGJ/T 265—2012)[5]中僅對(duì)采用釘連接的多榀木桁架作了釘行數(shù)和間距的要求，且釘連接具有易銹蝕，不美觀等缺點(diǎn)，而木質(zhì)連接件在這方面有較大的優(yōu)勢(shì)[6-7]。

木桁架是建筑中重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其承載能力關(guān)乎整體結(jié)構(gòu)的安全性能。許曉梁等[8]通過(guò)多組試驗(yàn)研究了輕型三角形木桁架的荷載-變形關(guān)系及可能的破壞形式。況宜[9]采用應(yīng)變花觀測(cè)輕型三角形木桁架齒板的應(yīng)力變化，分析了齒板連接節(jié)點(diǎn)的受力性能。闕澤利等[10]結(jié)合多榀木桁架的連接節(jié)點(diǎn)性能、承載性能與破壞機(jī)理等系統(tǒng)地分析了多榀木桁架的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。目前，對(duì)組合型輕型平行弦木桁架的試驗(yàn)研究鮮有報(bào)道，筆者采用木銷連接制備一種多榀木桁架，并與構(gòu)成多榀中的單榀木桁架、與多榀等厚的單榀木桁架形成對(duì)照，深入研究該多榀木桁架的承載能力、抗變形能力以及破壞機(jī)理，探究木桁架承載能力的主要影響因素。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用的單榀輕型木桁架由齒板連接規(guī)格材滾壓而成。規(guī)格材為俄羅斯進(jìn)口落葉松(LarixgemliniiRupi.)，材質(zhì)等級(jí)為Ⅱc級(jí)，密度為0.657 g/cm3，平均含水率為17.4%，規(guī)格材基礎(chǔ)材料性能如表1。齒板采用中國(guó)產(chǎn)鍍鋅齒板，齒板厚0.9 mm，板齒面密度為1.2個(gè)/cm2，齒長(zhǎng)8.6 mm，齒板所用鋼材彈性模量為203 GPa，屈服強(qiáng)度為248 MPa。連接多榀木桁架的木銷為櫸木(SchneiderZelkova)光面銷，直徑16 mm，長(zhǎng)12 cm。

注：標(biāo)*值為標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2 桁架形式

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了普通單榀平行弦木桁架(PT-S)、大截面單榀平行弦木桁架(PT-D)和新型多榀木桁架(PT-G)，除截面不同(如圖1)，3種木桁架具有如圖2所示的相同結(jié)構(gòu)形式和平面尺寸。PT-S是由MiTek公司的木桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件和滾壓式輕型木桁架流水線完成的結(jié)構(gòu)拆分和構(gòu)件制備。PT-G由2個(gè)相同結(jié)構(gòu)的 PT-S采用木銷連接而成，如圖3。多榀木桁架木銷連接的位置依據(jù)平行弦桁架的受力特點(diǎn)，設(shè)定在多榀木桁架上、下弦每節(jié)間的中部[11]，銷孔直徑為15.5 mm，木銷旋入后形成過(guò)盈配合。平行弦桁架受上部均布荷載作用時(shí)，若將上下弦每個(gè)節(jié)間視為一根簡(jiǎn)支梁，其中部彎矩最大，剪力最小。弦桿的銷孔會(huì)降低其抗剪性能，所以，將木銷連接的位置設(shè)定在木桁架受到上部均布荷載時(shí)剪力最小處，即每節(jié)間的中部，最大程度減小弦桿開(kāi)孔所產(chǎn)生的不利影響。

圖1 3種木桁架側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Side schematic diagram of three kinds of

圖2 桁架平面圖、位移傳感器布置及加載示意Fig.2 The plan of floor truss, arrangement of displacement

圖3 多榀木桁架構(gòu)成示意圖Fig.3 Schematic diagram of girder

1.3 確定標(biāo)準(zhǔn)荷載

《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50329—2012)[12]中的木桁架分級(jí)加載試驗(yàn)方法將加載程序分為3個(gè)階段：預(yù)加載階段T1、標(biāo)準(zhǔn)荷載加載階段T2和破壞性加載階段T3，如圖4。單榀木桁架(PT-S)的上弦節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)承載力計(jì)算時(shí)選取《木結(jié)構(gòu)建筑》(14J924)中樓蓋平行弦桁架和樓蓋木桁架的常見(jiàn)安裝間距406 mm，應(yīng)用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)恒載和活載分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算。

恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.885×0.406=0.359 kN/m

桁架自重：0.106×0.406=0.043 kN/m

雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.5×0.406=0.203 kN/m

活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：2.0×0.406=0.812 kN/m

荷載設(shè)計(jì)值：(0.359+0.043)×1.2+(0.203+0.812)×1.4≈1.9 kN/m

節(jié)點(diǎn)所受荷載：1.9×5.2÷5≈1.98 kN

得到木桁架上弦節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)承載力為1.98 kN。試驗(yàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載Pk直接取為1.98 kN。兩對(duì)照組單榀木桁架PT-S、PT-D以1.98 kN標(biāo)準(zhǔn)荷載進(jìn)行3階段分級(jí)加載；多榀木桁架PT-G以1.98 kN標(biāo)準(zhǔn)荷載進(jìn)行T1、T2兩個(gè)階段試驗(yàn)(PT-G1)后，再以2個(gè)單榀木桁架的標(biāo)準(zhǔn)荷載，即3.96 kN，作為T2階段的新標(biāo)準(zhǔn)荷載進(jìn)行3階段加載試驗(yàn)(PT-G2)。

圖4 木桁架試驗(yàn)分級(jí)加載制度Fig.4 Multi-stage loading system for truss

1.4 加載方式

為實(shí)現(xiàn)木桁架逐級(jí)加載和滿足對(duì)木桁架保載的要求，參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E73-13[13]中推薦的桁架節(jié)點(diǎn)重物加載的方式，自主設(shè)計(jì)一套如圖5所示的木桁架靜載試驗(yàn)加載裝置。

圖5 木桁架靜載試驗(yàn)加載裝置Fig.5 Truss assemblies with point

采用杠桿原理對(duì)配重進(jìn)行放大，工字鋼杠桿長(zhǎng)2 m，采用1∶4的力臂關(guān)系，實(shí)現(xiàn)等效集中荷載作用于木桁架上弦各節(jié)點(diǎn)。加載時(shí)在吊籃上放置精確稱量的沙袋，質(zhì)量為10 kg，每加一個(gè)沙袋，等于在木桁架上弦桿節(jié)點(diǎn)施加0.4 kN的作用力。

1.5 測(cè)試項(xiàng)目

測(cè)試項(xiàng)目為木桁架在分級(jí)加載過(guò)程中桁架上下弦節(jié)點(diǎn)的撓度。通過(guò)接入TDS-530型數(shù)據(jù)采集儀的10個(gè)YWC型位移傳感器，對(duì)桁架各節(jié)點(diǎn)各階段下的變形情況進(jìn)行持續(xù)、原位自動(dòng)采集，采集頻率為0.1。位移傳感器布置位置如圖2所示。

2 結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

木桁架靜力加載試驗(yàn)采用分級(jí)施加的方式，以桁架最終破壞時(shí)加載的級(jí)數(shù)作為最終加載級(jí)數(shù)，破壞前的一級(jí)為木桁架的極限荷載。3種桁架的極限荷載和各階段下弦跨中最大撓度如表2所示。

表2 3種木桁架分級(jí)加載試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of three kinds of truss test

注：PT-G1以Pk為標(biāo)準(zhǔn)荷載，PT-G2以2Pk為標(biāo)準(zhǔn)荷載。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)荷載階段下弦跨中撓度對(duì)比

圖6(a)為標(biāo)準(zhǔn)荷載階段T2下3種木桁架的下弦跨中撓度的對(duì)比，可以看出，在1.98 kN標(biāo)準(zhǔn)荷載下，PT-G1的下弦跨中撓度

圖6 標(biāo)準(zhǔn)荷載階段木桁架的撓度特征Fig.6 The deflection of truss in

2.3 T3階段荷載與下弦跨中撓度的關(guān)系

圖7為破壞階段每級(jí)荷載與撓度關(guān)系曲線。PT-D在加載到2.7 kN(第6級(jí)荷載)前與PT-G2的撓度曲線較為接近。PT-S在整個(gè)破壞階段的撓度曲線呈現(xiàn)較好的線性，PT-D在荷載達(dá)到2.7 kN前，荷載-撓度曲線保持線性，繼續(xù)加載后變?yōu)槊黠@的非線性，木桁架PT-D的下弦跨中撓度逐漸增大，直至破壞。PT-G2在加載到標(biāo)準(zhǔn)荷載及后續(xù)分級(jí)加載到第12級(jí)(6.7 kN)時(shí)，荷載-撓度曲線均保持線性，隨后木桁架的撓度增大逐漸加快，且在第17級(jí)荷載時(shí)急劇增大，木桁架最終在第18級(jí)荷載時(shí)破壞。線性階段的剛度為PT-G與PT-D較為接近，但明顯大于PT-S。

圖7 T2階段標(biāo)準(zhǔn)荷載-撓度圖Fig.7 Load-deflection curve in

2.4 破壞現(xiàn)象與分析

木桁架在預(yù)加載T1階段分級(jí)加載中沒(méi)有出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象，卸載至零后，位移計(jì)仍顯示的即為木桁架的殘余變形，木桁架的殘余變形均較小，在1 mm左右，只有PT-G的殘余變形較大，為1.79 mm。SPT-G2的預(yù)加載后殘余變形為0.59 mm，遠(yuǎn)小于SPT-G1的殘余變形，即經(jīng)過(guò)一次1.79 kN標(biāo)準(zhǔn)荷載加載后，木桁架SPT-G的預(yù)加載后殘余變形明顯減小，證明了殘余變形主要由木桁架桿件之間的加工間隙經(jīng)過(guò)預(yù)加載后變?yōu)榫o密而形成。

單榀木桁架(PT-S)分級(jí)加載至標(biāo)準(zhǔn)荷載時(shí)，未出現(xiàn)明顯的現(xiàn)象，木桁架工作良好。在T3階段破壞性加載至2倍標(biāo)準(zhǔn)荷載后，木桁架的下弦跨中撓度沒(méi)有出現(xiàn)急劇增大，但上弦逐漸出現(xiàn)明顯的側(cè)傾現(xiàn)象，最終因?yàn)槟捐旒?PT-S)的上弦桿扭轉(zhuǎn)屈曲破壞(如圖8)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完全失去承載能力，屬于平面外失穩(wěn)。單榀木桁架(PT-S)支座支承面和節(jié)點(diǎn)承載面的截面寬度僅為38 mm，在木桁架跨高比較大時(shí)極易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖8 PT-S失穩(wěn)破壞現(xiàn)象Fig.8 Instability and the failure of

相比之下，單榀木桁架(PT-D)試件的厚度為76 mm，在分級(jí)加載過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生失穩(wěn)。PT-D在T3階段加載至標(biāo)準(zhǔn)荷載過(guò)程中未出現(xiàn)明顯現(xiàn)象，繼續(xù)加載，下弦撓度逐漸加速增大，在4.3 kN(第10級(jí))后一級(jí)加載后立即出現(xiàn)K節(jié)點(diǎn)處齒板拔出，斜腹桿脫落(如圖9)，木桁架整體結(jié)構(gòu)失效。破壞過(guò)程中未產(chǎn)生木材斷裂的聲音，脫落的斜腹桿沒(méi)有明顯破壞特征。木桁架(PT-D)的整體失效呈現(xiàn)脆性破壞特征。

圖9 木桁架PT-D破壞現(xiàn)象Fig.9 Destructive phenomenon of

在T3階段，多榀木桁架(PT-G)分級(jí)加載前期，木桁架沒(méi)有出現(xiàn)明顯現(xiàn)象，直至荷載達(dá)到6.7 kN(第12級(jí))時(shí)，可以觀察到木桁架整體發(fā)生了明顯彎曲變形，繼續(xù)施加荷載，中部多個(gè)節(jié)點(diǎn)處齒板發(fā)生變形、輕微起齒和板齒錯(cuò)動(dòng)。PT-G中一單榀桁架的下弦AB節(jié)間上存在一較大活節(jié)，而節(jié)子產(chǎn)生的應(yīng)力集中容易最先導(dǎo)致破壞[14]。在施加18級(jí)荷載后多榀木桁架(PT-G)下弦桿在AB節(jié)間發(fā)生斷裂(如圖10)，但在另一單榀的承載下，多榀木桁架(PT-G)仍保持著木桁架的有效結(jié)構(gòu)，直至10多分鐘后由于下弦接長(zhǎng)處齒板被剪斷，桁架最終破壞。

圖10 PT-G破壞現(xiàn)象Fig.10 Destructive phenomenon of

2.5 木桁架承載能力分析

2.5.1 極限承載力 由表2知，木桁架PT-S、PT-D和PT-G的極限承載力分別為3.9、4.3和8.7 kN。不同截面尺寸規(guī)格材制備的輕型木桁架在極限承載能力上存在較大的差異。單榀木桁架(PT-D)的試件厚度為PT-S的2倍，極限承載能力僅比PT-S高1級(jí)(0.4 kN)。PT-D試件的規(guī)格材使用量較PT-S增加一倍，但因?yàn)檩p型木桁架的特殊節(jié)點(diǎn)構(gòu)造特點(diǎn)，極限承載能力并沒(méi)有明顯提升。輕型木桁架是由規(guī)格材通過(guò)齒板連接而成，齒板連接木桁架對(duì)板齒嵌入深度要求不小于板齒承載力驗(yàn)算時(shí)的嵌入深度[15]，極限承載力也與齒板節(jié)點(diǎn)的極限承載力密切相關(guān)。木桁架PT-D雖然增加了試件厚度及規(guī)格材厚度，但節(jié)點(diǎn)齒板的面積沒(méi)有增大，板齒嵌入的相對(duì)深度反而減小，有限的齒板極限承載力不能滿足承載更高荷載時(shí)的木桁架對(duì)節(jié)點(diǎn)的要求，使齒板連接的節(jié)點(diǎn)成為整個(gè)木桁架接近破壞時(shí)最薄弱的部位，試驗(yàn)中，PT-D的K節(jié)點(diǎn)處齒板脫齒后，腹桿脫落導(dǎo)致桁架的突然破壞而桿件完好，也表明相對(duì)于桿件的極限承載性能，PT-D節(jié)點(diǎn)較薄弱，所以，木桁架PT-D的極限承載能力并未明顯高于PT-S。通過(guò)僅增大桿件截面尺寸，對(duì)提高桁架的極限承載力效果有限，也不符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)理念[16]。

多榀木桁架(PT-G)通過(guò)木銷將兩個(gè)單榀木桁架(PT-S)組合起來(lái)，較與之等厚的PT-D，節(jié)點(diǎn)處多一倍齒板，能滿足更高荷載時(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)齒板連接的要求，在分級(jí)加載試驗(yàn)中，17級(jí)(8.7 kN)后發(fā)生破壞，可見(jiàn)其極限承載能力較PT-S、PT-D有明顯優(yōu)勢(shì)。PT-G破壞加載時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)平面內(nèi)失穩(wěn)和齒板拔出現(xiàn)象，其破壞出現(xiàn)在規(guī)格材桿件上，表明在一定的節(jié)點(diǎn)承載性能條件下，充分利用小徑級(jí)規(guī)格材的結(jié)構(gòu)性能，增加了桁架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和極限承載性能，具有更高的安全性。

2.5.2 抗變形能力 在3階段的分級(jí)加載木桁架試驗(yàn)中，木桁架的抗變形能力可以根據(jù)T2標(biāo)準(zhǔn)荷載階段下標(biāo)準(zhǔn)荷載時(shí)木桁架下弦跨中撓度、24 h持荷木桁架的蠕變量、持荷結(jié)束卸載后木桁架的彈性恢復(fù)能力來(lái)行評(píng)價(jià)。由表2知，標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下木桁架下弦跨中撓度為PT-G

從圖6(a)T2階段3種木桁架下弦跨中撓度對(duì)比中明顯發(fā)現(xiàn)，24 h持續(xù)荷載作用下木桁架的蠕變情況也存在較大差別。標(biāo)準(zhǔn)荷載下木桁架PT-D、PT-G1的蠕變量比PT-S分別小49%和54.3%，PT-G2在2Pk時(shí)與PT-S蠕變量相近。與木桁架下弦跨中撓度相同，多榀木桁架PT-G的蠕變量最小。T2階段殘余變形是經(jīng)24 h保壓后卸載，在空載階段木桁架無(wú)法恢復(fù)的部分變形，是表征木桁架彈性恢復(fù)能力的一個(gè)重要指標(biāo)。3次試驗(yàn)中木桁架PT-D、PT-G1的殘余變形比PT-S分別小23.1%和32.8%，PT-G2在3.96 kN標(biāo)準(zhǔn)荷載時(shí)僅為PT-S的4/5。3種桁架的殘余變形與前兩種指標(biāo)相同，多榀木桁架都具有較大的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)出良好的抗變形能力。

3 結(jié)論

1)3種木桁架在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下均工作良好。多榀木桁架的極限承載力達(dá)到2倍標(biāo)準(zhǔn)荷載以上，且破壞階段在1.6倍標(biāo)準(zhǔn)荷載前荷載-撓度曲線呈現(xiàn)線性，相比兩種單榀木桁架，多榀木桁架作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有很好的安全性能。

2)單榀木桁架PT-S在破壞階段容易出現(xiàn)平面外失穩(wěn)。通過(guò)木銷連接的多榀木桁架增加了承載面寬度，實(shí)現(xiàn)單榀間較好的協(xié)同效應(yīng)，有效解決了失穩(wěn)隱患。

3)節(jié)點(diǎn)齒板易成為較高承載性能要求桁架的薄弱部位，設(shè)計(jì)時(shí)必須驗(yàn)算齒板承載力，通過(guò)增大齒板面積或板齒長(zhǎng)度以滿足較大承載能力木桁架對(duì)節(jié)點(diǎn)的要求，且與規(guī)格材承載性能平衡，實(shí)現(xiàn)材料性能的充分利用。

4)木銷連接是一種可靠的多榀連接方式。通過(guò)木銷連接多個(gè)單榀桁架，不僅實(shí)現(xiàn)多榀極限承載能力大于多個(gè)單榀之和，且抗變形能力、彈性恢復(fù)能力等均更優(yōu)。