木- 纖維輕骨料混凝土構(gòu)件剪切研究

陳寶琪 荀 勇

（1 蘇州科技大學土木工程學院；2 鹽城工學院土木工程學院)

1 引言

木材作為天然的裝飾材料[1-2]，給人自然美的享受。與傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)相比，木材與混凝土的結(jié)合，能夠有效提高建筑耐火等級、耐久性、抗彎剛度和承載力[3-4]。木-混凝土組合作為一種結(jié)構(gòu)技術(shù)，開始在已有樓面體系或者新結(jié)構(gòu)的防火，增加強度或提高剛度工程中得到應用[5]。木-混組合結(jié)構(gòu)具有較大的單位承載力，彈性、韌性，可以承受沖擊和震動作用[6-9]。木材與輕骨料混凝土的密度較小，成型后的組合構(gòu)件質(zhì)量輕，從而降低了運輸和安裝成本。然而，目前關(guān)于木-纖維輕集料混凝土的研究并不多。

國內(nèi)外不少研究人員對木-混凝土組合結(jié)構(gòu)進行了研究。Richart 等[10]研究釘類構(gòu)件嵌入木材的角度對受剪承載力和剛度的影響，當螺釘與受剪承載方向呈45°嵌入木材，連接件的受剪承載力和剛度最大。Ahmadi 等[11]對螺釘嵌入深度和極限承載力進行了研究，得出了承載力隨著嵌入深度的增加而變大的結(jié)論。Dias[12]通過試驗得出螺釘極限荷載并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)推出屈服荷載計算模型，計算模型考慮到了混凝土抗壓強度、木材順紋抗壓強度、尺寸的影響。Jorge 等[13]對SFS 螺釘連接件在短期荷載作用下進行試驗研究，分析螺釘直徑、混凝土種類對構(gòu)件受剪承載力與剛度的影響。得出螺釘連接件受剪承載力以及剛度隨直徑增大而增大等結(jié)論。

胡亞風等[1]設計了32 組木-輕集料混凝土試件，采用2 根直徑8mm 或者10mm 的螺栓及LC30 等級的輕集料混凝土時，綜合性能最佳。俞宏等[14]完成了9 組27個推出試件的推出試驗，提出了剪力鍵抗剪承載力和抗剪剛度的公式。

本文探討了螺釘直徑、縱向間距、螺釘根數(shù)、螺釘剪切面積、開槽、開槽加釘?shù)炔煌缑嫣幚矸绞綄缑嬲辰Y(jié)性能的影響，并通過試驗推出件的荷載-滑移曲線、極限承載力及延性系數(shù)等對結(jié)構(gòu)進行分析比較。

2 試驗概況

2.1 試件設計

試驗共設計了15 組木-纖維輕骨料混凝土推出試件，每組3 個試件。每個試件由兩塊木板和一塊輕骨料混凝土組成，輕骨料混凝土放在中間位置，木板對稱布置在混凝土的兩側(cè)。試件選用的木材種類為樟子松，含水率控制在15%左右。樟子松板的尺寸為224mm×140mm×55mm，纖維細骨料混凝土的尺寸為224mm×140mm×150mm，推出試件采用的六角木螺釘屈服強度為320Mpa，極限抗拉強度為400MPa。將15 組推出試件進行編號。A 組推出件采用不同直徑大小的螺釘對界面進行處理，每側(cè)木板布置2 根螺釘總共4 根螺釘；B 組推出件采用不同縱向間距雙排螺釘布置形式，每側(cè)木板布置4 根螺釘，螺釘?shù)闹睆綖?0mm；C 組推出件共兩種不同形式分別為每側(cè)木板布置3 根直徑為10 和4 根直徑為8 的螺釘，具體布釘位置見圖1（d～e）；KC 組推出件采用改變槽深對界面進行不加釘處理，開槽深度為15mm、20mm、25mm；F 組推出件采用開槽和加釘兩種處理方式結(jié)合，且槽深都為20mm；N 組推出件界面無處理，詳細參數(shù)設置表1。

2.2 纖維輕骨料混凝土配比

采用海螺牌P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥,其配合比為：水泥:粉煤灰:硅灰:砂:水=1:0.25:0.08:2.5:0.379。減水劑占水泥質(zhì)量的0.632%，聚丙烯纖維（pp）摻量為所配置體積的0.2%。在標準養(yǎng)護室里養(yǎng)護28d,測得抗壓強度52.08MPa,抗折強度9.6MPa。

2.3 試件制作

按照試驗設計的尺寸，將買好的木板用切割機裁剪。本次試驗加釘試驗組先用馬克筆定點劃線，然后用鉆孔機器進行預鉆孔，待鉆孔完畢后，采用扳手將螺釘擰進木板中。依次將木板安裝到模板中，在木板和木模所圍成的空間中澆筑細骨料混凝土。由于采用細骨料混凝土有較好的流動性，所以輕微的振搗即可密實。澆筑混凝土如圖2（c）。澆筑完成后，覆蓋塑料薄膜澆水養(yǎng)護28d，具體見圖2（d）。

圖1 結(jié)合面處理示意圖(mm)

表1 推出試件參數(shù)

圖2 構(gòu)件制作主要過程

2.4 試驗裝置與加載方案

試驗裝置：試驗在YAW-600C 型電液伺服萬能試驗機上進行，現(xiàn)場加載裝置如圖3。試驗目的主要測量纖維輕骨料混凝土與木板之間的滑移，本次試驗中忽略木板受壓而產(chǎn)生的形變，假定試件的滑移量等于試驗機壓力板的位移。因此，在試驗機器左右兩側(cè)上布置2 個位移計測量試驗機壓力板的位移，取2 個數(shù)值的平均值作為推出件的滑移值。

圖3 現(xiàn)場加載圖

加載方案：參考俞宏等[14]的試驗加載方案，在混凝土上墊好鐵板，并用砂子找平。試件對中后，進行預壓，以消除加載裝置存在的孔隙以及檢驗位移、力信號通道是否正常。整個試驗加載過程的加載速率為5.88kN/min，采集儀每隔5 秒采集一次數(shù)據(jù)。當荷載不再增加即試件出現(xiàn)較大滑移變形則停止加載。

3 試驗結(jié)果

3.1 試驗現(xiàn)象及破壞形式

A4-D8 組推出件在加載初期無明顯現(xiàn)象；當荷載加載至8.6kN 左右時，接觸面有明顯的斷裂聲；當荷載加載至13.8kN，開始出現(xiàn)嘶嘶的響聲，木材在螺釘?shù)臄D壓下發(fā)生壓縮變形，木板與混凝土之間出現(xiàn)較明顯的縫隙，此時相對滑移值為5mm 左右，滑移并不明顯；隨著荷載的增加，木材發(fā)出噼里啪啦的聲響，當試驗力接近極限荷載時，滑移迅速增加，木材與混凝土之間明顯脫開，此時螺釘發(fā)生彎曲破壞，具體見圖4（a）。此外，A4-D10、A4-D12、B8-D10-50、B8-D10-70、B8-D10-90、C6-D10、C8-D8 也發(fā)生螺釘彎曲破壞。

KC-20 組推出件在加載初期無明顯現(xiàn)象；當荷載加載到9kN，發(fā)出嘶嘶的聲響,上部界面層開始剝離；當荷載加至25.8kN 左右時，出現(xiàn)木材斷裂的聲響，此時相對滑移不明顯；隨著荷載增加，下部混凝土表面開始出現(xiàn)裂縫，裂縫不斷往上拓展，下部裂縫寬度也不斷變大，同時上部形成新的細微裂縫，且這些新的縫不斷往中間沿伸發(fā)展；待荷載接近極限承載力時，滑移量迅速增加，只聽砰地一聲，混凝土被剪斷，構(gòu)件瞬間喪失承載能力，混凝土發(fā)生剪切破壞，具體可見圖4（b）。此外，KC-15、KC-25 組推出件也發(fā)生混凝土剪切破壞。

F4KCD8 組推出件在加載初期無明顯現(xiàn)象；當荷載加載至54.3kN 時，混凝土下表面出現(xiàn)細微裂縫；當荷載加載至71kN 時，下面裂縫往上沿伸，此時螺釘和混凝土協(xié)同受力，相對滑移不明顯；當荷載加載至91kN，裂縫持續(xù)發(fā)展并往斜向上方向沿伸；當荷載接近極限承載力時，混凝土發(fā)生斷裂，此時螺釘發(fā)生瞬間彎曲破壞，具體可見圖4（c）。此外，F(xiàn)4KCD10 組推出件發(fā)生混凝土剪切破壞和螺釘發(fā)生彎曲破壞。

N 組推出件是自然對照組，當荷載加載至4kN 左右時，木板與混凝土就完全脫離，喪失承載力，具體可見圖4（d）。

根據(jù)試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本次試驗破壞只要分為三種形式，分別為螺釘彎曲破壞、混凝土剪切破壞以及混凝土剪切破壞加螺釘彎曲破壞。

3.2 荷載- 滑移曲線

荷載-滑移曲線是反映組合結(jié)構(gòu)的承載能力和變形性能重要指標，因此對推出試件荷載-滑移關(guān)系分析是十分必要的。根據(jù)試驗實測的數(shù)據(jù)可以繪制出不同界面處理形式下的荷載-滑移曲線，如圖5 所示。

圖4 試件破壞形態(tài)

由圖5 可以看出，由于木材本身材質(zhì)存在一定的離散性以及混凝土澆筑存在一些偏差，同一組試件荷載-滑移曲線存在一定的差異，但總體趨勢是相近的。對于螺釘根數(shù)相同，直徑不同的剪力連接件，如圖5（a～c）所示，荷載-滑移整體趨勢線可以分為兩個階段。在加載初期，試件處于彈性階段，此時界面之間的化學粘結(jié)力和機械咬合力起著一定的作用，在彈性階段中，螺釘所受荷載與滑移量大致呈線性。當荷載加載至屈服點時，試件進入了塑性階段。此階段，螺釘所受荷載與滑移量不僅呈非線性，而且隨著滑移量的增加，所受荷載還有一定程度的增加，但增幅有限，直徑為12mm 的構(gòu)件抗剪承載力在3 組構(gòu)件中最高。

隨著螺釘根數(shù)增大，圖形也趨于飽滿。對于不同縱向間距的荷載-滑移曲線，如圖5（d～f）所示?？v向間距對構(gòu)件抗剪承載力影響較小，滑移量都在4mm 附近，荷載增加幅度變緩、位移迅速增加且三組試件極限承載力基本維持52kN 左右。

對于開槽組，荷載-滑移曲線如圖5（i～k）所示，極限承載力隨著槽深呈先增大后減少的趨勢，最大極限承載力為110kN 左右。與前面幾組相比，開槽構(gòu)件并沒有測得下降段，這是由于構(gòu)件達到極限荷載時就瞬間喪失了承載能力，破壞模式是輕集料混凝土發(fā)生脆性破壞。對照開槽加釘組，荷載-滑移曲線如圖5（l～m）所示，荷載-滑移曲線有一個明顯的下降階段，加入一定數(shù)量的螺釘，可以有一定程度的提高整體結(jié)構(gòu)的延性。

圖5 荷載- 滑移曲線

為了較為準確的反映推出件的性能，將推出試驗極限荷載與螺釘數(shù)量之比（P/n）作為單個螺釘受剪承載力[15]，表2 給出了本次推出件的受剪承載力的實測值。根據(jù)EN 26891[16]的規(guī)定，試驗中推出試件允許的最大滑移量為15mm。當構(gòu)件極限荷載所對應的滑移值大于15mm時，截取滑移量為15mm 時所對應的荷載值作為極限荷載值。

4 結(jié)果分析

4.1 螺釘直徑對抗剪承載力的影響

A 組共設計3 種不同直徑（8mm、10mm、12mm）的構(gòu)件來分析不同直徑對界面抗剪承載力的影響。由表2 可知，φ10 的木螺釘構(gòu)件的抗剪承載力比φ8 木螺釘構(gòu)件的抗剪承載力提高了26.7%，φ12 的木螺釘構(gòu)件的抗剪承載力比φ10 螺釘構(gòu)件的抗剪承載力提高了23.8%。利用試驗數(shù)據(jù)，用數(shù)理統(tǒng)計的方法進行擬合，如圖6 所示，R2為0.90，可以看出螺釘直徑與單個螺釘承載力具有極強的相關(guān)性，螺釘連接件受剪承載力隨著直徑的增大而增大。

表2 主要試驗結(jié)果

4.2 縱向間距對承載力的影響

B 組構(gòu)件縱向間距大小不同，分別為50mm，70mm，90mm。由表2 可知，縱向間距為50mm 的單個螺釘平均抗剪承載力為6.77kN，縱向間距為70mm 的單個螺釘平均抗剪承載力為6.85kN，縱向間距為90 的單個螺釘平均抗剪承載力為6.36kN。最大值與最小值差值僅為0.49kN，可見縱向間距對構(gòu)件界面抗剪承載力影響較小。

4.3 螺釘根數(shù)和剪切面積對構(gòu)件抗剪承載力的影響

探討螺釘根數(shù)和剪切面積對構(gòu)件界面抗剪承載力的影響，推出件A4-D12、C6-D10、C8-D8 組螺釘總面積分別為452.38mm2、471.24mm2、402.12mm2和 平均極限荷載分別為35.2kN，40.8kN，40.6kN。A4-D12、C6-D10 兩組構(gòu)件在剪切面積基本相同的情況下，C6-10 組構(gòu)件抗剪承載力明顯高于A4-D12 組，可以看出木板兩側(cè)螺釘根數(shù)對界面的抗剪承載力影響較大；A4-D12、C8-D8 兩組構(gòu)件在前者剪切面積明顯大于后者的情況下，C8-D8 的抗剪承載力明顯高于A4-D12，從中可以看出螺釘根數(shù)對界面抗剪承載力影響較大；C6-D10、C8-D8 兩組構(gòu)件在前者剪切面積明顯大于后者的情況下，兩者的抗剪承載力基本相同，前者平均極限荷載稍微高于后者。綜上所述，螺釘根數(shù)對抗剪承載力影響較大，而剪切面積對界面抗剪承載力影響較小。其原因可能是隨著螺釘布置數(shù)量的增多可以更好抵抗纖維輕骨料混凝土裂縫的開展，最佳螺釘根數(shù)和剪切面積還需進一步試驗研究和理論驗證。

4.4 槽深對構(gòu)件抗剪承載力的影響

考慮開槽深度對界面抗剪承載力的影響，槽深15mm 的構(gòu)件平均極限荷載為88.58kN；槽深20mm 的構(gòu)件平均抗剪承載力為118.45kN；槽深25mm 的構(gòu)件平均極限荷載為60.96kN。槽深20mm 的構(gòu)件較15mm 的極限承載力提高了33.7%。槽深25mm 的構(gòu)件相較20mm 的極限承載力下降了48.5%，總而言之，槽深為20mm 時，界面抗剪承載力最高。開槽相較于加螺釘組能夠更加有效提高構(gòu)件的極限承載力，極限荷載隨著槽深的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，具體見圖7。

4.5 開槽加釘承載力分析

F 組構(gòu)件為開槽加釘試驗組，且設計槽深都為20mm，對照組KC-20 平均界面抗剪承載力為118.45kN。F4KCD8 組平均界面抗剪承載力為132.03kN，相較于對照組承載力提高了11.46%。F4KCD10 組平均界面抗剪承載力為133.24kN 相較于KC-20 承載力提高了12.49%。開槽加釘構(gòu)件極限承載力約為開槽的1.11 倍，由此可以看出，開槽加釘組的極限承載力比其他組有著極大的提升。

4.6 延性分析

圖6 受剪承載力隨著螺釘直徑的變化

圖7 開槽深度對極限承載力的影響

5 結(jié)論

通過15 組不同類型木-纖維輕骨料混凝土試件的推出試驗，分析出不同試件破壞形態(tài)和荷載-滑移曲線的變化規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

⑴本次構(gòu)件主要破壞形式有混凝土剪切破壞和螺釘彎曲破壞，對木材進行開槽、加釘均可在不同程度上提高木-纖維輕骨料混凝土抗剪承載力。

⑵螺釘連接件在根數(shù)相同的情況下，受剪承載力隨著螺釘直徑的增大而增大且縱向間距對構(gòu)件界面抗剪承載力影響不大；在螺釘布置形式不同的情況下，螺釘根數(shù)比螺釘剪切面積對界面抗剪承載力影響要大；通過對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，R2為0.90，可得出擬合程度好。

⑶開槽相較于螺釘組能夠更加有效提高構(gòu)件的極限承載力，極限荷載隨著槽深的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢。當槽深為20mm 時，界面抗剪承載力提高最大，比無處理組構(gòu)件的抗剪強度提高了286.13%。

⑷開槽加釘組合形式的極限承載力為僅開槽組的1.11 倍，且隨著螺釘?shù)募尤肫溲有圆]有明顯變化，在極限荷載作用下，構(gòu)件容易發(fā)生脆性破壞，因此在設計螺釘根數(shù)和直徑大小時需特別注意。