木-混凝土組合梁栓釘剪力連接件疲勞性能研究

丁子淵，周俊康，陳摯翔

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長沙 410004）

0 引言

木-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)是近代興起的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中木-混凝土組合梁上部結(jié)構(gòu)為混凝土板，下部結(jié)構(gòu)為木梁，結(jié)合面通過剪力連接件將兩部分連接成整體［1］，上部混凝土板在外部載荷下承壓，下部木梁受拉，提高了膠合木梁的強度和剛度，充分利用兩種材料的優(yōu)異性能［2］。其次，傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)污染大，抗震性能差，而木結(jié)構(gòu)存在易燃、易腐蝕的缺點。木-混凝土組合梁則能夠充分彌補兩者的不足，具有環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、抗震性能優(yōu)良的優(yōu)點。但目前國內(nèi)外對木-混凝土組合梁的研究僅停留在靜力研究階段，對疲勞性能的研究還只在理論階段，而木-混凝土組合結(jié)構(gòu)中最重要的部分為剪力連接件，栓釘剪力連接件作為使用最廣泛的剪力連接件，對其研究能夠為木-混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能提供依據(jù)。

1 疲勞荷載計算

本研究中剪力推出件荷載計算是根據(jù)實際木-混凝土組合梁簡化模型進行的。本文參照文獻［3］得，單片梁尺寸l=2 m，混凝土板寬bc=0.24 m，混凝土板高hc=0.05 m，木梁寬bt=0.7 m，木梁高ht=0.16 m，混凝土彈性模量Ec=30 000 MPa，木梁彈性模量Et=8 000 MPa，混凝土容重γc=25 kN/m3，東北落葉松容重γt=6.89 kN/m3。

根據(jù)文獻［3］可得：恒載作用下主梁跨中彎矩M恒=1.56 kN·m，活載彎矩M活=7.92 kN·m，恒載及活載作用效果組合下彎矩M組=12.9 kN·m。

由材料力學(xué)［4］中簡支梁跨中彎矩可知：

式中：M為跨中彎矩；P為跨中集中力。

由結(jié)構(gòu)力學(xué)中等效彎矩可知：集中荷載P恒=3.12kN；集中荷載P活=15.84kN；集中荷載P組=25.80kN。

2 疲勞試驗

2.1 模型制作

2.1.1 推出件試件制作

本次試驗?zāi)Ｐ湍静倪x取東北落葉松，混凝土采用C30混凝土，兩個推出件試件的混凝土尺寸為400 mm×300mm×60mm，木塊尺寸為400mm×200mm×120mm。制作過程中在木材加工廠預(yù)制出木塊，木塊間膠水采用南京工業(yè)大學(xué)木-混凝土專用膠水。為保證螺栓與木塊之間的充分連接，制作時提前用11.5 mm鉆頭預(yù)鉆孔60 mm，再通過人工鑿錘的方式打入30 mm，使螺栓在木塊中的入木深度為90 mm?；炷恋臐仓捎脵C器攪拌加人工配比的方式制作C30混凝土。澆筑混凝土之前，在螺栓上粘貼沿螺栓方向的應(yīng)變片以便在試驗過程中測量螺栓的應(yīng)變。

2.1.2 組合梁試件制作

組合梁試件制作采用與推出件試件同樣的材料，木材采用東北落葉松，混凝土采用C30混凝土，具體尺寸如表1所示。

表1 組合梁試件主要參數(shù)

在制作過程中，同樣采取用11.5 mm鉆頭預(yù)打孔的形式，鉆孔深度為60 mm，人工鑿錘30 mm。組合梁中鋼筋及混凝土攪拌、澆灌均在中南林業(yè)科技大學(xué)實驗大廳內(nèi)完成。

2.2 疲勞試驗

2.2.1 推出件疲勞試驗

本次推出件疲勞試驗采用等幅正弦波加載方式，試驗機器設(shè)置加載平率為5 Hz。兩個試件均進行200萬次疲勞循環(huán)荷載，疲勞上限值設(shè)置為0.4 Pu即15.88 kN，疲勞荷載下限值為0.05 Pu即1.92 kN。

疲勞試驗前分五級至疲勞荷載上限值Pmax進行預(yù)加載，以消除推出件與各儀器間的不良接觸，測驗各測量儀器是否正常工作。之后分五級卸載至零，觀察各測量儀器是否回到初始狀態(tài)。

正式加載時每3萬次停機一次檢查儀器設(shè)備情況，在循環(huán)次數(shù)為30萬次、60萬次、90萬次、120萬次、140萬次、160萬次、180萬次、200萬次時停機進行荷載上限為Pmax的靜力試驗，測量各測點應(yīng)變、撓度、裂縫寬度及裂縫分布情況等數(shù)據(jù)。進行200萬次后對推出件進行破壞試驗。

根據(jù)30萬次、60萬次、90萬次、120萬次、140萬次、160萬次、180萬次、200萬次停機時測得的F1、F2荷載-位移曲線圖和荷載-應(yīng)變曲線圖可以看出：推出件在循環(huán)荷載作用下，木塊會發(fā)生擠壓變形，螺栓與木塊之間會產(chǎn)生孔洞。停機時荷載在加載過程中會先使螺栓位移至接觸木塊再開始承力，使得曲線不是初始的一條直線而是呈現(xiàn)兩條折線狀。整體趨勢來看位移量隨循環(huán)次數(shù)增加而不斷增加，說明構(gòu)件的剛度在不斷地減小，其中木塊和混凝土的剛度在加載過程中變化不大，主要為栓釘?shù)膭偠纫约八ㄡ斉c木塊接觸的局部區(qū)域剛度呈下降趨勢。最終循環(huán)200萬次后破壞試驗的承載力分別為32 kN和30 kN，相較于靜力試驗測得的極限承載力38.9 kN下降了17.8%和22.9%，其中栓釘?shù)膹姸认陆导s50%。

2.2.2 組合梁疲勞試驗

本次組合梁疲勞試驗過程均采用等幅正弦波加載方式，加載頻率取為5 Hz。通過模型分析得到本次組合梁疲勞壽命分別是200萬次和120萬次，試驗過程以力控制，設(shè)置疲勞荷載上限值分別為20 kN和44.8 kN，疲勞荷載下限值為4 kN。

在疲勞試驗前預(yù)先分三級施壓至疲勞荷載上限值Pmax，以消除支座之間的不良接觸，檢查測試儀表及各測點通道是否正常，然后分三級卸載至零，看各測試儀表是否回到初始狀態(tài)。

預(yù)加載完畢確認各儀器試件正常后開始進行疲勞試驗。試驗過程中設(shè)定FSCB-2在20萬次、47萬次、74萬次、101萬次、128萬次、155萬次、183萬次、200萬次停機，F(xiàn)SCB-3預(yù)定在5萬次、10萬次、29萬次、56萬次、83萬次停機，分別進行荷載上限為Pmax的靜力試驗，觀察靜力試驗的試驗現(xiàn)象，測量各測點應(yīng)變、撓度、裂縫寬度及裂縫分布情況等數(shù)據(jù)。

對于組合梁FSCB-2隨著循環(huán)次數(shù)的增加，初期殘余變形逐漸增大，在47萬次時發(fā)生快速剛度退化，之后疲勞損傷積累變緩，導(dǎo)致剛度退化趨于平穩(wěn)。當疲勞荷載加載到183萬次～200萬次時，沒有殘余變形，靜力變形量比155萬次時明顯減少。因木材材性屬多孔材料，在疲勞荷載作用下，木材中孔洞會因擠壓而壓實導(dǎo)致剛度有所提高。經(jīng)過200萬次循環(huán)加載后組合梁未發(fā)生破壞，混凝土上可觀察到細微裂紋，敲開混凝土可觀察到栓釘存在細微的彎曲。

對于組合梁FSCB-3由于疲勞荷載幅值變大，前期整體梁的剛度退化速度更快，在56萬次時，變形速率開始放緩。疲勞荷載加載到100萬次時，木節(jié)處裂縫沿著梁長方向延伸，木梁拉斷，混凝土板上緣面出現(xiàn)一條明顯的縱向裂縫。

通過組合梁停機靜力試驗測得的各截面荷載-滑移曲線圖、荷載-應(yīng)變曲線圖可得，在疲勞荷載作用下，木梁及混凝土板的荷載-應(yīng)變基本上呈線性關(guān)系。組合梁FSCB-2在47萬次之前梁的疲勞損傷積累較快，之后疲勞損傷積累變緩。最后組合梁內(nèi)木材部分孔洞會被壓實整體剛度會略微增加。組合梁FSCB-3因荷載幅值的增大，在29萬次之前疲勞損傷發(fā)生快速積累，之后隨著疲勞荷載的持續(xù)作用，同樣出現(xiàn)木材部分孔洞被壓實、整體剛度增加的現(xiàn)象，在100萬次時發(fā)生疲勞破壞。

總體來說，組合梁的疲勞損傷呈增加的趨勢。但在疲勞荷載的持續(xù)作用下，木材部分孔洞被壓實，剛度會略微增強。荷載幅值的增大，會加快疲勞損傷的積累。

3 有限元分析

有限元采用ANSYS Workbench分析軟件進行分析，模型中材料特性數(shù)值根據(jù)材性試驗數(shù)據(jù)取值。本文中栓釘有限元實體模型采用的是八邊形近似模擬。栓釘模型的裁剪需先建立一塊截面為邊長20 mm的正方形，長度120 mm的長方體模型，然后在表面上切出一個內(nèi)接圓半徑為6 mm的八邊形，并將該八邊形逆時針旋轉(zhuǎn)22.5°，最終沿八邊形切割線貫通。本試驗中對木材、混凝土、栓釘?shù)膶嶓w模型進行劃分網(wǎng)格時，均采用MultiZone（多區(qū)域法），這樣劃分的好處在于可以保證每個節(jié)點的網(wǎng)格線均是一一對應(yīng)，以防出現(xiàn)不收斂的情況，同時這樣劃分能夠減少網(wǎng)格線，使模型運算的速度更快，方便調(diào)試有限元模型。

根據(jù)模型分析板塊中的疲勞分析板塊可以得出疲勞壽命云圖，通過疲勞壽命云圖可以觀察到在疲勞荷載作用下，推出件中栓釘在木塊與混凝土交界處部分最先發(fā)生疲勞破壞，且附近木塊也出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，整體為局部破壞。組合梁在支座處的剪力連接件最先發(fā)生疲勞失效。

4 結(jié)語

本文通過栓釘剪力連接件推出件疲勞試驗和木-混凝土組合梁疲勞試驗，得出木-混凝土組合梁在承受疲勞荷載時，支座處的剪力連接件最先失效，木梁與混凝土板發(fā)生分離導(dǎo)致跨中木梁缺陷處應(yīng)力集中發(fā)生受拉破壞。由此說明木-混組合梁支座處的剪力連接件力學(xué)性能對組合梁整體性能起關(guān)鍵作用。

在推出件的疲勞性能試驗中可發(fā)現(xiàn)，推出件在承受疲勞荷載時，木塊與混凝土的交界面上，螺栓會因應(yīng)力集中而發(fā)生變形，木塊會產(chǎn)生局部擠壓變形，整個構(gòu)件會發(fā)生局部破壞但不會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。在循環(huán)200萬次之后，推出件的剛度分別下降了17.8%和22.9%，其中栓釘?shù)膹姸认陆导s50%。栓釘?shù)膹姸群退ㄡ斉c木塊間的連接件力對剪力連接件的力學(xué)性能起關(guān)鍵作用。