輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻新型面板釘節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

王 玲, 曲孝坤

(河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院, 天津 300401)

木剪力墻是輕型木結(jié)構(gòu)中主要的抗側(cè)力構(gòu)件,主要承擔(dān)由地震作用或風(fēng)荷載產(chǎn)生的側(cè)向荷載[1]。武國(guó)芳[2]和徐德良[3]都對(duì)木剪力墻開(kāi)展了一系列研究。木剪力墻中面板釘節(jié)點(diǎn)是影響木剪力墻抗側(cè)力的重要因素,也是各國(guó)學(xué)者長(zhǎng)期以來(lái)研究的重點(diǎn)[4]。鍍金屬層釘節(jié)點(diǎn)比普通圓釘節(jié)點(diǎn)的承載力高[5]；麻花釘節(jié)點(diǎn)較紙排釘節(jié)點(diǎn)具有更大的承載力和極限位移[6]。面板釘節(jié)點(diǎn)順紋方向加載延性較橫紋方向加載好[7]。前人研究主要針對(duì)的是常規(guī)面板釘節(jié)點(diǎn)的研究,并未對(duì)面板釘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。

隨著研究的深入,中外學(xué)者開(kāi)始逐漸探索面板釘節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)技術(shù)。楊小軍[8]研究了纖維布加固面板釘節(jié)點(diǎn),通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新型面板釘節(jié)點(diǎn)承載力得到大幅提升；王倩等[9]制作了粘貼玻璃纖維的新型面板釘節(jié)點(diǎn),并通過(guò)試驗(yàn)證明了玻璃纖維的加入能夠明顯提高面板釘節(jié)點(diǎn)承載力和剛度；Dinehart等[10]研究了在墻骨柱和覆面板之間添加黏聚物的新型面板釘節(jié)點(diǎn),通過(guò)試驗(yàn)證明了新型面板釘節(jié)點(diǎn)具有更高的耗能和更高的承載力；夏光陽(yáng)[11]研究了橡膠條新型面板釘節(jié)點(diǎn)的性能,發(fā)現(xiàn)新型釘節(jié)點(diǎn)具有更大承載力和位移量，同時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新型面板釘節(jié)點(diǎn)的性能與橡膠條的性能有很大的關(guān)系,但并未擴(kuò)展研究。

為此,在已有研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種在覆面板與墻骨柱之間黏貼硅膠條的新型面板釘節(jié)點(diǎn),并選擇了兩種不同硬度的硅膠條進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)單調(diào)加載獲得了4組24個(gè)面板釘節(jié)點(diǎn)試件的荷載-位移曲線。分析了不同面板節(jié)點(diǎn)的最大承載力、初始剛度和延性等性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用材料包括:加拿大進(jìn)口OSB板(定向結(jié)構(gòu)刨花板),厚度為15 mm,含水率為16%；加拿大進(jìn)口SPF(云杉-松木-冷杉)規(guī)格材,截面尺寸為38 mm×140 mm,含水率為16%；硅膠條Y,平均密度為1.25 g/cm3,平均硬度為60HA；硅膠條R,平均密度為1.0 g/cm3,平均硬度為20HA；紙排釘,直徑為3.15 mm,長(zhǎng)度為75 mm。試件分組及設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,試件詳細(xì)尺寸如圖1所示。

表1 試件分組及參數(shù)

圖1 試件詳圖

1.2 加載裝置與方案

試驗(yàn)在河北工業(yè)大學(xué)土木實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心進(jìn)行,由于中國(guó)針對(duì)釘節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)還沒(méi)有相關(guān)規(guī)范,因此試驗(yàn)參照StandardTestMethodforDeterminingBendingYieldMomentofNails(ASTM-F1575-03)[12]進(jìn)行加載。試件中定向結(jié)構(gòu)刨花板(oriented strand board,OSB)與SPF規(guī)格材的順紋方向平行連接時(shí)為順紋加載；OSB板與SPF規(guī)格材的順紋方向垂直連接時(shí)為橫紋方向加載。選擇萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)以3 mm/min的速度進(jìn)行單調(diào)勻速加載,加載到試件承載力下降到最大承載力的80%或者OSB板與SPF規(guī)格材分離停止加載。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集,采集的頻率為10 Hz。加載裝置照片如圖2所示。

圖2 加載裝置

1.3 破壞現(xiàn)象及分析

順紋方向加載試件與橫紋方向加載試件的破壞現(xiàn)象并沒(méi)有太大的區(qū)別。試驗(yàn)中主要觀察到以下破壞現(xiàn)象:常規(guī)面板釘節(jié)點(diǎn)即A組試件的試驗(yàn)中,試件的破壞現(xiàn)象主要為釘子的屈服和拔出破壞,試件的承載力主要來(lái)源于木材的握釘力；硅膠條面板節(jié)點(diǎn)即B組試件中,由于只使用了硅膠條和結(jié)構(gòu)膠連接,因此破壞現(xiàn)象為粘貼硅膠條與木材的結(jié)構(gòu)膠面被完全撕裂開(kāi)；硅膠條面板釘節(jié)點(diǎn)即C、D組試件,由于選用了兩種不同種類的硅膠條,因此破壞現(xiàn)象出現(xiàn)部分差異。在C組試件中,硅膠條未發(fā)生明顯變化,只出現(xiàn)了釘子的拔出和結(jié)構(gòu)膠面撕裂的破壞現(xiàn)象；在D組試件中,出現(xiàn)了硅膠條的塑性變形、釘子的拔出和屈服、釘子周圍結(jié)構(gòu)膠層被撕裂開(kāi)等破壞現(xiàn)象。試件破壞如圖3所示。

比例尺:1∶3

選用強(qiáng)度較高的15 mm厚的OSB板,因此并沒(méi)有出現(xiàn)常見(jiàn)的釘頭穿過(guò)面板、板材撕裂等破壞現(xiàn)象。但因?yàn)槭褂玫募埮裴攺?qiáng)度較低，并且抗拔能力較差,因此釘子屈服和拔出成為普遍的破壞現(xiàn)象。B組試件中,由于硅膠條硬度大且與結(jié)構(gòu)膠的協(xié)同性差,因此只出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)膠層的完全撕裂。C組試件中,選用的硅膠條與B組試件相同,硅膠條在彈性變形期間結(jié)構(gòu)膠面便出現(xiàn)了完全撕裂,試件承載力迅速下降而發(fā)生破壞。D組試件選用的硅膠條硬度較小且與選用的結(jié)構(gòu)膠協(xié)同性較好,在硅膠條出現(xiàn)塑性變形后結(jié)構(gòu)膠面仍然沒(méi)有完全撕裂。根據(jù)以上試驗(yàn)現(xiàn)象可以得出,新型面板釘節(jié)點(diǎn)中,硅膠條的種類是影響新型面板釘節(jié)點(diǎn)性能的重要因素,若選用與結(jié)構(gòu)膠協(xié)同性好的硅膠條,將更有助于提高釘節(jié)點(diǎn)的性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載位移曲線分析

各組試件均有3條荷載-位移曲線,由于試驗(yàn)的偶然因素,3條荷載-位移曲線存在部分差異。因此取相同位移上荷載的算數(shù)平均值做平均荷載-位移曲線對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。各組試件平均荷載-位移曲線如圖4所示。

圖4 試件平均荷載-位移曲線

A組試件加載前期荷載值近似線性增加到最大,釘子屈服后試件發(fā)生完全破壞。試件破壞后,由于釘子拔出以及握釘力的存在,因此荷載值下降緩慢。

B、C組試件加載前期都能夠觀察到硅膠條出現(xiàn)明顯的變形,因此加載前期荷載呈線性趨勢(shì)快速增長(zhǎng)。在到達(dá)最大承載力之前,由于C組試件中硅膠條受釘子限制,因此結(jié)構(gòu)膠層逐步撕裂,荷載-位移曲線上出現(xiàn)小幅度波動(dòng)。最后由于Y硅膠條與結(jié)構(gòu)膠協(xié)同性差,兩組試件結(jié)構(gòu)膠層都發(fā)生了完全撕裂,荷載值迅速下降出現(xiàn)了脆性破壞的特征。

D組試件中,加載前期硅膠條發(fā)生明顯的變形,試件的承載力主要來(lái)源于結(jié)構(gòu)膠的黏結(jié)力和硅膠條的彈性變形。隨著荷載增加,硅膠條同釘子協(xié)同工作,承載力緩慢上升。試件到最大承載力后,硅膠條彈性變形達(dá)到極限,釘子發(fā)生屈服。到釘子周圍結(jié)構(gòu)膠層出現(xiàn)撕裂,試件承載力開(kāi)始下降。由于結(jié)構(gòu)膠層逐步撕裂,試件的荷載-位移曲線下降速度較快。

2.2 力學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算

參考文獻(xiàn)[13]計(jì)算方法,對(duì)各組面板釘節(jié)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和分析。取荷載-位移曲線上峰值點(diǎn)坐標(biāo)為最大承載力(Pmax)和移峰值位移(Dp)；取平均荷載-位移曲線上10%(Pmax)與40%(Pmax)兩點(diǎn)間割線的斜率為試件的初始剛度(K0)；取試驗(yàn)停止加載時(shí)的位移為極限位移(Dmax)。根據(jù)割線剛度法,取75%最大承載力處的割線剛度的等效彈塑性系統(tǒng)的屈服位移為試件的屈服位移(Dv),定義極限位移(Dmax)與屈服位移(Dv)的比值為試件的延性系數(shù)。主要針對(duì)各組面板釘節(jié)點(diǎn)的最大承載力、初始剛度以及延性系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。各組面板釘節(jié)點(diǎn)的力學(xué)指標(biāo)計(jì)算以及選取結(jié)果如表2所示。

表2 力學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

2.2.1 最大承載力

各組試件最大承載力對(duì)比如圖5所示。從圖5可以看出，順紋方向加載試件的最大承載力普遍大于橫紋方向加載試件的最大承載力。

圖5 最大承載力

計(jì)算結(jié)果表明,新型面板釘節(jié)點(diǎn)C、D兩組試件相較于常規(guī)釘節(jié)點(diǎn)A組試件在最大承載力上有較大的提升。其中C組試件提升效果明顯,在順紋和橫紋兩種加載方向上分別提高了58%和96%。從C、D兩組試件最大承載力對(duì)比上可以看出,硅膠條的種類會(huì)對(duì)新型面板釘節(jié)點(diǎn)的最大承載力有一定的影響,選擇硬度大,剛度大的硅膠條能較多的提高面板釘節(jié)點(diǎn)的承載能力。

從B、C兩組試件最大承載力的對(duì)比上可以看出,雖然兩種試件都出現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠層完全撕裂的脆性破壞,但由于C組試件受到釘子錨固的影響,因此C組試件的最大承載力值要大于B組試件。

2.2.2 初始剛度

各組試件初始剛度對(duì)比如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，順紋方向加載試件的初始剛度普遍大于橫紋方向加載試件的初始剛度。

圖6 初始剛度

計(jì)算結(jié)果表明,新型面板釘節(jié)點(diǎn)C、D兩組試件的初始剛度較常規(guī)釘節(jié)點(diǎn)A組試件的初始剛度都有所降低。其中D組試件降低較多,在順紋和橫紋兩種加載方向上分別降低了56%和44%。由于新型面板釘節(jié)點(diǎn)的初期變形來(lái)源于硅膠條,因此初始剛度略低。并且由于硅膠條屬于各向同性材料,因此兩種加載方向上新型面板釘節(jié)點(diǎn)的初始剛度相差較小。

B、C兩組試件對(duì)比中,由于B組試件的初始剛度主要來(lái)源于結(jié)構(gòu)膠的黏結(jié)力,因此在兩種加載方向上初始剛度值均大于C組試件的初始剛度值。

2.2.3 延性系數(shù)

各組試件延性對(duì)比如圖7所示。從圖7可見(jiàn)，常規(guī)釘節(jié)點(diǎn)順紋方向加載的延性要好于橫紋方向加載,但新型面板釘節(jié)點(diǎn)則相反,橫紋方向加載試件延性較好。

圖7 延性系數(shù)

在新型面板釘節(jié)點(diǎn)與常規(guī)釘節(jié)點(diǎn)的對(duì)比中,3種新型面板釘節(jié)點(diǎn)的延性都較差。由于3種新型面板釘節(jié)點(diǎn)加載前期都是硅膠條發(fā)揮作用,因此屈服位移較大,導(dǎo)致試件延性系數(shù)較低。順紋方向加載條件下硅膠條節(jié)點(diǎn)(B組)的延性最差,延性系數(shù)為1.356；橫紋方向加載條件下Y硅膠條新型面板釘節(jié)點(diǎn)(C組)的延性最差,延性系數(shù)為1.292。由于B、C兩組新型面板釘節(jié)點(diǎn)選用的硅膠條與結(jié)構(gòu)膠的協(xié)同性差,結(jié)構(gòu)膠層完全撕裂導(dǎo)致試件出現(xiàn)了明顯的脆性破壞特征,因此兩組試件的延性較差。C、D組試件對(duì)比中,由于D組試件選用的硅膠條較軟,并且與結(jié)構(gòu)膠的協(xié)同性好,因此D組試件能夠更好發(fā)揮硅膠條的作用,使得試件的延性較好。

3 釘節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型

木結(jié)構(gòu)剪力墻有限元分析中剪力墻的恢復(fù)力模型與面板釘節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型具有高度相關(guān)性[2],因此擬合出面板釘節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型對(duì)今后的木結(jié)構(gòu)剪力墻有限元研究具有重要意義。分析發(fā)現(xiàn)使用了軟質(zhì)硅膠條R的新型面板釘節(jié)點(diǎn)(D組試件)最大承載力較常規(guī)釘節(jié)點(diǎn)有明顯提升,同時(shí)延性系數(shù)降低較少,是較為理性的一種新型面板釘節(jié)點(diǎn)。因此本部份著重對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。采用Foschi擴(kuò)展指數(shù)模型[式(1)]對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,擬合效果較好,可用于使用該節(jié)點(diǎn)的輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的有限元模擬分析。擬合模型參數(shù)如表3所示,擬合曲線如圖8所示。

表3 模型參數(shù)

圖8 D組試件試驗(yàn)曲線及擬合曲線

(1)

式(1)中:F為節(jié)點(diǎn)荷載；u為節(jié)點(diǎn)位移；F0、K1、K2、α、β為擬合參數(shù)。

4 結(jié)論

(1)在最大承載力、初始剛度、峰值位移對(duì)比上,順紋方向加載試件普遍優(yōu)于橫紋方向加載試件。

(2)新型面板釘節(jié)點(diǎn)較常規(guī)面板釘節(jié)點(diǎn)有更高的最大承載力和峰值位移,但是剛度和延性較低。

(3)新型面板釘節(jié)點(diǎn)中,硅膠條的種類會(huì)對(duì)面板釘節(jié)點(diǎn)的性能產(chǎn)生影響,選擇與結(jié)構(gòu)膠協(xié)同性好的硅膠條將更有助于提高面板釘節(jié)點(diǎn)的性能。

(4)從B、C兩組試件的對(duì)比中可知,釘子與硅膠條的協(xié)同作用更有助于提高面板釘節(jié)點(diǎn)的性能。

(5)Foschi擴(kuò)展指數(shù)恢復(fù)力模型能較好地?cái)M合軟質(zhì)硅膠條R面板釘節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線,可以運(yùn)用到使用該節(jié)點(diǎn)的輕木剪力墻的有限元分析中。