新型增強輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻端部面板釘節(jié)點受力性能1)

邸靜 左宏亮

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

隨著國家對綠色建筑的大力發(fā)展和支持，木結(jié)構(gòu)逐漸在國內(nèi)受到廣泛關(guān)注[1-3]。其中，輕型木結(jié)構(gòu)因采用綠色節(jié)能材料，且具有抗震性能好的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在住宅結(jié)構(gòu)中[4-5]。覆面板與墻骨架之間的釘連接，即面板釘節(jié)點，作為輕型木結(jié)構(gòu)中剪力墻的主要組成部分，是影響結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能的重要因素[6-7]。國內(nèi)外學(xué)者對面板釘節(jié)點的性能做了大量試驗研究和有限元分析，且對釘節(jié)點的研究，主要集中于對傳統(tǒng)輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻研究，即對覆面板為定向刨花板(OSB板)、面板釘為圓釘墻體中面板釘節(jié)點方面的研究[8-10]。已有研究結(jié)果表明：影響面板釘節(jié)點受力性能的因素，包括釘節(jié)點的構(gòu)造特點和材料規(guī)格，如釘邊距、覆面板厚度、釘直徑等。但對于受力性能較弱的OSB板釘節(jié)點，由于受到OSB板材料性能的局限，改變以上影響因素對面板釘節(jié)點受力性能的效果有限，且相應(yīng)的傳統(tǒng)輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的破壞，主要原因仍然是端部位置面板釘節(jié)點失效。為此，本研究在輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的上下端，局部使用材料性能較好的覆面板材料給予增強；對使用不同覆面板材料、面板釘?shù)拿姘遽敼?jié)點試件進行了單調(diào)加載試驗，分析覆面板材料種類、面板釘種類、加載方向?qū)γ姘遽敼?jié)點破壞形態(tài)及受力性能的影響，旨在為解決傳統(tǒng)輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻中OSB板面板釘節(jié)點受力性能較弱的問題提供參考。

1 材料與方法

依據(jù)美國規(guī)范ASTM-D1761[11]試驗方法制作試件。由于云杉-松-冷杉木板(SPF木板)、重組竹板具有明顯且規(guī)則的紋理，為了配合覆面板材料的特性，面板釘分別采用圓釘、自攻釘，并且在SPF木板、重組竹板的面板釘節(jié)點上，需預(yù)先鉆直徑為2.5 mm的預(yù)留孔，以方便試件制作。面板釘節(jié)點所用材料見表1。

表1 面板釘節(jié)點材料及尺寸

依據(jù)不同的加載方向、覆面板種類、面板釘種類，面板釘節(jié)點試件分為10組，每組均為6個試件。面板釘節(jié)點試件詳圖見圖1，分組見表2。

圖1 面板釘節(jié)點試件詳圖

表2 面板釘節(jié)點試件分組

試驗設(shè)備采用電子萬能力學(xué)試驗機。為保證在試驗過程中荷載的傳遞，自行設(shè)計并制作了鋼制夾具，用以連接試驗機與固定試驗構(gòu)件(見圖2)。根據(jù)規(guī)范ASTM-D1761[11]，面板釘節(jié)點試驗，單調(diào)加載速率為2.54 mm/min，當(dāng)荷載下降至極限荷載的80%或試件嚴重破壞時停止試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類面板釘節(jié)點破壞形態(tài)的差異性

由圖3可見：覆面板采用OSB板的面板釘節(jié)點，試件的破壞形態(tài)主要有面板釘拔出、面板釘嵌入覆面板；覆面板采用SPF木板的面板釘節(jié)點，試件的破壞形態(tài)包括面板釘彎曲、SPF木板橫紋撕裂；覆面板采用重組竹板的面板釘節(jié)點，試件的破壞形態(tài)包括面板釘彎曲并拔出、面板釘斷裂、重組竹板撕裂。試驗結(jié)果表明，加載方向?qū)γ姘遽敼?jié)點的破壞形態(tài)影響較小。覆面板的材料性能，決定了面板釘節(jié)點在破壞時面板釘?shù)膹澢潭?；具有較強力學(xué)性能的覆面板，會導(dǎo)致面板釘在最終破壞時的變形較大。面板釘種類，對SPF木板釘節(jié)點的破壞形態(tài)影響較小，而對重組竹板釘節(jié)點的破壞形態(tài)影響較大。

圖2 試驗裝置

2.2 不同種類面板釘節(jié)點荷載-位移曲線

由圖4可見：垂直于骨架纖維方向加載的面板，釘節(jié)點荷載-位移曲線在加載初期的斜率，大于平行加載面板釘節(jié)點荷載-位移曲線的初期斜率；重組竹板釘節(jié)點的荷載-位移曲線，高于SPF木板釘節(jié)點的荷載-位移曲線；面板釘節(jié)點中，面板釘使用圓釘?shù)那€呈非線性，而面板釘使用自攻釘?shù)那€趨于線性。此外，重組竹圓釘節(jié)點、OSB板釘節(jié)點的荷載-位移曲線延性較好；而其他組面板釘節(jié)點的荷載-位移曲線，在達到極限承載力后荷載驟降，表現(xiàn)為脆性。

由表3可見：在面板釘節(jié)點的極限位移方面，在垂直荷載作用下，OSB板釘節(jié)點極限位移最大、SPF木板圓釘節(jié)點極限位移最小，除此外各組極限位移水平較相近。荷載平行于骨架纖維方向的面板釘節(jié)點中，SPF木板圓釘極限位移較小，重組竹板圓釘節(jié)點的極限位移略大于OSB板圓釘節(jié)點的極限位移，重組竹板自攻釘節(jié)點與SPF木板自攻釘節(jié)點極限位移相近。試驗結(jié)果表明，不同加載方向?qū)A釘面板釘節(jié)點的變形能力影響較大，尤其對OSB板釘節(jié)點。覆面板使用重組竹板可增強SPF木板的變形能力。使用自攻釘可增加SPF木板釘節(jié)點的變形能力，但會限制重組竹板釘節(jié)點的變形能力。

表3 面板釘節(jié)點極限承載力及位移

2.3 不同種類面板釘節(jié)點極限承載力

由圖5可見：加載方向與骨架材料纖維方向垂直的面板，釘節(jié)點的極限承載力，均高于加載方向與骨架材料纖維方向平行的面板釘節(jié)點的極限承載力，其中OSB板釘節(jié)點、重組竹板自攻釘節(jié)點中垂直加載與平行加載的差距最大。這是由于在不同加載方向的面板，釘節(jié)點中面板釘變形程度相差較小，此時木材纖維與面板釘之間的握裹力對面板釘節(jié)點的極限承載力影響較大，而在SPF木板釘節(jié)點中面板釘?shù)陌纬隽枯^小，在OSB板釘節(jié)點中面板釘?shù)陌纬隽枯^大，所以加載方向?qū)PF木板釘節(jié)點的極限承載力影響較小，對OSB板釘節(jié)點極限承載力影響較大。此外，重組竹板圓釘節(jié)點，由于預(yù)留孔與釘直徑相同，圓釘與其周圍的木材纖維摩擦力較小，所以加載方向?qū)O限承載力影響較小。

圖3 3種面板釘節(jié)點破壞形態(tài)

圖4 面板釘節(jié)點荷載-位移曲線

圖5 面板釘節(jié)點極限承載力

對于采用不同種類覆面板的面板釘節(jié)點，SPF木板釘節(jié)點的極限承載力低于OSB板釘節(jié)點的極限承載力，重組竹板釘節(jié)點的極限承載力高于SPF木板釘節(jié)點的極限承載力。在面板釘為圓釘時，覆面板使用重組竹板可將SPF木板釘節(jié)點極限承載力提高98%；在面板釘為自攻釘時，覆面板使用重組竹板可將SPF木板釘節(jié)點提高135%。這是由于SPF木板的抗橫紋撕裂能力較弱，而重組竹板的抗橫紋撕裂能力較強，因此重組竹板釘節(jié)點中釘抗彎承載力能夠發(fā)揮的更充分。

對于采用不同種類面板釘?shù)拿姘遽敼?jié)點，自攻釘節(jié)點的極限承載力，大于圓釘節(jié)點的極限承載力。覆面板為SPF木板時，面板釘使用自攻釘，至少比圓釘面板釘節(jié)點的極限承載力高59%；覆面板為重組竹板時，面板釘使用自攻釘，比使用圓釘面板節(jié)點的極限承載力高138%；可見在面板為重組竹板時，面板釘使用自攻釘可大幅提高面板釘節(jié)點的承載力。覆面板使用重組竹板，面板釘使用自攻釘，比傳統(tǒng)面板釘節(jié)點在垂直荷載作用下的極限承載力高98%，在平行荷載作用下的極限承載力高133%。這是由于自攻釘?shù)目箯澬阅?、抗拔性能均?yōu)于圓釘，并且覆面板采用力學(xué)性能較好的重組竹板，能夠更好地利用自攻釘?shù)牧W(xué)性能。

3 結(jié)論

對新型增強輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻中重要的受力元件端部面板釘節(jié)點進行了單調(diào)受力試驗，得到了各組面板釘節(jié)點的破壞形態(tài)及平均荷載-位移曲線，并分析了加載方向、覆面板種類、面板釘種類對面板釘節(jié)點抗側(cè)極限承載力的影響規(guī)律。

重組竹板圓釘節(jié)點與OSB板釘節(jié)點的破壞形態(tài)較為相似，均表現(xiàn)為面板釘拔出且彎曲；SPF木板釘節(jié)點的破壞形態(tài)，主要為SPF木板的橫紋撕裂；重組竹板釘節(jié)點的破壞形態(tài)，主要為釘斷裂。

面板釘使用圓釘?shù)拿姘?，釘?jié)點的荷載-位移曲線非線性較明顯；面板釘使用自攻釘?shù)拿姘?，釘?jié)點荷載-位移曲線更趨向于線性。在平行荷載作用下，覆面板為重組竹板的面板，釘節(jié)點的荷載-位移曲線，均高于傳統(tǒng)面板釘節(jié)點的荷載-位移曲線。

加載方向與骨架纖維垂直的面板，釘節(jié)點的極限承載力，高于加載方向平行于骨架纖維的面板釘節(jié)點的極限承載力。覆面板使用重組竹板、面板釘使用自攻釘，比傳統(tǒng)面板釘節(jié)點在垂直荷載作用下的極限承載力高98%，在平行荷載作用下的極限承載力高133%。