木- 混凝土組合梁栓釘連接件受力及梁抗彎性能研究

劉曉陽 區(qū)柱正

（1、中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長沙 410004 2、佛山市公路橋梁工程監(jiān)測站有限公司，廣東佛山 528000）

1 概述

由于傳統(tǒng)建筑材料存在高耗能、高污染、服役使用期結(jié)束后難降解等難題，綠色、經(jīng)濟(jì)、高強(qiáng)的建筑材料成為設(shè)計者的首要考慮因素。木材作為一種綠色環(huán)保的建材具有強(qiáng)度高、彈性好、加工容易等優(yōu)點，是最早應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的建筑材料之一[1]。木材在經(jīng)過現(xiàn)代技術(shù)加工和防護(hù)后，已在歐美國家建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用，其中最為成熟和廣泛的是木-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)。

木-混凝土組合梁充分發(fā)揮了木材的高順紋抗拉強(qiáng)度和混凝土的高抗壓強(qiáng)度，致使其具有較優(yōu)的抗彎剛度、較好的整體性。雖然木-混凝土組合梁在歐美國家已得到廣泛應(yīng)用，但在我國仍處于起步階段，本文總結(jié)了木-混凝土組合梁國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以期為木-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供方向。

2 抗剪連接件

抗剪連接件是傳遞木梁與混凝土板間縱向剪力的重要構(gòu)件，是保證組合梁結(jié)合面較好的協(xié)同工作的關(guān)鍵。為此，學(xué)者對不同類型抗剪連接件的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

Mungwa M S,Jullien J F,Foudjet A 等發(fā)明了一種新型柔性連接件INSA-Hilti（圖1），通過推出試驗，得出了試件的荷載-滑移曲線，并提出了木材嵌入失效、連接件剪切破化、混凝土壓碎三種破壞模式下的連接件極限承載力計算公式。

圖1 INSA-Hilti 連接件示意圖

Bruce L.Deam 等對采用12 種抗剪連接件的木-混凝土組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了推出試驗，結(jié)果表明：槽口釘類連接件（圖2）的抗剪承載力和抗剪剛度相對較優(yōu)，同時表現(xiàn)出較好的峰后延性行為。

圖2 槽口釘類連接件示意圖

Simon A 等發(fā)明了一種新型剛性連接件-雙頭栓釘連接件，并通過推出試驗和有限元模擬得出了試件的荷載-滑移曲線，結(jié)果表明：此連接件具有較高的抗剪承載力和抗剪剛度，且鋼板厚度和栓釘直徑的增加明顯提高了連接件的承載能力。

Khorsandnia 等通過推出試驗，對比分析了普通釘、SFS 螺釘和鳥嘴式連接件（圖3）力學(xué)性能的差異性，結(jié)果表明：鳥嘴式連接件抗剪承載力最大，SFS 螺釘抗剪剛度最大，螺釘受力性能最差且為脆性破壞。

肖鴻志通過推出試驗和數(shù)值模擬，探討了PBL 連接件在木-混凝土組合結(jié)構(gòu)種的力學(xué)性能，結(jié)果表明：PBL 連接件鋼板厚度與連接件的抗剪承載力和剛度呈正相關(guān)，由于試件均為脆性破壞，并未充分發(fā)揮PBL 連接件承載力高、剛度大的特點，所以PBL 連接件不適用于木-混凝土組合結(jié)構(gòu)。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者研究了不同類型連接件的抗剪性能，但是在試件設(shè)計方面仍缺乏系統(tǒng)性與完善性，目前還沒有木-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)規(guī)范。

3 長期性能試驗研究

混凝土收縮徐變、木材蠕變等時變效應(yīng)易使組合梁出現(xiàn)內(nèi)力重分布，從而產(chǎn)生了不可忽視的長期變形。為此，國內(nèi)外學(xué)者對木-混凝土組合梁長期性能進(jìn)行了試驗研究。為衡量組合梁長期變形能力，引入徐變系數(shù)，計算方法如公式（1）。

式中：Δ（t）為徐變效應(yīng)產(chǎn)生的變形；Δel為加載瞬間產(chǎn)生的彈性變形。

圖3 三種連接件示意圖

經(jīng)過對采用HBV 連接件的木-混凝土組合梁進(jìn)行了為期430 天的長期性能研究，結(jié)果表明：混凝土徐變對組合梁力學(xué)性能有顯著影響。對采用槽口釘類連接件的木-混凝土組合梁進(jìn)行了長期性能研究，結(jié)果表明：組合梁破壞形式分為兩種，一種是槽口釘類連接件附近的膠合木出現(xiàn)剪切破壞，一種是木梁跨中彎曲失效；持續(xù)負(fù)載133 天后，組合梁撓度增加了59%。對采用SFS 螺釘連接件的木-混凝土組合梁進(jìn)行了為期5 年的長期性能研究，結(jié)果表明：組合梁在前兩年的撓度顯著增加，且在不同的溫濕度條件下，每日的撓度變化存在很大不同；歐洲規(guī)范5 所提供的公式低估了連接件的剛度和強(qiáng)度。

通過長期試驗發(fā)現(xiàn)，混凝土中摻入鋼纖維一定程度限制了混凝土的收縮開裂，進(jìn)而改善了木-混凝土組合梁的長期性能。對采用槽口栓釘連接件的木-混凝土組合梁進(jìn)行了為期5個月的長期試驗研究，得出了組合梁跨中撓度-徐變曲線、應(yīng)力-徐變曲線，并提出了組合梁在長期荷載作用下的變形計算公式。

綜上，根據(jù)對木-混凝土組合梁長期受力性能的研究可以看出，木-混凝土組合梁長期變形較大，耐久性不足，需采取措施限制混凝土的收縮徐變和木梁的蠕變等時變效應(yīng)。

4 結(jié)論

目前，木-混凝土組合梁力學(xué)性能研究還缺乏系統(tǒng)性和完善性，為了我國木-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展，本文建議如下：

4.1 根據(jù)現(xiàn)有國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果，選取可靠、經(jīng)濟(jì)、合理的連接形式，研究其與國產(chǎn)木材的連接性能，制定適用于我國的木-混凝土組合梁設(shè)計規(guī)范，同時為滿足房屋、橋梁等不同建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度需求，對連接件類型進(jìn)行詳細(xì)地分類。

4.2 混凝土板自重較大，需要采用尺寸較大的木梁去承擔(dān)，削弱了木-混凝土組合梁的經(jīng)濟(jì)性，同時限制了組合梁輕型大跨的發(fā)展趨勢。因此，在實際工程中應(yīng)采取措施來減輕混凝土自重、改良提高木梁受力性能，如采用高強(qiáng)混凝土、在木梁布設(shè)體外預(yù)應(yīng)力筋等措施。

4.3 針對混凝土徐變收縮嚴(yán)重等引起的組合梁長期變形大、耐久性不足的難題，應(yīng)對混凝土特性進(jìn)行改良，如摻入鋼纖維、使用徐變系數(shù)相對較小的超高性能混凝土等有效措施。

4.4 完善木-混凝土組合梁計算理論，推動組合梁在實際工程中的應(yīng)用。