單向加載下明銷直榫節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究*

王展光， 劉人源， 石 昂， 王婷婷， 邵建華

(1 凱里學(xué)院建筑工程學(xué)院， 貴州 556011；2 江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212003)

0 概述

榫卯連接是我國(guó)木結(jié)構(gòu)的主要連接方式，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)中的薄弱位置。在外力作用下榫卯節(jié)點(diǎn)容易出現(xiàn)脫榫、節(jié)點(diǎn)松動(dòng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的破壞。因此，研究榫卯節(jié)點(diǎn)的受彎性能對(duì)木結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對(duì)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、工作機(jī)理、抗震性能等幾個(gè)方面進(jìn)行了探討。在工作機(jī)理方面，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上研究了直榫、透榫和燕尾榫透節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)和力學(xué)性能[1-4]，并建立了三折線模型[1]和4參數(shù)冪函數(shù)模型[5]；在模型分析方面，基于不同假設(shè)建立直榫、透榫和燕尾榫透榫力學(xué)模型，推導(dǎo)出榫卯節(jié)點(diǎn)彎矩的簡(jiǎn)化理論公式[6-9]；在抗震性能方面，通過(guò)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究了不同形態(tài)榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能和參數(shù)影響[10-15]；在數(shù)值模擬方面，對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)的受彎剛度進(jìn)行了分析[16-17]。

從以往的研究成果中發(fā)現(xiàn)，目前研究節(jié)點(diǎn)多參照宮殿、塔樓式建筑設(shè)計(jì)，對(duì)于西南地區(qū)帶穿銷的榫卯節(jié)點(diǎn)形式研究較為空缺。因此，本文在對(duì)西南地區(qū)榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和制作出8個(gè)足尺節(jié)點(diǎn)明銷釘直榫節(jié)點(diǎn)和2個(gè)無(wú)銷釘直榫節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)抗彎的單調(diào)加載試驗(yàn)，分析其節(jié)點(diǎn)受力，并將明銷釘直榫節(jié)點(diǎn)與無(wú)銷釘直榫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較，研究了明銷直榫節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)理、破壞形式，探討了銷釘形狀和銷釘位置對(duì)明銷直榫性能的影響。

1 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

參照西南地區(qū)民族木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法共制作10個(gè)木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，試件類型分為無(wú)銷釘直榫節(jié)點(diǎn)、明圓銷釘直榫節(jié)點(diǎn)、明方銷釘直榫節(jié)點(diǎn)等5類節(jié)點(diǎn)，每類節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2個(gè)，試件基本參數(shù)見(jiàn)圖1和表1。試驗(yàn)中的木材選取當(dāng)?shù)亟ㄖ捎玫纳寄?，木材的?shí)測(cè)材料力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 試件構(gòu)造及尺寸圖/mm

試件基本參數(shù) 表1

實(shí)測(cè)杉木材料力學(xué)性能 表2

1.2 加載方案

明銷直榫節(jié)點(diǎn)力學(xué)試驗(yàn)在鋼結(jié)構(gòu)反力架上進(jìn)行，柱底在四面用角鋼進(jìn)行固定，在柱頂通過(guò)千斤頂1施加20kN軸向壓力[7]。為了防止節(jié)點(diǎn)試件在加載過(guò)程中向外彈出，在木柱中部和頂點(diǎn)兩側(cè)用鋼管進(jìn)行約束，如圖2所示。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)破壞的轉(zhuǎn)角在0.20～0.25rad之間，為了保證節(jié)點(diǎn)破壞，將加載點(diǎn)設(shè)置在距離立柱外邊緣400mm處，通過(guò)千斤頂2施加豎直向下的荷載。節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)加載過(guò)程采用位移控制，第1，2級(jí)的每級(jí)位移增幅為5mm，以后每級(jí)位移增幅為10mm，每級(jí)持續(xù)一段時(shí)間等節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定下來(lái)，再進(jìn)行下一級(jí)加載，直至枋端壓力無(wú)明顯增加或試件發(fā)生拔榫破壞為止。

在試驗(yàn)加載過(guò)程，采用位移計(jì)來(lái)記錄相關(guān)位移數(shù)據(jù)，力的采集采用力傳感器來(lái)記錄，采用應(yīng)變片來(lái)記錄直榫節(jié)點(diǎn)相關(guān)部位應(yīng)變，相關(guān)數(shù)據(jù)由動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行采集，位移計(jì)和應(yīng)變片的具體布置見(jiàn)圖2。

圖2 加載裝置示意圖

2 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

直榫節(jié)點(diǎn)在整個(gè)受力過(guò)程中經(jīng)歷彈性受力階段和塑性發(fā)展階段。加載初期，節(jié)點(diǎn)的木枋榫頭、木柱卯口和木銷釘之間逐漸擠壓密實(shí)，并伴隨木材發(fā)出輕微的聲響，這時(shí)榫卯節(jié)點(diǎn)和銷釘都無(wú)明顯破壞現(xiàn)象；隨著加載不斷加大，木枋的變形位移增大，對(duì)明銷直榫節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，木枋由于受到銷釘?shù)南拗?，無(wú)法發(fā)生軸線移動(dòng)，但木枋頂面和底面拔榫量逐漸增大，榫頭與卯口之間的擠壓作用逐漸加劇(圖3(a))，節(jié)點(diǎn)由于擠壓產(chǎn)生響聲也越來(lái)越大；隨著荷載進(jìn)一步加大，直榫節(jié)點(diǎn)變形更加明顯，榫頭與卯口局部出現(xiàn)擠壓劈裂現(xiàn)象，木枋和銷釘上都出現(xiàn)裂縫(圖3(b)和圖3(c))，聲音變?yōu)閺?qiáng)烈的劈裂破壞聲，這時(shí)直榫節(jié)點(diǎn)進(jìn)入傾覆狀態(tài)，木枋端加載力出現(xiàn)下降，加載試驗(yàn)結(jié)束(圖3(d))。

圖3 試件破壞形態(tài)圖

通過(guò)觀察，明銷直榫節(jié)點(diǎn)以木銷釘為中心發(fā)生變形，在加載末期，卯口和榫頭的局部受力超過(guò)木材的順紋和橫紋彈性屈服強(qiáng)度，局部壓縮變形較為明顯，柱與枋之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角也不斷加大，最大轉(zhuǎn)角可達(dá)0.22rad。木枋和木銷釘多處出現(xiàn)局部裂縫，但柱與枋整體較為完好，木銷釘也沒(méi)有發(fā)生擠壓斷裂現(xiàn)象，直榫節(jié)點(diǎn)破壞主要還是木材的局部壓縮破壞，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)整體無(wú)法繼續(xù)承受荷載，破壞形態(tài)見(jiàn)圖3。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 直榫節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

直榫節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖4所示。定義柱邊與枋邊的相對(duì)轉(zhuǎn)角為節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角θ，θ值通過(guò)枋上端位移計(jì)1與枋下端位移計(jì)2讀數(shù)之差與兩個(gè)位移計(jì)之間的豎向距離的比值來(lái)測(cè)定，彎矩為枋端加載荷載與力臂的乘積。

西南木結(jié)構(gòu)民居一般只有兩三層，在使用過(guò)程中外荷載較小，杉木直榫節(jié)點(diǎn)受力也較小。從圖4可以看出，直榫節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線在早期近似為直線，這是節(jié)點(diǎn)的彈性受力階段；隨著荷載的增加，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性發(fā)展階段。試驗(yàn)采用分段加載，在加載過(guò)程中，當(dāng)位移達(dá)到規(guī)定的位移時(shí)，停止繼續(xù)加載，這時(shí)木枋的變形會(huì)繼續(xù)增加，而出現(xiàn)卸載現(xiàn)象，在彎矩轉(zhuǎn)角曲線上表現(xiàn)為曲線的下降鋸齒段，但彎矩-轉(zhuǎn)角曲線外圍輪廓依然是連續(xù)的。在加載初期節(jié)點(diǎn)之間連接較為緊密，所以彎矩隨轉(zhuǎn)角增加而快速增大，為彈性階段；此后隨著榫頭與卯口的擠壓變形加劇，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性變形階段，曲線增長(zhǎng)變緩；繼續(xù)加載，此時(shí)由于節(jié)點(diǎn)區(qū)變形過(guò)大，最大轉(zhuǎn)角達(dá)到0.22rad，節(jié)點(diǎn)彎矩值已經(jīng)不再繼續(xù)增加，開(kāi)始出現(xiàn)下降，節(jié)點(diǎn)喪失繼續(xù)承受增大荷載的能力，停止加載，試驗(yàn)結(jié)束。

圖4 直榫節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

2.2.2 直榫節(jié)點(diǎn)總體拔榫量

直榫節(jié)點(diǎn)木枋頂面(位移計(jì)1)和底面(位移計(jì)2)總體拔榫量-轉(zhuǎn)角關(guān)系見(jiàn)圖5。從圖中可以看出，木枋頂面拔榫量為正向拉伸位移，隨著轉(zhuǎn)角的增大而線性增大；木枋底面拔榫量為壓縮位移，隨著轉(zhuǎn)角的增大而線性增大；且總體上木枋頂面的拔榫量要大于木枋底面拔榫量。

圖5 直榫節(jié)點(diǎn)總體拔榫量-轉(zhuǎn)角曲線

2.2.3 木枋側(cè)面應(yīng)變關(guān)系

木枋側(cè)面不同高度處的應(yīng)變和轉(zhuǎn)角的關(guān)系見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出，木枋截面中性線和截面上側(cè)處于受拉狀態(tài)，截面下側(cè)處于壓縮狀態(tài)，木枋下側(cè)應(yīng)變達(dá)到1 500με，已達(dá)其抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，這時(shí)已經(jīng)進(jìn)入塑形狀態(tài)，且截面上應(yīng)變隨著轉(zhuǎn)角的增大而增大。

圖6 木枋側(cè)面應(yīng)變-轉(zhuǎn)角曲線

2.2.4 木枋頂面、底面應(yīng)變

木枋頂面和底面的應(yīng)變與轉(zhuǎn)角的關(guān)系見(jiàn)圖7。從圖中可以看出，木枋頂面應(yīng)變一直受拉且隨著轉(zhuǎn)角的增大而增大；木枋底面應(yīng)變?cè)陂_(kāi)始時(shí)為受壓而后期表現(xiàn)為受拉，這由應(yīng)變片的布置位置所決定。從圖2(b)可以看出，木枋底面應(yīng)變片布置在靠近榫卯節(jié)點(diǎn)的根部，開(kāi)始加載時(shí)，由于榫卯處局部壓縮不大，應(yīng)變片處表現(xiàn)為壓縮狀態(tài)，但隨著荷載的增大，局部壓縮變形不斷加大，在靠近局部壓縮變形區(qū)域出現(xiàn)了受拉區(qū)域，這時(shí)應(yīng)變表現(xiàn)為受拉，同木枋下側(cè)應(yīng)變-轉(zhuǎn)角曲線表現(xiàn)相同。

圖7 木枋頂面和底面應(yīng)變-轉(zhuǎn)角曲線

2.2.5 木枋下柱軸向應(yīng)變

木枋下柱軸向應(yīng)變-轉(zhuǎn)角曲線見(jiàn)圖8。從圖8中可以看出，木枋下木柱應(yīng)變開(kāi)始為受壓，隨著荷載增大而變?yōu)槭芾?，且隨著轉(zhuǎn)角的增大拉應(yīng)變不斷增大，其原因和木枋下側(cè)應(yīng)變類似，也是由應(yīng)變片的布置位置所決定。

圖8 木枋下柱軸向應(yīng)變-轉(zhuǎn)角曲線

2.2.6 銷釘處的應(yīng)變

銷釘處應(yīng)變-轉(zhuǎn)角曲線見(jiàn)圖9。從圖中可以看出，銷釘處切向應(yīng)變?yōu)閴嚎s應(yīng)變，且壓縮應(yīng)變隨轉(zhuǎn)角的增大而增大；而銷釘處軸向應(yīng)變總體表現(xiàn)為壓縮應(yīng)變，但由于直榫節(jié)點(diǎn)在壓縮過(guò)程中，銷釘對(duì)木枋軸向作用相對(duì)不規(guī)則，所以應(yīng)變-轉(zhuǎn)角曲線表現(xiàn)出局部突變的現(xiàn)象。

圖9 銷釘處應(yīng)變-轉(zhuǎn)角曲線

3 相關(guān)參數(shù)分析

3.1 銷釘?shù)挠绊?/h3>

銷釘可以有效地約束木枋的軸向變形，在受力過(guò)程中，銷釘和木柱之間發(fā)生擠壓，木柱和銷釘都會(huì)發(fā)生局部壓縮，見(jiàn)圖10。明銷釘直榫節(jié)點(diǎn)在外力作用下橫向變形很小，以銷釘為中心發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；而無(wú)銷釘直榫節(jié)點(diǎn)在外力作用下發(fā)生橫向變形和轉(zhuǎn)動(dòng)；為了將兩種類型直榫節(jié)點(diǎn)的彎矩進(jìn)行比較，力臂統(tǒng)一取力作用點(diǎn)到木柱邊的距離。

圖10 圓銷釘變形圖

兩種類型直榫節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線見(jiàn)圖11。從圖11中可以看出，兩種類型彎矩-轉(zhuǎn)角曲線類似，銷釘對(duì)直榫節(jié)點(diǎn)的彎矩有一定的提高作用。

圖11 圓銷釘和無(wú)銷釘直榫節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

兩種類型直榫節(jié)點(diǎn)拔榫量-轉(zhuǎn)角曲線見(jiàn)圖12。從圖中可以看出，圓銷釘直榫節(jié)點(diǎn)其榫頭上下的拔榫量小于無(wú)銷釘直榫節(jié)點(diǎn)，總體都是拔榫量隨轉(zhuǎn)角增大而不斷增大。

圖12 圓銷釘和無(wú)銷釘直榫節(jié)點(diǎn)的拔榫量-轉(zhuǎn)角曲線

3.2 銷釘形狀的影響

本文采用了兩種銷釘，一種是直徑為20mm的圓銷釘和邊長(zhǎng)為20mm的方形銷釘，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)方銷釘在受力過(guò)程中棱角會(huì)出現(xiàn)磨損，但由于本次試驗(yàn)采用的是單向加載，所以磨損量并不大，見(jiàn)圖13。

圖13 方銷釘變形圖

兩種形狀銷釘直榫節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線和拔榫量-轉(zhuǎn)角曲線分別見(jiàn)圖14和圖15。從中可以看出，方銷釘對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束比圓銷釘要高，首先是方銷釘面積大于圓銷釘，同時(shí)銷釘在周圍約束情況下，其力學(xué)性能得到較大的提高，不會(huì)在外力作用下出現(xiàn)橫紋劈裂，所以方銷釘?shù)睦饨悄軌驅(qū)δ捐实霓D(zhuǎn)動(dòng)提供更多的約束。這從圖13中也可以看出，表現(xiàn)在曲線上，就是方銷釘直榫節(jié)點(diǎn)的彎矩曲線要高于圓銷釘直榫節(jié)點(diǎn)，方銷釘直榫節(jié)點(diǎn)的頂面和底面拔榫量要小于圓銷釘直榫節(jié)點(diǎn)。

圖14 圓銷釘和方銷釘直榫節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

圖15 圓銷釘和方銷釘直榫節(jié)點(diǎn)的拔榫量-轉(zhuǎn)角曲線

3.3 偏心位置影響

為了考慮銷釘偏心對(duì)明銷直榫節(jié)點(diǎn)的影響，本文制作了圓銷釘和方銷釘分別位于1/4高度處的明銷直榫節(jié)點(diǎn)，并把它與銷釘位于中心處明銷直榫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了比較。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單向加載情況下，線彈性階段偏心銷釘明銷直榫節(jié)點(diǎn)承載能力較大；而塑性階段，偏心銷釘明銷直榫節(jié)點(diǎn)和中心銷釘明銷直榫節(jié)點(diǎn)的變形形態(tài)和受力特性都沒(méi)有明顯變化;兩種類型的彎曲-轉(zhuǎn)角曲線和拔榫量-轉(zhuǎn)角曲線幾乎重合，這是由于塑性階段，榫頭與卯口塑性區(qū)域不斷擴(kuò)大，最終出現(xiàn)全截面塑性變形，見(jiàn)圖16和圖17。

圖16 不同位置銷釘直榫節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

圖17 不同位置銷釘直榫節(jié)點(diǎn)拔榫量-轉(zhuǎn)角曲線

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)西南地區(qū)民族木結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的明銷直榫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了單調(diào)加載試驗(yàn)，并將其與無(wú)銷釘直榫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較，研究了明銷直榫節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)理、破壞形式，探討了銷釘形狀和銷釘位置對(duì)明銷直榫性能的影響，得到以下主要結(jié)論：

(1)明銷直榫節(jié)點(diǎn)在單向加載的情況下，其彎矩-轉(zhuǎn)角曲線大致分為彈性受力階段和塑性發(fā)展階段，節(jié)點(diǎn)的失效主要是木材強(qiáng)度的破壞導(dǎo)致變形過(guò)大而失去承載力，柱與枋本身較為完好。

(2)通過(guò)節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，銷釘對(duì)直榫節(jié)點(diǎn)有一定約束作用，能提高直榫節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，降低其拔榫量；方形銷釘對(duì)直榫節(jié)點(diǎn)約束性更強(qiáng)，銷釘?shù)奈恢脤?duì)直榫節(jié)點(diǎn)沒(méi)有影響。