膠合木結(jié)構(gòu)植筋連接性能研究現(xiàn)狀

郭峰旭，房 夢(mèng)，李 軍，*，王 燕

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525；2.山東省金鄉(xiāng)縣水務(wù)局，濟(jì)寧 272200)

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于住宅建筑、公共建筑，隨著膠合木進(jìn)入中國(guó)木結(jié)構(gòu)市場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)和構(gòu)件形式也受到工程界的關(guān)注。膠合木克服原木的缺點(diǎn)，由短變長(zhǎng)、積薄為厚、層板優(yōu)化，使現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑具備了跨度空間大、承載能力高、耐火性能好的優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在膠合木植筋連接的黏結(jié)性能、植筋節(jié)點(diǎn)抗震性能等方面做了較多研究，其中前者通常首先被關(guān)注。膠合木植筋連接中需要注入黏結(jié)材料，即黏結(jié)膠，由于注膠量的控制、木材孔內(nèi)壁的粗糙度等存在不穩(wěn)定性，迄今關(guān)于黏結(jié)材料對(duì)植筋連接性能影響的研究尚不充分。我國(guó)膠合木植筋連接節(jié)點(diǎn)研究相對(duì)較少，應(yīng)用也不甚廣泛，有必要明確進(jìn)一步的研究?jī)?nèi)容和空間。本文分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)植筋技術(shù)、植筋式膠合木結(jié)構(gòu)、膠合木植筋連接相關(guān)研究、膠合木植筋節(jié)點(diǎn)性能以及膠合植筋研究方法的研究現(xiàn)狀，闡述尚待解決的問(wèn)題，對(duì)于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用具有重要意義。

1 植筋技術(shù)

植筋技術(shù)最早廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固與補(bǔ)強(qiáng)，因?yàn)槿藗儗?duì)新建建筑物的需求相對(duì)減退，很多人選擇在已有的建筑基礎(chǔ)上進(jìn)行維修加固，這種方式更加綠色，更加環(huán)保，從而使植筋技術(shù)的發(fā)展得到促進(jìn)。我國(guó)在混凝土植筋技術(shù)方面雖然相對(duì)國(guó)外起步較晚，但從2000年開(kāi)始后的幾年內(nèi)，在抗拉拔性能、節(jié)點(diǎn)抗震性能方面有了一定數(shù)量的代表性成果。熊學(xué)玉等[1]研究了不同埋深試件可能會(huì)出現(xiàn)的破壞模式，認(rèn)為屈服破壞模式為較理想。閆鋒等[2]采用循環(huán)往復(fù)加載試驗(yàn)研究了4種結(jié)構(gòu)膠混凝土柱的破壞形態(tài)、承載力以及抗震性能，認(rèn)為這些參數(shù)與非植筋整澆混凝土試件相差不大。迄今，我國(guó)尚無(wú)混凝土植筋方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

受混凝土植筋技術(shù)的啟發(fā)，國(guó)內(nèi)外木結(jié)構(gòu)植筋技術(shù)研究有了新的進(jìn)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于梁端拼接、柱腳連接以及墻體的錨固和木結(jié)構(gòu)橋梁等。早在20世紀(jì)80年代國(guó)外就對(duì)膠合木中植入螺紋桿的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。近年，MEHRAB Madhoushi等[3]研究了基于玻璃纖維增強(qiáng)塑料植筋接長(zhǎng)技術(shù)的旋切板膠合木植筋連接性能，認(rèn)為梁韌性大、能量吸收作用明顯。孫小鸞等[4]提出新型裝配式植筋木網(wǎng)殼植筋節(jié)點(diǎn)，并研究了不同參數(shù)影響下的節(jié)點(diǎn)受力性能。

日本建筑學(xué)會(huì)在2009年出版的《木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中，就圖1所示組合桿式接頭的抗拉、抗彎和抗剪性能計(jì)算提出了建議公式[5]，值得我國(guó)借鑒。

圖1 組合桿接頭的受力特征

2 植筋式膠合木結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，膠合木在國(guó)內(nèi)外木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用中受到青睞。膠合木結(jié)構(gòu)形式種類(lèi)多樣，本文僅就植筋式膠合木結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述，就目前應(yīng)用情況看，主要包括木框架結(jié)構(gòu)、大跨木結(jié)構(gòu)。

2.1 木框架結(jié)構(gòu)

膠合木結(jié)構(gòu)植筋方式多用于柱與基礎(chǔ)連接、梁柱連接，適用于框架結(jié)構(gòu)。國(guó)外較早將膠合木植筋用于框架結(jié)構(gòu)。FAIRWEATHER R H針對(duì)多層木結(jié)構(gòu)建筑的4種梁柱連接形式[6]，分別采用不同種類(lèi)植筋與環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑植入梁柱構(gòu)件進(jìn)行連接，通過(guò)試驗(yàn)證明所采用的梁柱植筋節(jié)點(diǎn)延性較好，環(huán)氧樹(shù)脂表現(xiàn)出的黏結(jié)強(qiáng)度比木材更強(qiáng)，采用膠合木植筋連接方式可充分利用膠合木強(qiáng)度、增加節(jié)點(diǎn)剛度。

我國(guó)已有多層木結(jié)構(gòu)框架案例，但植筋連接主要體現(xiàn)在局部，如柱-基礎(chǔ)連接[7]。這種裝配式框架結(jié)構(gòu)安裝方便，外觀木質(zhì)感突出。王洪鶴[8]對(duì)2種不同的意楊旋切板木框架結(jié)構(gòu)通過(guò)擬靜力試驗(yàn)進(jìn)行了研究，認(rèn)為意楊LVL螺栓鋼填板連接純框架的承載力大于植筋連接純框架，但是植筋連接純框架的抗側(cè)剛度要略勝于螺栓鋼填板連接框架。

植筋方式還可以用于加強(qiáng)剛架的力學(xué)性能。JUNG H J等分別采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)桿和金屬桿植入落葉松膠合木門(mén)式剛架[9]，對(duì)門(mén)式剛架施加橫向荷載，結(jié)果表明兩種植筋構(gòu)成的門(mén)式剛架的承載力、剛度等性能幾乎相同。

總體來(lái)看，膠合木結(jié)構(gòu)植筋方式適用于抗側(cè)能力要求較高的框架結(jié)構(gòu)，在節(jié)點(diǎn)延性、剛度等方面具有優(yōu)勢(shì)，可以使膠合木的強(qiáng)度得到充分利用。

2.2 大跨木結(jié)構(gòu)

孫小鸞等[4]通過(guò)試驗(yàn)方法研究了不同截面網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)的受力性能，認(rèn)為矩形截面試件受彎承載力大于方形截面試件。VAEK M以K6型單層木網(wǎng)殼的鋼轂與植筋混合網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象[10]，依據(jù)實(shí)際受力情況對(duì)網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬分析，結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)無(wú)較大彎曲變形，受力性能良好。從實(shí)際試驗(yàn)情況看，初始缺陷對(duì)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，因此，初期安裝偏差影響值得重視。

目前來(lái)看，大跨木結(jié)構(gòu)的研究主要集中在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，盡管膠合木植筋連接方式也可應(yīng)用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)中[11-12]，但相關(guān)報(bào)道較少，膠合木植筋在大跨木結(jié)構(gòu)方面的研究與應(yīng)用有待深入。

3 膠合木植筋連接黏結(jié)性能研究現(xiàn)狀

膠合木植筋連接研究目前主要包括兩方面，即基于拉拔試驗(yàn)的膠合木植筋連接黏結(jié)性能研究、構(gòu)件相連接或拼接組成的試件中植筋連接處的受力性能研究。關(guān)于連接的計(jì)算方法，國(guó)內(nèi)外尚未形成共識(shí)。

3.1 膠合木植筋連接黏結(jié)性能的影響因素

圖2所示為膠合木植筋基本連接件，由膠合木、膠層和植筋組成。該連接可能會(huì)產(chǎn)生以下破壞模式：植筋發(fā)生屈服破壞的植筋屈服模式、膠層發(fā)生剪切破壞的植筋剪切模式、膠層周?chē)l(fā)生的局部木材破壞模式、木材自身破壞模式。大量研究表明植筋連接宜按照植筋屈服破壞模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。以下從膠合木、植筋、膠層以及幾何參數(shù)4個(gè)方面的影響分別闡述。

圖2 膠合木植筋基本連接件剖面

1) 膠合木的影響：目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究主要集中于木材的密度和含水率。

CIMADEVILA J Esteves[13]和CHANS M D Otero[14]等對(duì)兩種不同密度的木材進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：隨著木材密度的增大植筋的抗拔性能也隨之增大，但是二者之間并不存在線(xiàn)性關(guān)系。理論上，木材密度對(duì)于植筋的抗拔性能影響是通過(guò)改變其他參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即隨著木材密度的增加影響膠合植筋抗拔性能的參數(shù)也會(huì)產(chǎn)生改變，說(shuō)明木材密度的影響是間接的。國(guó)內(nèi)學(xué)者聶玉靜[15]對(duì)兩種不同密度木材進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，指出木材密度在一定程度上會(huì)使其他參數(shù)發(fā)生改變，間接影響膠合植筋抗拔性能。

含水率會(huì)影響植筋連接的強(qiáng)度，主要因?yàn)槟静暮实淖兓沟媚静陌l(fā)生干濕縮漲，膠層與木材之間的連接應(yīng)力會(huì)隨著含水率的增大而變小[16]。同時(shí)含水率變化的影響與使用的膠粘劑的種類(lèi)也有一定的關(guān)系，AICHER S等[17]在高濕度環(huán)境下，對(duì)不同膠粘劑制作的植筋試件進(jìn)行試驗(yàn)研究，認(rèn)為選用環(huán)氧樹(shù)脂膠合植筋試件基本不受高濕度環(huán)境影響。RIBERHOLT H[18]的試驗(yàn)研究表明：環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑受木材含水率變化影響較小，而含水率對(duì)木材本身受力性能影響較大。

2) 植筋的影響：通常采用鋼筋作為植筋。湯舉等[19]采用試驗(yàn)方法研究了相同直徑的光圓鋼筋與螺紋鋼筋的抗拉拔性能，結(jié)果表明：后者的極限破壞荷載遠(yuǎn)高于前者。玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)和碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)也可以作為植筋，其優(yōu)點(diǎn)在于輕質(zhì)、易加工、耐腐蝕性好[20]。

3) 膠層的影響：用于植筋連接的膠粘劑種類(lèi)很多，目前應(yīng)用最多的是環(huán)氧樹(shù)脂(EXP)膠粘劑。BROUGHTON J G等[21]通過(guò)試驗(yàn)方法，研究了不同種類(lèi)膠粘劑的植筋試件，指出環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑試件較其他試件具有較強(qiáng)的抗拔承載力。聶玉靜[15]采用單端與雙端拉拔試驗(yàn)方法研究了環(huán)氧樹(shù)脂膠與木材、植筋的黏結(jié)性能，證明其具有良好的黏結(jié)強(qiáng)度，抗拔承載力較高。

4) 幾何參數(shù)的影響：植筋的錨固長(zhǎng)度顯著影響膠合木植筋連接的承載力以及破壞模式[22]，主要表現(xiàn)為隨著錨固長(zhǎng)度的增加植筋連接承載能力提高但不伴隨明顯的線(xiàn)性關(guān)系。但是，植筋的直徑對(duì)膠合木植筋連接的抗拔承載力影響不呈明顯的線(xiàn)性關(guān)系[23]。SENNO M等提出將植筋直徑與錨固長(zhǎng)度兩參數(shù)結(jié)合，即將長(zhǎng)細(xì)比作為影響植筋連接承載能力的因素[24]。TLUSTOCHOWICZ G等指出多桿植筋構(gòu)件中的植筋邊距與植筋間距對(duì)承載力的影響顯著[25]，并提出最小邊距2.5d、間距不宜小于4d的建議，其中d為植筋直徑。有研究表明：當(dāng)植筋膠層厚度不斷增加時(shí)，植筋連接承載力會(huì)有一定程度的增大，隨后趨于穩(wěn)定，建議膠層厚度取2～4 mm[8]。

3.2 基于拉拔試驗(yàn)的膠合木植筋連接黏結(jié)性能計(jì)算

國(guó)內(nèi)外對(duì)木結(jié)構(gòu)植筋連接黏結(jié)性能研究較多，所提出的計(jì)算方法具體可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)為基于拉拔試驗(yàn)的膠合木植筋連接性能；另一類(lèi)為膠合木植筋連接組合桿式接頭受力性能計(jì)算方法，后者在植筋節(jié)點(diǎn)部分介紹。

AICHER S等[26]考慮錨固長(zhǎng)度(la)、植筋直徑(da)影響，首先提出軸向拉拔力Fax,mean=πdalafv,mean，其中fv,mean為植筋的平均錨固強(qiáng)度；又考慮密度影響對(duì)上述軸向拉拔力計(jì)算公式進(jìn)行了修正[17]。STEIGER R[27]和WIDMANN R[28]等分別提出橫紋植筋和順紋植筋時(shí)的軸向拉拔力計(jì)算公式，指出：拉拔力的大小與植筋從木材不同紋理方向植入相關(guān)，不同方向植入植筋連接的計(jì)算方法不同。

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)基于拉拔試驗(yàn)的膠合木植筋連接黏結(jié)性能計(jì)算研究成果突出，湯舉等提出了鋼筋屈服狀態(tài)下的極限破壞荷載和平均剪切強(qiáng)度計(jì)算公式[19]，公式中引入了長(zhǎng)細(xì)比概念，即植筋錨固長(zhǎng)度與直徑的比值。凌志彬[29]通過(guò)螺紋鋼植筋試件與螺紋桿植筋試件的拉拔試驗(yàn)研究，提出植筋連接拉拔試件承載力計(jì)算公式。

綜上所述，對(duì)于膠合植筋的連接計(jì)算方法國(guó)內(nèi)外都有一定的研究成果，但影響連接性能的因素有很多，仍待深入探討。

4 膠合木植筋節(jié)點(diǎn)性能研究現(xiàn)狀

4.1 膠合木植筋節(jié)點(diǎn)受力性能研究

膠合木植筋連接節(jié)點(diǎn)主要包括梁-柱節(jié)點(diǎn)、柱-基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這些節(jié)點(diǎn)的受力性能研究方面做出諸多貢獻(xiàn)。

凌志彬[29]采用試驗(yàn)方法研究了引入耗能連接件的組合式膠合木植筋連接節(jié)點(diǎn)抗震性能，指出與純植筋節(jié)點(diǎn)相比組合式植筋節(jié)點(diǎn)雖然剛度略微降低，但其耗能能力高、延性性能好、加工安裝方便且易于檢修。時(shí)境晶等[30]以重型木結(jié)構(gòu)植筋節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，分析了該類(lèi)植筋節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理、破壞模式，認(rèn)為植筋屈服破壞能夠充分發(fā)揮植筋節(jié)點(diǎn)的耗能能力。BUCHANAN A H等[31]提出一種帶有加強(qiáng)支架的膠合木梁柱植筋節(jié)點(diǎn)，即在梁柱接觸處引用金屬連接件分別和梁柱伸出的植筋相連接，試驗(yàn)研究結(jié)果表明：采用這種連接方式的節(jié)點(diǎn)在滿(mǎn)足承載力的同時(shí)又提高了其抗震性。

PARIDA G等[32]的裝配式木墻體試驗(yàn)研究表明：木墻體具有較高的承載力和剛度，但其延性較低，最終的破壞模式為植筋木材的剪切破壞，要避免這種脆性破壞模式還需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)膠合木梁柱植筋連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究相對(duì)較多，由于整體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)難以在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，數(shù)值模型的精確性就顯得非常重要，考慮節(jié)點(diǎn)剛度的整體結(jié)構(gòu)分析具有合理性。

4.2 膠合木植筋節(jié)點(diǎn)中的各部位計(jì)算

4.2.1 梁柱植筋節(jié)點(diǎn)受彎矩作用時(shí)的計(jì)算模型

對(duì)于梁柱植筋節(jié)點(diǎn)彎矩承載力的計(jì)算可以轉(zhuǎn)化為受拉植筋的拉力和受壓植筋的壓力、膠合木所受拉力與壓力組成的力偶，圖3為梁柱植筋節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型。

圖3 計(jì)算模型

4.2.2 拼接節(jié)點(diǎn)和梁柱節(jié)點(diǎn)中的各部位計(jì)算

圖1所示拼接節(jié)點(diǎn)和梁柱節(jié)點(diǎn)中的植筋抗拉、接頭處抗彎和節(jié)點(diǎn)抗剪性能，依據(jù)《木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[5]計(jì)算如下。

1) 植筋所受軸力Ra的計(jì)算：

Ra=min(τ×A′,at×ft)

(1)

式中：τ為黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；A′為有效黏結(jié)面積，mm2；at為鋼筋的截面面積，mm2；ft為鋼筋的抗拉強(qiáng)度，MPa。

2) 接頭處所受彎矩Ma的計(jì)算：

Ma=min(τ×A′,at×ft)×j

(2)

式中：j為上下植筋之間的距離。

3) 節(jié)點(diǎn)所受剪力Qa的計(jì)算：

Qa=ag×fs

(3)

式中：ag為承受剪力的鋼筋截面面積；fs為承受剪力的鋼筋的抗剪強(qiáng)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

膠合木植筋連接性能受多種因素影響。木材選擇間接地影響膠合植筋連接黏結(jié)性能；植筋直徑越大，試件的剛度越大；當(dāng)植筋邊距較小時(shí)，試件易發(fā)生劈裂破壞，應(yīng)控制邊距；植筋不宜采用光圓筋，可采用復(fù)合材料進(jìn)行膠合木植筋連接；膠層厚度建議取2～4 mm；膠合木植筋連接在高溫等外界環(huán)境影響下的黏結(jié)錨固性能如何還需做深入研究。值得重視的是：市場(chǎng)上膠粘劑種類(lèi)多樣，廠家配比不一，適于膠合木植筋并具有較好穩(wěn)定性的膠粘劑性能指標(biāo)有待明確。

膠合木植筋連接的研究和應(yīng)用范圍有待擴(kuò)展。目前植筋多用于木框架梁端拼接、膠合木橋梁等，植筋技術(shù)用于大跨木結(jié)構(gòu)已經(jīng)可行?，F(xiàn)階段大跨木結(jié)構(gòu)的研究主要集中在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)方面的植筋研究較少。用于大跨木結(jié)構(gòu)的植筋試件的力學(xué)性能研究已有報(bào)道，但關(guān)于大跨木結(jié)構(gòu)中的植筋節(jié)點(diǎn)研究較少，考慮節(jié)點(diǎn)剛度的結(jié)構(gòu)整體分析有待深化。從膠合木植筋連接性能的研究現(xiàn)狀看，應(yīng)用于大跨結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究從數(shù)量和內(nèi)容上尚顯不足，精細(xì)化的數(shù)值模擬研究更為鮮見(jiàn)。

已有研究多采用靜力加載、考慮拉拔性能，但實(shí)際工程往往還伴有彎矩作用，甚至還有疲勞破壞可能，有必要結(jié)合結(jié)構(gòu)形式進(jìn)一步考慮整體工況進(jìn)行研究。

膠合木植筋連接在耐久性方面應(yīng)該存在一定的優(yōu)勢(shì)，但相關(guān)研究仍鮮見(jiàn)報(bào)道。