鋼夾板螺栓連接膠合木梁抗彎性能研究

陳愛(ài)軍，彭潤(rùn)勃，賀國(guó)京，王皓磊，王解軍

(中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

膠合木是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保建筑材料，具有材性良好、建造靈活、強(qiáng)質(zhì)比高、保溫隔熱、和諧美觀等優(yōu)點(diǎn)[1?2]，被廣泛應(yīng)用于房屋、橋梁等工程領(lǐng)域[3?4]。隨著我國(guó)天然林業(yè)面積減少，建設(shè)結(jié)構(gòu)用材短缺，膠合木的制作與生產(chǎn)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口木材，而東北落葉松作為國(guó)內(nèi)速生木材，適應(yīng)性強(qiáng)，木材性能優(yōu)良，在我國(guó)發(fā)展東北落葉松膠合木具有天然優(yōu)勢(shì)和廣闊前景。如位于張(張家界)花(垣)高速公路張家界服務(wù)區(qū)的現(xiàn)代膠合木結(jié)構(gòu)人行天橋[5]。現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)工程正向著大跨、高層發(fā)展，對(duì)大構(gòu)件膠合木梁的需求越來(lái)越大。通常需要對(duì)膠合木梁進(jìn)行拼接或接長(zhǎng)以滿足結(jié)構(gòu)要求，為實(shí)現(xiàn)膠合木梁長(zhǎng)度的跨越，通常采用螺栓連接(如木-木相接)、鋼填板螺栓連接、黏鋼連接和鋼夾板螺栓連接等方式來(lái)接長(zhǎng)膠合木梁[6]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)膠合木梁螺栓連接這種連接方式開(kāi)展了大量的試驗(yàn)與理論研究。KAMBE 等[7]采用日本落葉松制成的膠合木進(jìn)行螺栓連接，通過(guò)改變連接件的螺栓直徑和端距進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明螺栓端距較小試件的破壞形式表現(xiàn)為脆性破壞，而螺栓端距較大的試件表現(xiàn)為延性破壞。HP 等[8]對(duì)鋼夾板螺栓連接膠合木構(gòu)件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)研究，結(jié)果表明加拿大木結(jié)構(gòu)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果偏于保守，并提出鋼夾板螺栓連接件極限荷載計(jì)算方法。ATAEI 等[9]進(jìn)行擴(kuò)展端板的螺栓連接鋼木組合梁柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明螺栓連接的鋼木梁柱節(jié)點(diǎn)具有良好的轉(zhuǎn)動(dòng)能力和延性，木材厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響顯著。XU 等[10]以拉、壓、剪等不同受力形式的螺栓連接木結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，探討了其非線性本構(gòu)關(guān)系，結(jié)果表明有限元模型能夠有效預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)剛度和實(shí)效荷載等。HE等[11]通過(guò)變換螺栓直徑及排列形式等參數(shù)，研究初始裂縫對(duì)鋼填板螺栓連接承載力的影響，基于屈服理論和斷裂力學(xué)，提出了計(jì)算模型且得到了試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。王明謙等[12]對(duì)膠合木梁柱鋼填板連接節(jié)點(diǎn)在純彎與彎剪作用下進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)受彎承載力和延性隨節(jié)點(diǎn)剪彎比的增大而減小，基于Van Der Put 模型的節(jié)點(diǎn)受彎承載力計(jì)算結(jié)果具有較好的精度。羅烈等[13]對(duì)20 個(gè)鋼填板-螺栓連接膠合木梁柱試件進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，研究其節(jié)點(diǎn)橫紋受力性能，結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)破壞均為木材橫紋劈裂脆性破壞，非加載邊的邊距對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能影響較為顯著。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)普通螺栓連接和鋼填板螺栓連接的試驗(yàn)研究較多，而鋼夾板螺栓連接兼顧普通螺栓連接傳力簡(jiǎn)單、安裝便捷的特點(diǎn)，同時(shí)鋼夾板對(duì)稱布置于膠合木兩側(cè)，無(wú)需對(duì)膠合木構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)行切割[14]，保證膠合木能夠全截面受力，能提高膠合木梁接長(zhǎng)構(gòu)件的承載能力。本文在已有研究的基礎(chǔ)上[15-19]，采用有限元計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)采用鋼夾板螺栓連接方式進(jìn)行接長(zhǎng)的膠合木梁的抗彎性能及其影響參數(shù)進(jìn)行研究，研究成果可為鋼夾板螺栓連接膠合木梁的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

為探討鋼夾板螺栓連接膠合木梁的抗彎性能，設(shè)計(jì)制作了13 組共39 根試驗(yàn)梁，設(shè)計(jì)參數(shù)和構(gòu)造分別如表1 和圖1 所示。其中，編號(hào)M 的為純膠合木梁組，其余編號(hào)的均為鋼夾板螺栓連接膠合木梁組。根據(jù)《中國(guó)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》關(guān)于螺栓排列最小間距的規(guī)定，36 根鋼夾板螺栓連接膠合木梁試件中螺栓直徑為6 mm，螺栓端距為50 mm，螺栓邊距為20 mm。膠合木和鋼夾板的預(yù)留螺孔直徑比螺栓直徑大1 mm，以保證膠合木梁與鋼夾板能夠順利連接安裝。

圖1 試件構(gòu)造圖Fig.1 Configuration of specimens

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Specimen design parametersmm

1.2 試件材料

鋼夾板螺栓連接膠合木梁試件均由東北落葉松膠合木、Q345 鋼板、8.8 級(jí)普通螺栓組合而成。根據(jù)我國(guó)木材和鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[20?24]的有關(guān)規(guī)定對(duì)膠合木和鋼夾板進(jìn)行材性試驗(yàn)，測(cè)得木材的物理力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2，測(cè)得鋼夾板屈服強(qiáng)度為310 MPa，極限強(qiáng)度為486 MPa，屈強(qiáng)比為0.63。螺栓的極限抗拉強(qiáng)度為600 MPa，屈服強(qiáng)度為580 MPa。

表2 木材的物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of wood

1.3 加載與測(cè)試方案

鋼夾板螺栓連接膠合木梁受彎性能試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎曲法加載，裝置如圖2所示。為防止膠合木梁產(chǎn)生局部擠壓破壞，在試驗(yàn)梁三分點(diǎn)加載處設(shè)置鋼板墊塊。試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)加載至1 kN，以消除螺栓與膠合木、鋼夾板間的拼接間隙，并檢驗(yàn)儀器正常運(yùn)行。正式試驗(yàn)采用單調(diào)分級(jí)加載模式，0～12 kN：每級(jí)荷載為2 kN；12 kN 后，每級(jí)荷載為1 kN直至試驗(yàn)梁破壞。

圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Device schematic of loading for test

為測(cè)試鋼夾板螺栓連接膠合木梁撓度和應(yīng)變的變化情況，在支座、L/4 及跨中截面兩側(cè)各設(shè)置1 個(gè)百分表，共6 個(gè)。在純彎段膠合木梁側(cè)面等間距布置5個(gè)應(yīng)變片，測(cè)試膠合木應(yīng)變沿截面高度的變化情況，膠合木梁頂、底面各布置1 個(gè)應(yīng)變片，在鋼夾板側(cè)面等間距布置3個(gè)應(yīng)變片。采用應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 構(gòu)件破壞現(xiàn)象

本試驗(yàn)中，同組試件的試驗(yàn)結(jié)果離散性較小，故每組隨機(jī)選取1個(gè)試件進(jìn)行分析。純膠合木梁試驗(yàn)過(guò)程：加載初期試驗(yàn)梁處于彈性階段；當(dāng)荷載達(dá)到12.0 kN 時(shí)，開(kāi)始聽(tīng)到輕微的木纖維拉斷的劈裂聲，跨中撓度為18.00 mm；增大荷載至18.3 kN時(shí)，跨中撓度達(dá)到30.67 mm，并伴隨有較大的木材開(kāi)裂響聲，膠合木梁下緣出現(xiàn)順紋方向裂縫，隨著荷載的增大該裂縫不斷擴(kuò)展；加載至22.8 kN時(shí)，膠合木梁純彎段下緣沿順紋方向裂縫迅速貫穿，跨中底部木纖維被拉斷，破壞形式表現(xiàn)為脆性受拉破壞。破壞形態(tài)如圖3所示。

圖3 純膠合木梁破壞現(xiàn)象Fig.3 Destruction phenomena of pure plywood beams

鋼夾板螺栓連接膠合木梁各組試件的試驗(yàn)現(xiàn)象基本類似。以試件B100 為例，當(dāng)荷載加載至6.3 kN時(shí)，試件發(fā)出輕微的開(kāi)裂響聲；當(dāng)荷載加至13.1 kN 時(shí)，膠合木梁發(fā)出連續(xù)劈裂聲，膠合木梁出現(xiàn)沿順紋方向的裂縫；當(dāng)荷載加至19.4 kN 時(shí)，縱向裂縫迅速向端部擴(kuò)展，同時(shí)跨中撓度明顯增加；當(dāng)荷載加載至23.8 kN 時(shí)，伴隨著清脆而響亮的木纖維劈裂聲，試件發(fā)生破壞，裂縫沿梁底部螺栓孔連線貫穿開(kāi)裂，拼接的2根膠合木梁發(fā)生明顯的錯(cuò)位現(xiàn)象。

加載過(guò)程中膠合木梁段和螺栓彎曲的轉(zhuǎn)動(dòng)中心隨著荷載的增加而變化，導(dǎo)致破壞后膠合木梁螺栓孔均發(fā)生不同方向的擠壓。底排螺栓和螺栓孔變形較為明顯，第1條貫穿裂縫通常出現(xiàn)在底排螺栓孔附近，且螺栓的彎曲程度隨著螺栓順紋間距增大而減小。

由試驗(yàn)破壞現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果表明螺栓并、錯(cuò)列布置方式和拼接兩段是否來(lái)源同一根膠合木對(duì)試驗(yàn)梁的抗彎承載力影響不大，而螺栓順紋間距對(duì)抗彎承載力影響較為明顯。鋼夾板-螺栓連接膠合木梁為拼接構(gòu)件，當(dāng)螺栓順紋間距較小時(shí)，試件的連接性能較弱且接縫降低了梁的整體性，故其抗彎承載力不及純膠合木梁。隨著螺栓順紋間距增大，鋼夾板?螺栓連接性能有所提高，梁的整體性增強(qiáng)可充分發(fā)揮膠合木材料的抗彎強(qiáng)度。試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)表現(xiàn)為沿底排螺栓孔連線產(chǎn)生縱向貫穿裂縫而破壞，抗彎承載力明顯提升。鋼夾板螺栓連接膠合木梁試件破壞形態(tài)如圖4所示，抗彎承載力及撓度如表3所示。

表3 試驗(yàn)梁抗彎承載力及撓度Table 3 Flexural bearing capacity and deflection of test beam

圖4 鋼夾板螺栓連接膠合木梁破壞現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Destruction phenomena of glued wood beams connected with steel splints and bolts

2.2 荷載?撓度曲線

試驗(yàn)梁的荷載?撓度曲線如圖5 所示，從圖中可以看出，各組試驗(yàn)梁的荷載?撓度曲線基本表現(xiàn)為二折線形式。由于在加載初期鋼夾板螺栓連接膠合木梁試件處于彈性階段，螺栓與膠合木連接緊密且受力均勻，撓度與荷載呈線性變化關(guān)系，故鋼夾板螺栓連接膠合木梁試件的初始抗彎剛度明顯高于純膠合木梁試件；隨著荷載增大，底排螺栓出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，螺栓彎曲變形擠壓螺栓孔壁導(dǎo)致螺栓與螺栓孔壁接觸面積減少，鋼夾板螺栓連接膠合木梁試件的荷載?撓度曲線斜率逐漸降低，各試件的抗彎剛度逐漸降低，甚至低于純膠合木梁。隨著荷載繼續(xù)增大，螺栓變形愈加明顯，最終由于底排螺栓孔受到嚴(yán)重的擠壓變形導(dǎo)致試件沿螺栓孔水平方向撕裂破壞。

圖5 試件荷載-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curves of specimens

鋼夾板螺栓連接膠合木梁在彈性階段的抗彎剛度相比純膠合木梁有明顯提升，且破壞時(shí)跨中撓度較純膠合木梁提高約40%。鋼夾板螺栓連接膠合木梁是采用螺栓和鋼夾板將2 段梁拼接而成的，在加載后期螺栓發(fā)生滑移，應(yīng)力集中在距離較遠(yuǎn)的某幾個(gè)螺栓上，導(dǎo)致該螺栓孔急劇擴(kuò)張，而使跨中撓度迅速增大。而純膠合木梁屬于木纖維撕裂或拉斷破壞，應(yīng)力相對(duì)分布均勻，故純膠合木梁破壞時(shí)的跨中撓度較小。

3 有限元分析

基于ANSYS 軟件建立鋼夾板螺栓連接膠合木梁三維實(shí)體模型，將有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，并對(duì)其抗彎性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3.1 有限元模型的建立

為準(zhǔn)確模擬試驗(yàn)梁的受彎性能，在有限元模型建立前應(yīng)對(duì)材料本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行定義。木材為各向異性材料，順紋方向強(qiáng)度高、彈性模量較大，而橫紋方向力學(xué)性能明顯較低[25]。本文不考慮膠合木梁的木節(jié)、干縮裂縫、斜紋等缺陷，在彈性階段將木材視為正交各向異性材料，采用ANSYS 中Orthotropic Elasticity本構(gòu)模型。木材在塑性階段和破壞階段，由于木材順紋抗壓性能為膠合木梁破壞的主要影響參數(shù)，該階段木材本構(gòu)模型采用等向強(qiáng)化模型。螺栓和鋼夾板均考慮為理想彈塑性模型。各構(gòu)件的材性參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 材性參數(shù)Table 4 Parameter of material property

試驗(yàn)梁的幾何模型由膠合木、鋼夾板、螺栓構(gòu)成，均采用實(shí)體單元SOLID186 進(jìn)行模擬。再通過(guò)分割命令將膠合木螺栓孔部位分割成帶螺栓孔的立方體小木塊，并將所有木塊與膠合木的接觸對(duì)均設(shè)置為綁定接觸，其余各構(gòu)件之間均采用摩擦接觸。根據(jù)材料屬性和摩擦試驗(yàn)確定各接觸面摩擦因數(shù)的取值，其中螺栓和鋼夾板與膠合木之間的摩擦因數(shù)均為0.2，螺栓與鋼夾板之間的摩擦因數(shù)為0.35，跨中拼接2 段膠合木之間的摩擦因數(shù)為0.4。

根據(jù)膠合木梁受力情況對(duì)不同部位網(wǎng)格進(jìn)行差異化劃分。膠合木梁在螺栓孔處通過(guò)實(shí)體分割，生成規(guī)則正六面體網(wǎng)格，并對(duì)跨中受力復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密；螺栓近似為圓柱體，將螺栓及螺栓孔沿圓周長(zhǎng)劃分為12 等份，螺栓和鋼夾板的網(wǎng)格尺寸均為6 mm。

試驗(yàn)中鋼夾板螺栓連接膠合木梁在位移達(dá)到50～65 mm 時(shí)發(fā)生破壞，故數(shù)值模擬中通過(guò)位移控制將模型的位移控制為65 mm。有限元模型的支承邊界與試驗(yàn)相同，均為簡(jiǎn)支。

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果

3.2.1 荷載-撓度曲線

將試驗(yàn)和有限元分析得到的荷載-撓度曲線(如圖5 所示)進(jìn)行對(duì)比可知：純膠合木梁有限元模型和試驗(yàn)的荷載-撓度曲線較為接近，但有限元模型計(jì)算出的剛度略大于試驗(yàn)梁，且變形能力略有增加，一方面有限元模擬中假定膠合木材料介質(zhì)均勻，而試驗(yàn)梁是通過(guò)層板膠合工藝制作而成的非均勻性材料；另一方面是由于膠合木梁存在木節(jié)、干縮裂縫及膠合層強(qiáng)度低等缺陷影響，其抗彎性能降低，故有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有所差異。觀察鋼夾板螺栓連接膠合木梁的6 組荷載?撓度曲線，在加載初期，鋼夾板螺栓連接膠合木梁在荷載作用下處于彈性階段，螺栓與螺栓孔緊密貼合提供良好的抗彎剛度，該階段試驗(yàn)梁的抗彎剛度比有限元計(jì)算的要高。但隨著荷載加大，螺栓擠壓螺栓孔產(chǎn)生變形導(dǎo)致試驗(yàn)梁的抗彎剛度有所降低，試驗(yàn)曲線與有限元模擬曲線開(kāi)始相交。隨著荷載繼續(xù)增大，跨中撓度不斷增大，試驗(yàn)曲線與有限元模擬曲線的走勢(shì)基本一致，直至發(fā)生破壞而停止。

3.2.2 抗彎承載力

螺栓并列布置和螺栓錯(cuò)列布置的試驗(yàn)與有限元模擬抗彎承載力的比較如圖6所示。隨著螺栓間距的增大，試件的抗彎承載力逐漸提高，無(wú)論螺栓并列或錯(cuò)列布置、螺栓間距等參數(shù)的變化，試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果吻合度極高，相對(duì)誤差小于4%，說(shuō)明有限元建模方法能夠準(zhǔn)確地計(jì)算鋼夾板螺栓連接膠合木梁抗彎承載力。

3.2.3 應(yīng)力分布云圖

圖7(a)表示B60 模型左側(cè)Z1～Z9 號(hào)螺栓的應(yīng)力分布云圖，螺栓最大應(yīng)力分布在跨中底部，彎曲變形最大的螺栓同樣位于跨中底部。螺栓群的外圍螺栓應(yīng)力較大，中間螺栓應(yīng)力較小。同時(shí)，螺栓應(yīng)力集中于螺桿三分點(diǎn)處，且應(yīng)力遠(yuǎn)大于螺栓屈服強(qiáng)度，表明試件破壞時(shí)螺栓已經(jīng)進(jìn)入塑性破壞階段。這與各試件破壞后螺栓的應(yīng)力分布、螺栓彎曲變形程度都基本一致。純膠合木梁的應(yīng)力云圖如圖7(b)所示，應(yīng)力云圖中底部應(yīng)力為正值表示拉應(yīng)力，頂部應(yīng)力為負(fù)值表示壓應(yīng)力，與純膠合木梁在荷載作用下底部受拉破壞的試驗(yàn)現(xiàn)象相吻合。圖7(c)分別表示B60 模型在荷載為10 kN和極限荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的鋼夾板應(yīng)力云圖。在加載初期，跨中頂排和底排螺栓孔產(chǎn)生較大應(yīng)力，此時(shí)螺栓間距越大最外側(cè)螺栓孔應(yīng)力值越?。浑S著荷載增大，應(yīng)力逐漸增大，跨中螺栓孔附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖7 應(yīng)力分布云圖Fig.7 Stress distribution of convective cloud

4 參數(shù)分析

運(yùn)用已驗(yàn)證的有限元建模方法，分別考慮螺栓端距和直徑、鋼夾板厚度以及膠合木厚度對(duì)鋼夾板螺栓連接膠合木梁抗彎性能的影響?；谠囼?yàn)結(jié)果，當(dāng)螺栓順紋間距為100 mm 時(shí)抗彎承載力較大，故參數(shù)分析模型的螺栓順紋間距均取100 mm。螺栓端距和直徑、鋼夾板厚度3 個(gè)參數(shù)的膠合木梁尺寸與試驗(yàn)梁尺寸一致，僅改變膠合木梁厚度(表1 中膠合木梁寬度)參數(shù)，長(zhǎng)度和高度也均與試驗(yàn)梁的尺寸一致。各影響參數(shù)模型的抗彎承載力如圖8所示，依次可得到如下結(jié)果：

圖8 抗彎承載力Fig.8 Flexural bearing capacity

1) 當(dāng)螺栓端距<8 d 時(shí)抗彎承載力與螺栓端距成正比，當(dāng)螺栓端距>8 d時(shí)，隨螺栓端距增大抗彎承載力提升較為緩慢。

2) 隨著螺栓直徑增大，模型的初始抗彎剛度和抗彎承載力均逐步提高。

3)當(dāng)鋼夾板厚度較薄時(shí)，模型的荷載?撓度曲線斜率和抗彎承載力均較低；隨著鋼夾板厚度的增加，各組的荷載?撓度曲線的斜率明顯上升，抗彎承載力也有一定提高。但當(dāng)鋼夾板厚度>6 mm時(shí)，抗彎承載力的提升幅度較小。

4) 隨著膠合木厚度增加，模型的初始抗彎剛度和抗彎承載力均逐漸提高，但提高幅度卻逐漸降低。

5 結(jié)論

1) 采用鋼夾板螺栓連接能夠提高膠合木梁的初始抗彎剛度和抗彎承載力。螺栓并列、錯(cuò)列布置方式及拼接兩段梁是否來(lái)源于同一根膠合木對(duì)鋼夾板螺栓連接膠合木梁的受彎性能影響較小。因此，裝配式木結(jié)構(gòu)中可以采用鋼夾板螺栓連接方式對(duì)膠合木梁進(jìn)行接長(zhǎng)。

2) 隨螺栓順紋間距的增大，鋼夾板螺栓連接膠合木梁的初始抗彎剛度和極限荷載均呈上升趨勢(shì)。增大螺栓端距和直徑、鋼夾板和膠合木厚度均能提高鋼夾板螺栓連接節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力，但超過(guò)一定范圍提高幅度逐漸降低。

3) 有限元模擬鋼夾板螺栓連接膠合木梁的抗彎承載能力、荷載-撓度曲線、應(yīng)力分布等結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本文鋼夾板螺栓連接膠合木梁受彎試驗(yàn)的合理性和有限元分析的計(jì)算精度。