正交膠合木墻體與樓板角鋼連接節(jié)點力學(xué)性能研究

劉新虎 黃大典

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092)

近些年隨著木結(jié)構(gòu)的發(fā)展，正交膠合木(CLT)由于其良好的雙向性能，逐漸受到人們的青睞。CLT木板可應(yīng)用于屋面板、樓板或墻板[1]，與墻面材料和防火材料等在工廠組合，形成組合預(yù)制墻體(樓板)后在工地組裝[2]，具有極高的裝配化程度。

CLT墻板-樓板連接節(jié)點通常采用角鋼連接，這種連接方式結(jié)構(gòu)簡單、傳力明確且施工方便。在節(jié)點試驗方面，Gavric[3-4]、Schneider[5-7]、Liu[8-9]等學(xué)者研究了不同形式角鋼連接節(jié)點的力學(xué)性能。

本文主要研究一種CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點在不同方向上的力學(xué)特性。首先對兩種類型的自攻螺釘進(jìn)行了不同方向抗剪、抗拔的單調(diào)及往復(fù)加載試驗，通過研究自攻螺釘在CLT板中的順紋抗剪、橫紋抗剪、抗拔性能和破壞模式，為估算CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點試驗承載力提供依據(jù)。

為防止CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點在剪力作用下于鋼構(gòu)件處發(fā)生脆性破壞，本文對角鋼進(jìn)行了超強(qiáng)設(shè)計，確保變形集中于釘與木材處，以獲得較好的節(jié)點延性。對CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點進(jìn)行抗拔和抗剪方向的單調(diào)和往復(fù)加載，探究其變形模式、承載力、延性特性等。

1 加載制度及性能指標(biāo)計算

1.1 加載制度

試驗中的單調(diào)加載和往復(fù)加載均按照歐洲規(guī)范BS EN 12512∶2001TimberStructures-TestMethods-CyclicTestingofJointsMadewithMechanicalFasteners[10]進(jìn)行。

單調(diào)加載即按一定加載速率將試件加載至破壞。規(guī)范[10]中對于試件破壞的定義為：若試件發(fā)生脆性破壞，曲線突然下降，則定義曲線陡降點對應(yīng)的荷載與位移為極限荷載與極限位移；若試件延性較好，曲線緩慢下降，則定義承載力下降至峰值的80%的點為破壞點；若前兩者均不滿足，則定義位移達(dá)到30 mm時為破壞點。

往復(fù)加載制度如圖1所示，按單調(diào)加載所得屈服位移vy為參考值，以0.25vy、0.5vy為目標(biāo)位移各循環(huán)1次，再以0.75vy、vy、2vy、4vy、6vy等為位移目標(biāo)各循環(huán)3次，直到達(dá)到單調(diào)加載破壞點。

圖1 往復(fù)加載制度

1.2 性能指標(biāo)計算方法

a—方法1；b—方法2。

2 釘連接試驗

2.1 試件材料及尺寸

試驗所用CLT采用的層板為加拿大進(jìn)口的Ⅱc級及以上云杉-松-冷杉(SPF)。CLT采用3層(105 mm)或5層(175 mm)層板正交粘結(jié)而成。

試驗采用的釘由意大利Rothoblaas廠家生產(chǎn)，型號為HBS5×80(直徑5 mm、長度80 mm)與KOP8×100(直徑8 mm、長度100 mm)，具體樣式如圖3所示。

a—HBS5×80；b—KOP8×100。

釘連接試驗所用CLT板均從同一批次的CLT板中進(jìn)行取樣切割，密度約為410 kg/m3，含水率在10%～13%。釘連接試驗所用木塊尺寸分別為抗剪試件：80 mm×80 mm；抗拔試件：80 mm×80 mm。

2.2 試驗布置

釘連接抗剪、抗拔布置如圖4所示。

a—抗剪試驗；b—抗拔試驗。

2.3 試驗數(shù)量及加載速率

HBS5×80釘與KOP8×100釘抗剪、抗拔試驗數(shù)量見表2，各試樣見圖5、圖6。

a—順紋、橫紋抗剪單調(diào)加載試樣；b—順紋、橫紋抗剪往復(fù)加載試樣；c—抗拔單調(diào)加載試樣。

a—順紋抗剪單調(diào)加載試樣；b—抗拔單調(diào)加載試樣。

表2 釘連接試驗數(shù)量

試件抗剪加載速率為3 mm/min，抗拔加載速率為2 mm/min。

2.4 試驗結(jié)果

HBS5×80順紋抗剪、橫紋抗剪和抗拔單調(diào)加載均值曲線如圖7所示，性能指標(biāo)見表3。

表3 HBS5×80釘和KOP8×100釘單調(diào)加載性能指標(biāo)

圖7 HBS5×80釘單調(diào)加載均值曲線

2.4.1HBS5×80抗剪單調(diào)加載

順紋抗剪和橫紋抗剪曲線有較為明顯的彈性段，可以看出釘在橫紋方向的承載力和彈性剛度均高于順紋方向，但順紋方向的延性較好。

2.4.2HBS5×80抗剪往復(fù)加載

釘在抗拔連接件中主要受力方向沿CLT板外層規(guī)格材順紋方向且位移僅限于正向，而抗剪角鋼連接件中主要受力方向沿CLT板外層規(guī)格材橫紋方向且會產(chǎn)生兩個方向的位移。本文在HBS5×80釘抗剪往復(fù)加載中，對順紋方向試件僅做半邊往復(fù)加載，對橫紋方向做完整往復(fù)加載。順紋、橫紋方向分別加載3個釘，順紋往復(fù)加載釘編號為HBS5×80-S1、HBS5×80-S2、HBS5×80-S3，橫紋往復(fù)加載釘編號為HBS5×80-H1、HBS5×80-H2、HBS5×80-H3，其滯回曲線分別如圖8、圖9所示。

a—HBS5×80-S1；b—HBS5×80-S2；c—HBS5×80-S3。

a—HBS5×80-H1；b—HBS5×80-H2；c—HBS5×80-H3。

可以看出：自攻螺釘在往復(fù)荷載作用下，曲線的捏縮效應(yīng)較為明顯，這是因為木材發(fā)生了塑性變形。當(dāng)力卸載至0時，位移并沒有退回0處，這是由于釘也發(fā)生了變形，故當(dāng)位移退回至0時，會有反向力。從橫紋抗剪滯回曲線中可以看出，第三象限內(nèi)的曲線沒有第一象限內(nèi)的曲線飽滿，這也是因為釘已經(jīng)發(fā)生了彎曲變形，反向加載時承載力會低于正向加載，多次往復(fù)后釘易在中部塑性鉸處或釘頭塑性鉸處發(fā)生斷裂。

2.4.3HBS5×80抗拔單調(diào)加載

10個釘抗拔單調(diào)加載曲線如圖7所示，相較于抗剪來說，釘抗拔性能延性較差，初始剛度較大，達(dá)到最大承載力后曲線陡然下降，性能指標(biāo)見表3?？梢钥闯觯鹤怨ヂ葆擧BS5×80的峰值承載力及彈性剛度較高，但延性較差，且數(shù)據(jù)離散性較大，或與釘子打入速度有關(guān)。

2.4.4KOP8×100順紋抗剪單調(diào)加載

10個KOP8×100順紋抗剪單調(diào)加載均值曲線如圖10所示，可見其順紋抗剪力-位移曲線呈現(xiàn)較為明顯的彈性段與塑性段。由于釘子直徑較大，剛度相應(yīng)也很大，在剪切過程中釘子僅有少許變形，主要表現(xiàn)為木材順紋承壓破壞，當(dāng)釘頭接近木塊邊緣時，木材發(fā)生劈裂。由于在實際節(jié)點中釘并不會到達(dá)木材邊緣，故在釘節(jié)點試驗中木材發(fā)生劈裂即停止加載，僅取該段作為有效數(shù)據(jù)，性能指標(biāo)中僅統(tǒng)計了承載力峰值、彈塑性剛度以及屈服位移、屈服荷載見表3。

圖10 KOP8×100釘單調(diào)加載均值曲線

2.4.5KOP8×100抗拔單調(diào)加載

與HBS5×80釘抗拔性能類似，其初始剛度大，達(dá)到承載力峰值后曲線陡然下降，如圖10所示為10個KOP8×100釘抗拔力-位移曲線，其性能指標(biāo)均值見表3?？梢钥闯?，自攻螺釘KOP8×100具有較高的承載力峰值及彈性剛度，但延性較差，沒有明顯塑性段。

3 CLT墻體與樓板角鋼連接節(jié)點試驗

3.1 試件材料及尺寸

KOP8×100釘連接的順紋抗剪和抗拔承載力均約為HBS5×80釘連接的2倍，但兩種釘連接的延性相差較小。由于釘抗拔延性較差，考慮到不希望連接件被拔出太多，因此角鋼連接節(jié)點中所用釘均采用HBS5×80。試驗所用角鋼及尺寸如圖11所示，根據(jù)釘抗剪和抗拔的承載力選取釘個數(shù)，其中角鋼上部與墻板連接處采用5個釘或7個釘，下部與樓板連接處采用10個釘，其布置位置見圖12。

a—連接件三維示意；b—連接件尺寸，mm。

a—與墻板連接處5釘布置；b—與墻板連接處7釘布置；c—與樓板連接處10釘布置。

3.2 試驗布置及試驗方案

CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點試驗采用500 kN邦威萬能試驗機(jī)完成，該試驗機(jī)可用于拉、壓試驗。

3.2.1抗 拔

CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點抗拔試驗布置如圖13所示，中間板作為墻板，左右板作為樓板，于加載頭左右兩側(cè)對稱布置連接件。對與墻板連接處采用5個釘?shù)脑嚰M(jìn)行單調(diào)和往復(fù)加載，分別命名為B-5-1、B-5-2；對與墻板連接處采用7個釘?shù)脑嚰M(jìn)行單調(diào)加載，命名為B-7-1。其中單調(diào)加載速率為6 mm/min，往復(fù)加載速率為12 mm/min。

a—正面; b—側(cè)面。

3.2.2抗 剪

試驗布置三維示意如圖14所示，中間板作為墻板，兩側(cè)板作為樓板，同樣于加載頭左右兩側(cè)對稱布置連接件。實際試驗中，為了保持兩側(cè)鋼板不發(fā)生過大變形并有效壓住兩側(cè)樓板，在前方加塞了兩塊等高木塊。CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點抗剪試驗中角鋼與墻板連接均采用5個釘，對其進(jìn)行單調(diào)和往復(fù)加載，分別命名為J-5-1、J-5-2，其中單調(diào)加載速率為6 mm/min，往復(fù)加載速率為12 mm/min。

a—三維示意；b—實際布置。

3.3 試驗現(xiàn)象

3.3.1抗 拔

如圖15所示，當(dāng)與墻板連接采用5個釘時，整個加載過程中角鋼底部與樓板連接處的釘幾乎沒有被拔出，變形均集中于角鋼上部與墻板連接處。前期主要變形為與墻板連接釘?shù)尼旑^出現(xiàn)塑性鉸，且有少量釘被拔出，如圖16a所示；后期與墻板連接釘進(jìn)入屈服階段，整個節(jié)點承載力達(dá)到峰值，釘中部也出現(xiàn)塑性鉸，同時可見明顯木材順紋承壓破壞，如圖16b所示。隨著與墻板連接釘被拔出得越多，節(jié)點承載力開始下降，此時有釘被剪斷。

圖15 CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點(與墻板連接采用5個釘)抗拔試驗現(xiàn)象

a—與墻板連接釘拔出；b—木材橫紋承壓破壞、釘頭剪斷；c—規(guī)格材脫膠；d—角鋼轉(zhuǎn)動趨勢。

當(dāng)與墻板連接采用7個釘時，角鋼底部與樓板連接處的釘也被拔出，越靠近墻板處的釘越容易被拔出，可聽見其被拔出時的悶響，同時底部與樓板連接釘被拔出位移也不斷增大，最終將CLT板表層規(guī)格材拔起，節(jié)點破壞，見圖16c。由于鋼連接件剛度較大，故其自身變形很小，繞底部邊緣有轉(zhuǎn)動趨勢，如圖16d所示。

3.3.2抗 剪

如圖17所示，加載初期，與抗拔現(xiàn)象類似，由于角鋼與墻板連接處釘個數(shù)相較于與樓板連接少，變形主要集中于與墻板連接處，表現(xiàn)為與墻板連接釘頭傾斜并出現(xiàn)塑性鉸。當(dāng)位移達(dá)到20 mm左右時木材開始出現(xiàn)“噼啪”聲響，且較為頻繁，此時木材出現(xiàn)橫紋承壓破壞，木纖維被剪斷，同時墻板邊緣出現(xiàn)較明顯破壞，節(jié)點進(jìn)入塑性。隨著位移的增大，與墻板連接釘也不斷被拔出，節(jié)點承載力開始下降，角鋼有轉(zhuǎn)動趨勢，且有釘頭被剪斷。

a—釘初期彎曲變形；b—釘變形增大并拔出；c—木材橫紋承壓破壞；d—木材劈裂破壞。

3.4 試驗結(jié)果

3.4.1抗 拔

CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點抗拔試驗曲線見圖18?？梢钥闯?，該節(jié)點各試件抗拔力-位移曲線形狀基本一致，初始剛度高，承載力在位移為20 mm左右達(dá)到峰值，此時與墻板連接釘?shù)膯蝹€釘承載力也達(dá)到峰值，隨后立即下降，但下降后又出現(xiàn)一段較為平緩的曲線，此時木材順紋承壓破壞較為嚴(yán)重，導(dǎo)致釘與水平線夾角逐漸增大，釘以抗拔為主，隨著位移不斷增大，曲線開始出現(xiàn)小范圍突然下降，為釘頭被剪斷及規(guī)格材的突然脫膠破壞。試驗性能指標(biāo)見表4，可知該節(jié)點初始抗拔剛度較高，延性較好。

圖18 CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點抗拔力-位移曲線

3.4.2抗 剪

CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點抗剪試驗曲線見圖19，其抗剪性能指標(biāo)見表4。對比其抗拔性能可以得出，該節(jié)點抗剪承載力與抗拔承載力相比略高一些，但達(dá)到峰值承載力時，很快出現(xiàn)下降，無明顯塑性段，這是由于抗剪試驗中木材橫紋承壓時木纖維不易被剪斷，故釘變形較大，并被不斷拔出，導(dǎo)致其抗剪承載力迅速下降或釘頭被剪斷，節(jié)點進(jìn)入下降段。

圖19 CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點抗剪力-位移曲線

表4 CLT墻板-樓板角鋼連接節(jié)點性能指標(biāo)

4 結(jié)束語

本文首先對兩種自攻螺釘連接(釘HBS5×80、釘KOP8×100)進(jìn)行了抗剪及抗拔試驗。在CLT墻體-樓板角鋼連接節(jié)點中選用HBS5×80釘進(jìn)行了節(jié)點抗拔、抗剪兩個方向的單調(diào)和往復(fù)加載，其中角鋼與墻板連接采用5個或7個釘，與樓板連接采用10個釘。得到以下試驗結(jié)果：

1)釘連接順紋及橫紋抗剪試驗得到的力-位移曲線均有較為明顯的彈性段，釘在橫紋方向的彈性剛度和承載力均高于順紋方向，但順紋方向的延性較好。

2)釘連接抗拔初始剛度及峰值承載力較高，均略高于順紋抗剪。但達(dá)到最大承載力后曲線陡然下降。相較于抗剪來說，釘抗拔延性較差。

3)釘KOP8×100抗拔及抗剪性能均優(yōu)于釘HBS5×80。其中釘KOP8×100的彈性剛度和峰值承載力約為釘HBS5×80的2倍，但延性的提高不明顯。

4)抗拔試驗中，當(dāng)與墻板連接采用5個釘時，整個加載過程中角鋼底部與樓板連接處的釘幾乎沒有被拔出，變形均集中于角鋼上部與墻板連接處，表現(xiàn)為釘?shù)膹澢c木材順紋承壓破壞。

5)抗拔試驗中，當(dāng)與墻板連接采用7個釘時，底部與樓板連接釘也被拔出，越靠近墻板處的釘越容易被拔出，最終將CLT板表層規(guī)格材拔起，節(jié)點破壞。

6)對5釘角鋼進(jìn)行了抗剪單調(diào)和往復(fù)加載，由于角鋼與墻板連接處釘個數(shù)相較于與樓板連接少，變形主要集中于與墻板連接處，以釘變形以及木材橫紋承壓破壞為主。無論是抗拔還是抗剪方向，節(jié)點均表現(xiàn)出了良好的延性。