鋼夾板-螺栓連接膠合木梁抗剪性能試驗

關鍵詞：鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁；抗剪性能試驗；并、錯列布置；螺栓順紋間距

中圖分類號：S791.22 文獻標志碼：A 文章編號：1673-923X（2023）12-0187-10

隨著我國經(jīng)濟和社會的可持續(xù)化發(fā)展，以及林業(yè)、建材業(yè)的發(fā)展，木結(jié)構(gòu)建筑越來越多地被廣泛采用[1]。而膠合木作為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的代表，具有良好的物理力學性能[2-4]，被廣泛應用于木結(jié)構(gòu)別墅和一些中小跨徑橋梁中，如湖南省張（家界）花（垣）高速公路張家界服務區(qū)人行天橋就是采用裝配式快速施工的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁，橋長39.5 m，橋面凈寬3.0 m，全橋上部承重結(jié)構(gòu)均采用通過現(xiàn)代膠合技術制備而成的膠合木[5]。

學者們對膠合木的受力性能進行了諸多探索。曹磊[6] 采用不同的加載方式對不同尺寸的落葉松膠合木梁進行了剪切性能試驗，分析了膠合木梁的破壞形態(tài)和破壞機理，研究了加載方式、截面積及剪跨比對膠合木梁剪切強度的影響。Wang 等[7]為提高速生楊膠合木梁的力學性能，提出了一種鋼板增強速生楊膠合木梁的新型加固方式。對7根鋼板增強速生楊膠合木梁、1 根普通速生楊膠合木梁進行了試驗，研究了材料和剪跨比對速生楊膠合木梁的破壞模式、抗彎承載力、剪切和變形特性的影響，并提出了抗彎和抗剪承載力的計算公式。Luca 等[8] 用鋼筋加固的膠合木梁進行了彎曲試驗，結(jié)果表明配筋梁的剛度、承載力和延性分別提高了25.9%、48.1% 和43.8%。Yang 等[9]對使用碳纖維筋加固的膠合木梁進行了彎曲試驗。結(jié)果表明，碳纖維筋加固梁的抗彎承載力和抗彎剛度分別提高了64.8% ～ 131% 和18.9% ～ 42.3%。Fossetti 等[10] 對用CFRP 和GFRP 索加固的膠合木梁進行了彎曲試驗。結(jié)果表明，加固后的梁具有較好的力學性能，加固試件的極限載荷和延性分別增加了25% 和40%。羅烈等[11] 對20 個鋼填板-螺栓連接膠合木梁柱試件進行抗剪試驗，研究其節(jié)點橫紋受力性能，結(jié)果表明節(jié)點破壞均為木材橫紋劈裂脆性破壞，非加載邊的邊距對節(jié)點受力性能影響較為顯著。

從目前的研究現(xiàn)狀來看，國內(nèi)外學者對膠合木梁使用FRP 加固和鋼填板螺栓連接加固的試驗研究較多，且研究方向多集中在加固后膠合木梁的抗彎性能，對加固后膠合木梁的抗剪性能研究甚少，故本研究對鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁的抗剪性能進行探究。鋼夾板- 螺栓連接兼顧普通螺栓連接傳力簡單、安裝便捷的特點，同時鋼夾板對稱布置于膠合木兩側(cè)，無須對膠合木構(gòu)件內(nèi)部進行切割[12]，保證膠合木能夠全截面受力，能提高膠合木梁接長構(gòu)件的承載能力。本研究在前期研究的基礎上[13-18]，以鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁為研究對象，以螺栓排布方式及螺栓順紋間距為變化參數(shù)，采用五點彎曲加載方式，對鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁的抗剪性能進行了研究，探究其變形規(guī)律、破壞形式和破壞機理，并基于試驗數(shù)據(jù)擬合，推導其抗剪承載力計算式。

1 試驗概況

1.1 構(gòu)件設計與制作

為探討鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁的抗剪性能，按照《木結(jié)構(gòu)設計標準》[19] 要求對試件尺寸進行設計，考慮螺栓布置方式（并列、錯列）及螺栓順紋間距（80、100、120 mm）為參數(shù)，設計并制作了7 組（1 組普通膠合木梁，6 組鋼夾板-螺栓連接膠合木梁）試驗梁，每組3 根，共21 根。試驗梁剪跨比為2.1、計算跨徑為1 300 mm，其設計參數(shù)和試件構(gòu)造分別如表1 和圖1 所示。A 表示普通膠合木梁（無鋼夾板- 螺栓連接件），B 表示螺栓并列布置，C 表示螺栓錯列布置，數(shù)字表示螺栓順紋間距。鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁試件中螺栓公稱直徑為8 mm，膠合木和鋼夾板的預留螺孔直徑比螺栓直徑大0.5 mm，以保證膠合木梁與鋼夾板能夠順利連接安裝。

1.2 試件材料

試驗梁以東北落葉松為膠合木基材，其平均密度為0.70 g/cm³、平均含水率為10.72%、順紋抗壓強度為38.25 MPa、順紋抗拉強度為84.32MPa、順紋抗剪強度為8.4 MPa，該試件材性參數(shù)均滿足我國木結(jié)構(gòu)材性要求。試驗所用鋼夾板與螺栓的材性數(shù)據(jù)均由生產(chǎn)廠家提供，鋼夾板鋼材屈服強度為310 MPa，極限強度為486 MPa，屈強比為0.63。螺栓采用8.8 級的帶墊片普通鋼螺栓，其極限抗拉強度為600 MPa，屈服強度為580 MPa。

1.3 加載與測試方案

試驗前，為了能較好的觀察到試驗梁的剪切破壞特征，在梁側(cè)面作好30 mm×30 mm 的網(wǎng)格線。若豎向標線錯斷，或試驗梁出現(xiàn)破壞的地方位于梁底部及頂部25 mm 范圍以外，則說明其已發(fā)生剪切破壞[6]。木梁底部左右兩端分別布置可動鉸支座和固定鉸支座，在跨中梁頂面對稱放置兩個鉸支座，在梁跨中底部和支座兩端梁頂各布置一只位移計用于記錄位移。在分配梁跨中上方安裝50 t 壓力傳感器和千斤頂。在加載點與支座連線方向梁中性軸處各粘貼3 片呈45o 角的應變花以測定該點的剪應變，并在距支承點5/8h 梁中性軸處各粘貼1 片豎向應變片以測量縱向剪應變，最后在加載點處梁底各粘貼1 片應變片，如圖2所示。應變片及位移計數(shù)據(jù)由DH3818 東華靜態(tài)應變系統(tǒng)采集。本研究將圖2 所示視角下試驗梁的兩跨分別以左跨、右跨命名，下同。加載照片如圖3 所示。

2 試驗現(xiàn)象

2.1 破壞形態(tài)

A組普通膠合木試驗梁加載初期為彈性變形階段，未見明顯的裂縫出現(xiàn)；隨著荷載增加，試驗梁發(fā)生一定程度的塑性變形，剛度逐漸降低，變形漸趨明顯，試件由彈性階段逐步進入彈塑性階段。在荷載加至試件極限荷載的55% ～ 60% 時，開始發(fā)出輕微響聲，在隨后的加載過程中，試驗梁不斷發(fā)出“啪啪”的劈裂聲；當荷載加載至110 kN時，木材的撕裂聲愈加明顯，荷載加載效率明顯降低；最后荷載繼續(xù)增長，加載到136 ～ 138 kN時，持荷過程中隨著一聲巨響，試驗梁沿膠合面發(fā)生了從跨中到端部的順紋錯動破壞，荷載下降至118 kN，破壞前沒有明顯征兆，為脆性破壞。

對于螺栓并列布置的鋼夾板- 螺栓連接膠合木試驗梁組B80，3 根試驗梁在荷載下的試驗現(xiàn)象相似，以B80-3 為例：在加載初期，梁跨中的豎向位移隨荷載線性遞增；荷載加載至110 ～ 115 kN 時，可以聽到輕微的木材撕裂聲；荷載繼續(xù)增加，木材撕裂聲也逐漸增大。當荷載加載至145 ～ 150 kN時，木材的撕裂聲愈加明顯，荷載加載效率明顯降低；最后荷載繼續(xù)增長，加載到179 kN 時試驗梁底部層板沿膠合面發(fā)生了從跨中到端部的順紋錯動破壞，從下往上第二層層板中性軸處發(fā)生了順紋剪切破壞，并伴隨劇烈的聲響，荷載明顯下降，破壞前沒有明顯征兆，屬于脆性破壞。

對于試驗梁組B100 和B120，前期變化過程與B80 組大體相似。當荷載加載至梁的臨界破壞荷載值時，各組梁的破壞形態(tài)有所不同。B100 組以B100-1 為例，其破壞荷載為187 kN，破壞的起始點源于右跨加載點附近下的中性軸附近，破壞時裂縫從該處經(jīng)過木節(jié)下方膠合面一直延伸到梁端，破壞模式為順紋剪切破壞。B120 組以B120-3為例，其破壞荷載為207 kN，破壞的起始點也源于右跨加載點附近下的中性軸附近。由于該處存在2 個木節(jié)，破壞時中性軸附近產(chǎn)生了斜裂縫，并且在斜裂縫與膠合面的交界處試驗梁沿膠合面發(fā)生了從跨中到端部的順紋剪切破壞。

螺栓錯列布置的鋼夾板- 螺栓連接膠合木試驗梁組C80，3 根試驗梁在荷載下的試驗現(xiàn)象相似，以C80-2 為例：在加載初期，梁跨中的豎向位移隨荷載線性遞增；荷載加載至115 ～ 120 kN 時，開始可以聽到輕微的木材撕裂聲；荷載繼續(xù)增加，木材撕裂聲也逐漸增大。當荷載加載至145 ～ 150 kN時，木材的撕裂聲愈加明顯，荷載加載效率明顯降低；當荷載加載至155 ～ 165 kN 時，在每一級加載與持荷過程中，試驗梁均產(chǎn)生較明顯的連續(xù)劈裂聲；最后隨著荷載繼續(xù)增長，加載到171 kN時試驗梁右跨各層層板均沿膠合面發(fā)生順紋錯動破壞，并伴隨劇烈的聲響，荷載明顯下降，破壞前沒有明顯征兆，為脆性破壞。

對于試驗梁組C100 和C120，前期變化過程與C80 組也相似。當荷載加載至梁的臨界破壞荷載值時，各組梁的破壞形態(tài)有所不同。C100 組以C100-3 為例：當荷載加載至160 ～ 165 kN 時，試驗梁右跨剪跨區(qū)中性軸附近的木節(jié)上方出現(xiàn)沿水平方向的微裂縫，最終加載到182 kN 時試驗梁表面豎線沿該裂縫發(fā)生錯動，發(fā)生了順紋剪切破壞，同時裂縫繞過木節(jié)向梁底延伸，發(fā)生了受拉破壞。C120 組以C120-2 為例，其破壞荷載為199 kN，試驗梁左跨底部層板沿膠合面發(fā)生順紋錯動破壞，頂部層板發(fā)生開膠破壞。在木梁的兩端雖然沒有承受荷載，但由于木材的壓縮性較大，加載點處木材的壓縮導致梁端木材承受橫向拉力，這與實際古建筑中梁、枋伸出端的橫紋撕裂現(xiàn)象一致[20]。

2.2 螺栓破壞模式

為便于表述，對螺栓及螺栓孔進行編號（圖7a）。由于試驗梁的鉆孔存在一定的誤差，導致少數(shù)試驗梁在部分螺栓孔處產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，因此部分試驗梁在連接件處部分螺栓孔存在局部壓潰現(xiàn)象，其余則無其他明顯的破壞現(xiàn)象；另外，螺栓變形并不明顯，但相比之下外側(cè)螺栓的變形程度均大于內(nèi)部螺栓，這表明本研究所采用的鋼夾板- 螺栓連接件具有足夠的剛度，從而有效地限制了螺栓孔與螺栓之間的相對轉(zhuǎn)動，使得鋼夾板-螺栓連接件與膠合木梁能夠保持穩(wěn)定的共同受力狀態(tài)。試驗梁B100-1 的螺栓與試驗梁C80-3 螺栓孔局部壓潰圖分別如圖7a—b 所示。

3 結(jié)果分析

3.1 承載力分析

表2 為試驗梁的極限荷載及其對應的豎向位移測試結(jié)果。由表2 可知，隨著螺栓順紋間距的增加，梁的極限承載力逐漸提高，說明增大螺栓順紋間距可以有效抑制木纖維受剪裂縫的開展。且隨著螺栓順紋間距的增大，試驗梁的極限豎向位移漸降低，在加載過程中螺栓未產(chǎn)生明顯彎曲變形從而限制了梁撓度的增長。與普通膠合木梁相比，螺栓并列布置，順紋間距為80、100、120 mm 的試驗梁極限承載力分別提高了24.5%、35.7% 和48.8%，而極限豎向位移分別降低了7.2%、11.8% 和16.1%；螺栓錯列布置，順紋間距為80、100、120 mm 的試驗梁極限承載力分別提高了20.0%、30.1% 和38.2%，而極限豎向位移分別降低了11.9%、19.1% 和26.4%。因此對于螺栓并列、錯列布置而言，采用螺栓并列布置的排布方式相比于錯列布置更能有效提高試驗梁極限承載力，而采用螺栓錯列布置則更能明顯降低試驗梁的極限豎向位移。

3.2 荷載- 跨中撓度曲線

由于各試驗組中3 根試驗梁的荷載- 撓度曲線非常相似，為了便于表述和對照分析，由每組任取1 根試驗梁中一跨的試驗數(shù)據(jù)，繪制其荷載- 跨中撓度曲線（圖8）。

圖8 為鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁荷載- 跨中撓度關系曲線，分析圖中數(shù)據(jù)可知，各試驗梁的跨中撓度均隨荷載的增加而增大，其破壞過程大致可分為兩個階段：1）彈性階段，此階段荷載接近極限荷載的60%，試驗梁跨中撓度值隨荷載的增加大致呈線形增長，在加載過程中試驗梁沒有發(fā)生明顯破壞現(xiàn)象；2）彈塑性階段，該階段荷載值已超過極限荷載的60%，試驗梁撓度增長速率隨荷載的增加明顯加快且呈非線性增長，臨近破壞時試驗梁出現(xiàn)不同程度的膠合面局部范圍脫膠、加載點處木材局部擠壓變形、木材產(chǎn)生撕裂聲等現(xiàn)象。當達到極限荷載時，伴隨著劇烈的響聲試驗梁承載力急劇下降，發(fā)生順紋錯動剪切破壞。在前期加載過程中，鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁的剛度較普通膠合木梁有所提高，且試驗梁的剛度會隨著螺栓順紋間距的增加而增大。

3.3 荷載- 應變曲線

為研究剪跨區(qū)內(nèi)木材的受力性能，在支座到加載點連線方向上布置45° 應變花，具體布置見圖2。由于各組每根試驗梁的荷載- 應變曲線非常相似，為了便于表述和對照分析，從各組任取一根試驗梁中一跨的試驗數(shù)據(jù)，繪制其荷載- 應變曲線（圖9）。

由圖9 的曲線可以發(fā)現(xiàn)，裂縫出現(xiàn)前，木材主應變與荷載近似呈線性增長，此時試驗梁出于彈性工作階段。試驗梁開裂后，木材主應變隨即快速增加。對比各組試驗梁荷載- 應變曲線，普通膠合木梁木材主應變增長趨勢相較鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁木材主應變變化較大，而并列組試驗梁木材主應變增長趨勢相較錯列組試驗梁木材主應變變化較大，錯列組試驗梁的開裂荷載比并列組試驗梁提高較多，即荷載- 應變曲線拐點對應的荷載值更大。對于相同螺栓順紋間距的鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁，錯列組試驗梁所用鋼夾板的長度較并列組更長，本研究認為這是錯列組試驗梁的開裂荷載較并列組試驗梁高的主要原因。

4 理論分析

4.1 破壞機理

研究發(fā)現(xiàn)膠合木梁發(fā)生剪切破壞主要是沿著木材順紋方向開展的，木材順紋剪切破壞表現(xiàn)在沿剪切面兩側(cè)木材的相對錯動。膠合木梁在豎向荷載的作用下，在木材的順紋及橫紋方向，都存在著剪應力；由于絕大多數(shù)順紋方向的木纖維自身沒有損壞，而是撕裂了剪切面中木纖維間的聯(lián)結(jié)，進而產(chǎn)生縱向位移，這意味著木材的順紋抗剪強度要遠低于橫紋抗剪強度。當采用五點彎曲法進行膠合木梁的抗剪性能試驗時，試驗梁剪跨區(qū)跨中截面中性軸處剪應力最大，故隨著荷載增加，當剪跨區(qū)跨中截面中性軸附近剪應力達到木材順紋抗剪強度時，該處最先產(chǎn)生裂縫；繼續(xù)加載，裂縫逐漸向梁端擴張，剪應力釋放，荷載持續(xù)增加，上下側(cè)對稱位置出現(xiàn)類似裂縫，直至最后喪失承載力[21]，試驗梁發(fā)生順紋剪切破壞；若當膠合面處的剪應力率先達到膠黏劑的膠合強度時，層板沿膠合面發(fā)生順紋錯動破壞。而鋼夾板- 螺栓連接件具備良好的剛度，可以使得試件中螺栓與螺栓孔之間的相對轉(zhuǎn)動得到有效約束，從而保證膠合木梁與鋼夾板- 螺栓連接件可以維持在一個穩(wěn)定可靠的共同受力狀態(tài)，使鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁的剛度與抗剪承載力均有明顯提升。

4.2 抗剪承載力

膠合木梁在剪力作用下處于復雜應力條件時，其強度理論的研究尚未完善，剪切破壞過程中其力學關系迄今為止仍未得到量化，故采用解析法來推導膠合木梁抗剪承載力計算方法仍難以實現(xiàn)，現(xiàn)有的研究僅是基于試驗數(shù)據(jù)的分析，探討膠合木梁的傳力機制及失效機理，并通過數(shù)理統(tǒng)計方式推導膠合木梁的抗剪承載力計算式[22]。

膠合木梁的抗剪承載力除與剪跨比、膠合木的剪切強度和截面尺寸有關外，還與梁的跨高比、測試方法、干濕條件等有關，由于研究還不夠深入，暫且只考慮剪跨比、膠合木的剪切強度和截面尺寸；鋼夾板- 螺栓連接件的抗剪承載力（Vs）實際上主要與鋼材強度、鋼夾板截面有關。引入木材抗剪貢獻系數(shù)βb，根據(jù)文獻[23] 經(jīng)驗公式推導出鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁的抗剪承載力計算公式，其抗剪承載力可采用膠合木部分和鋼夾板-螺栓連接件承載力疊加的形式表達，見式（1）。由于螺栓及螺栓孔沒有發(fā)生明顯變形，本研究將螺栓和鋼夾板的抗剪承載力簡化為鋼夾板- 螺栓連接件的抗剪承載力進行計算，見式（3）。

V=V_b+V_s。 （1）

由表3 可知，各組試驗梁的抗剪承載力計算值與試驗值吻合較好，誤差均在9% 以內(nèi)；木材截面的抗剪承載力貢獻率平均約為68%。總體而言，膠合木的受剪性能較弱，這與木材本身的物理構(gòu)造（纖維方向）、膠合木生產(chǎn)工藝有關。但另一方面，本研究所采用的鋼夾板- 螺栓連接件具有足夠的剛度，從而有效地限制了螺栓孔與螺栓之間的相對轉(zhuǎn)動，使得鋼夾板- 螺栓連接件與膠合木梁能夠保持穩(wěn)定的共同受力狀態(tài)，從而顯著提高試驗梁的受力性能。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

1）鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁在彎矩和剪力的共同作用下，整體工作性能良好、截面剛度大。鋼夾板、螺栓和膠合木梁組合效應明顯，表現(xiàn)出良好的受剪性能。膠合木梁剪切破壞源于綜合應力較大的跨中中性軸附近，其破壞形態(tài)為順紋錯動剪切破壞，為脆性破壞。試驗梁中螺栓均有輕微的彎曲變形，表明膠合木梁采用鋼夾板- 螺栓連接形式具有較高的可行性與穩(wěn)定性。

2）與普通膠合木梁相比，隨著螺栓順紋間距的增加，螺栓并（錯）列布置的試驗梁極限承載力提高了24.5%、35.7%、48.8%（20.0%、30.1%、38.2%）， 極限豎向位移降低了7.2%、11.8%、16.1%（11.9%、19.1%、26.4%）。并列組試驗梁木材主應變增長趨勢相較錯列組試驗梁木材主應變更大，錯列組試驗梁的開裂荷載比并列組試驗梁提高較多。分析認為錯列組試驗梁的開裂荷載比并列組提高較多以及錯列組試驗梁的極限豎向位移比并列組小的原因是：在相同螺栓順紋間距的條件下，錯列組試驗梁所用鋼夾板的長度長于并列組試驗梁的鋼夾板，從而使得并列組試驗梁剛度更大；而并列組試驗梁極限承載力高于錯列組的原因是：在試驗梁接近極限承載力時，并列組試驗梁中共同參與承受荷載的螺栓數(shù)量多于錯列組，并列組試驗梁同一列螺栓能更好地共同承受荷載。

3）由鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁受剪承載力簡化計算式得到的受剪承載力計算值與試驗值能較好吻合，平均誤差均在9% 以內(nèi)，且計算值偏于保守。

5.2 討論

本試驗對鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁的抗剪性能進行了研究，但是由于本研究的時間和水平有限，所研究的內(nèi)容在深度上還有所欠缺，還存在許多不足之處，這些問題值得在以后研究中去完善和探討，主要包括以下幾個方面：

1）鑒于加載方式、剪跨比、不同樹種的木材材性差異、木材紋理、木材膠合技術、加工工藝等因素對鋼夾板- 螺栓連接膠合木梁抗剪性能的影響，還需進一步開展相關的試驗研究，為鋼夾板-螺栓連接在膠合木結(jié)構(gòu)中的應用建立一套完整系統(tǒng)的理論和計算方法提供依據(jù)。

2）對于螺栓直徑的選擇要合理考慮，應選擇“單鉸”屈服模式作為設計準則[13]。本試驗中膠合木梁的厚度與螺栓直徑之比（厚徑比）為7.5，螺栓變形不明顯，為剛直破壞。故后續(xù)可適當增大厚徑比使螺栓的破壞模式為“單鉸”破壞，這樣既保證了結(jié)構(gòu)良好的延性，又能充分發(fā)揮螺栓連接件材料各自的力學性能，使結(jié)構(gòu)具有良好的承載性能。

3）本試驗中螺栓行數(shù)為3 行，順紋間距為80、100、120 mm。因此，后續(xù)可優(yōu)化螺栓排布方式，在滿足設計要求的前提下選取較經(jīng)濟的排列方式。

4）由于試驗試件數(shù)量有限，本研究無法完全排除試件內(nèi)部缺陷和外部環(huán)境對試件力學試驗結(jié)果的影響，未來可以深入研究以上因素對試件的影響，嘗試得到該因素對試件的影響系數(shù)，為木結(jié)構(gòu)構(gòu)件設計提供參考。

5）考慮到膠合木- 鋼夾板螺栓連接受力性能的復雜性，還需從膠合木本身的密度、含水率和螺栓的布置方式、群螺栓作用以及加載方式等多種因素對連接件的影響，進一步開展膠合木- 鋼夾板螺栓連接件和連接結(jié)構(gòu)長期荷載作用下的蠕變性能等相關研究，為膠合木- 鋼夾板螺栓連接結(jié)構(gòu)的工程應用提供理論依據(jù)。

[ 本文編校：羅列]