CFRP-木結(jié)構(gòu)波紋鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能正交試驗(yàn)研究

郭軒，徐忠根，趙亞濤，鐘丹云

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

隨著綠色和可循環(huán)性建筑理念的貫徹，木結(jié)構(gòu)受到長(zhǎng)足的應(yīng)用和發(fā)展[1].為了提高節(jié)點(diǎn)傳力的可靠性[2]，為了滿足節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化和美觀設(shè)計(jì)要求，木結(jié)構(gòu)螺栓節(jié)點(diǎn)通常采用鋼填板螺栓連接的形式[3].為了方便試驗(yàn)的實(shí)施和節(jié)點(diǎn)理論模型的計(jì)算，節(jié)點(diǎn)中的鋼填板均為單一矩形截面，并且忽略鋼板的影響[4-5].理論上鋼填板會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的變形有一定的鉗制作用[6-7]，尤其是厚度較大的鋼填板，甚至?xí)?dǎo)致在部分節(jié)點(diǎn)失效時(shí)連接件并未完全達(dá)到塑性狀態(tài)[8-9].在實(shí)際工程中，木結(jié)構(gòu)鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)中的木構(gòu)件普遍存在不同形式的異型過(guò)渡截面或者異型槽口，鋼填板也存在不同形式的構(gòu)造，如U 形、T 形和V 形等.這些形式的存在會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)力學(xué)性能造成一定的影響[10].

雖然不同構(gòu)造能夠改善鋼填板的剛度和承載力，但也可能在一定程度上削弱節(jié)點(diǎn)的延性[10].在進(jìn)行木結(jié)構(gòu)異型鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)中鋼填板構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮采取適宜的加固措施，如金屬連接件加固[11]、粘貼金屬板加固[12]和粘貼致密單板木材加固[13]等.與傳統(tǒng)加固方法相比，CFRP 加固技術(shù)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、耐久性好等特點(diǎn)，已較大規(guī)模地應(yīng)用到橋梁[14]、居民房[15]和古木結(jié)構(gòu)[16]等建筑中，在木結(jié)構(gòu)加固中具有重要的應(yīng)用前景[17].然而，CFRP 加固木結(jié)構(gòu)鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)并無(wú)相關(guān)的應(yīng)用，也缺乏指導(dǎo)意見(jiàn)和針對(duì)性的加固方式，更沒(méi)有完善的研究?jī)?nèi)容和理論體系.盡管如此，相關(guān)研究[17-20]依然明確指出：CFRP 對(duì)于木結(jié)構(gòu)螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有著一定的增益作用，尤其是在節(jié)點(diǎn)延性性能方面[18].因此，可以考慮采用CFRP 適當(dāng)加固木結(jié)構(gòu)異型鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)以提升安全性，但其有效性仍有待進(jìn)一步研究，尤其是在加固方法和加固次數(shù)方面[18-20].

為了直觀地得到異型截面對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響和規(guī)律，為該類節(jié)點(diǎn)在日后工程應(yīng)用中安全性設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)，本研究提出CFRP-木結(jié)構(gòu)波紋鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)；考慮波紋長(zhǎng)度、波紋傾角、波紋厚度、木構(gòu)件厚度和CFRP 層數(shù)等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響，在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件下進(jìn)行單軸順紋拉伸試驗(yàn).根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析節(jié)點(diǎn)在加載過(guò)程中的受力特征、失效模式及荷載位移曲線并進(jìn)行分類；根據(jù)分類結(jié)果對(duì)節(jié)點(diǎn)順紋軸向受力機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析，研討波紋長(zhǎng)度、波紋高度、波紋傾角、木構(gòu)件厚度和CFRP 層數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)主要力學(xué)性能的影響.

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料

以歐洲云杉為基材制成的膠合木為研究對(duì)象，木材的順紋彈性模量為9 120 MPa，抗壓強(qiáng)度為30.47 MPa，抗拉強(qiáng)度為61.58 MPa；水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為13.47%，平均密度為419 kg/m3.試驗(yàn)鋼板采用Q345 鋼，為了減小厚鋼填板的鉗制作用[6-7]，突出異型構(gòu)造對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，鋼填板的厚度均取為6 mm.螺栓采用12 mm 的六角頭4.8 級(jí)普通螺栓.試驗(yàn)采用的CFRP 厚度為0.167 mm，材料密度為1.78 g/cm3，抗拉彈性模量為244 GPa，抗拉強(qiáng)度為3 460 MPa.

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)的主要目的是在考慮異型鋼填板的作用下研究不同參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，研究的參數(shù)包括：波紋長(zhǎng)度（波長(zhǎng)）λ，波紋高度（波高）h，波紋傾角（波角）θ，木構(gòu)件厚度（木厚）t和CFRP層數(shù)n.為了方便CFRP 的粘貼并有效利用CFRP的性能，尤其是節(jié)點(diǎn)的延性，對(duì)節(jié)點(diǎn)木構(gòu)件采用端部順紋U 形粘貼方式[21].如圖1 所示為CFRP木結(jié)構(gòu)波紋鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)詳圖.圖1（c）中，帶有9 個(gè)螺栓的一側(cè)為安全錨固端，帶有1 個(gè)螺栓的為試件試驗(yàn)觀測(cè)端.考慮到各參數(shù)間的交互作用，基于5 因素4 水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[22]共設(shè)計(jì)16 組試驗(yàn).試驗(yàn)中試件的因素和水平設(shè)置方案如表1 所示，試件的正交試驗(yàn)方案的試件尺寸如表2 所示.每組試驗(yàn)準(zhǔn)備3 個(gè)試件以確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性.關(guān)于CFRP-木結(jié)構(gòu)波紋鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)，目前尚沒(méi)有相關(guān)連接設(shè)計(jì)要求，因此在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)尺寸時(shí)，參考現(xiàn)行膠合木設(shè)計(jì)規(guī)范[23]的規(guī)定：螺栓端距不小于7 倍的螺栓直徑和80 mm 中的較大值.

表1 因素水平分布Tab.1 Factors and levels

表2 CFRP-木結(jié)構(gòu)波紋鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)試件類型Tab.2 Type of specimens for CFRP-bolted timber joints with slotted-in corrugated steel plates

圖1 CFRP-木結(jié)構(gòu)波紋鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)試件設(shè)計(jì)詳圖Fig.1 Design details of specimen for CFRP-bolted timber joints with slotted-in corrugated steel plates

1.3 試驗(yàn)設(shè)置和加載程序

采用杭州邦威機(jī)電控制工程有限公司生產(chǎn)的MAS-20 液壓伺服作動(dòng)器進(jìn)行節(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn)，拉力通過(guò)螺栓由鋼板傳遞.拉伸試驗(yàn)采用位移控制，并采用單調(diào)加載模式，加載速度為1 mm/min.預(yù)加載過(guò)后對(duì)試件進(jìn)行連續(xù)的正式加載，當(dāng)荷載下降至最大荷載的80%時(shí)停止加載[24]，完成該試件的試驗(yàn)加載[24].節(jié)點(diǎn)的拉伸位移由KTR-R直線位移傳感器計(jì)測(cè)量，由應(yīng)變箱進(jìn)行采集，測(cè)量位移為從木構(gòu)件的接縫到螺栓的距離.節(jié)點(diǎn)的荷載由試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)直接采集，采集頻率為10 Hz.試驗(yàn)加載方案如圖2 所示.

圖2 CFRP-木結(jié)構(gòu)波紋鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)試件試驗(yàn)加載Fig.2 Experiment loading of specimen for CFRP-bolted timber joints with slotted-in corrugated steel plates

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

由于試件在多個(gè)區(qū)域存在明顯的受力特征，為了方便表述，將試件進(jìn)行區(qū)域劃分并標(biāo)注，如圖3 所示.試件在加載過(guò)程中的特征主要有3 種表現(xiàn)形式，具體分析如下.

圖3 區(qū)域劃分圖Fig.3 Area division schematic

1）加載初期，試件無(wú)明顯變化.隨著位移的增大，槽口端部逐漸張開(kāi)，螺栓逐漸彎曲，墊片有陷入螺孔的趨勢(shì).試件加載中期，隨著位移的增加，木槽中部波峰A 伴隨著一聲脆響被剪壞并逐漸被推出，如圖4(a)所示.此后，試件出現(xiàn)持續(xù)的輕響，木構(gòu)件槽口端部D 出現(xiàn)順紋壓潰的現(xiàn)象，如圖4(a)、圖4(b)所示.緊接著，木槽末端F 伴隨著一聲脆響出現(xiàn)TL 斷裂現(xiàn)象（張開(kāi)型斷裂：T 表示橫紋弦向，為裂紋平面的法向；L 表示順紋向，為裂紋的擴(kuò)展方向），如圖4(c) 所示.試驗(yàn)加載后期，部分試件隨著位移的增加逐漸喪失承載能力，部分試件的TL 裂紋逐漸擴(kuò)大，當(dāng)位移加到一定值時(shí)，試件發(fā)出一聲巨響，TL 裂紋瞬間擴(kuò)大，試件喪失承載能力，如圖4(d)所示，此時(shí)試驗(yàn)終止.2）試件在試驗(yàn)加載初期和加載中期的特征和1）的基本一致，但TL 裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)相對(duì)較弱.這是由于木構(gòu)件端部D 發(fā)生順紋剪切破壞，導(dǎo)致約束削弱從而減小了對(duì)TL 裂紋的作用.試驗(yàn)加載后期，木構(gòu)件端部D 被剪壞且被推出，同時(shí)端部D 的CFRP 撕裂且有剝落的跡象（部分試件中CFRP 開(kāi)始剝落），如圖4(e)所示，試件隨著位移的增加逐漸喪失承載能力.3）試件在試驗(yàn)加載初期和加載中期的特征與1）和2）的基本一致，但試件在加載中期并未產(chǎn)生TL 裂紋.在試驗(yàn)加載后期，木構(gòu)件端部D 發(fā)生順紋剪切破壞，端部D 區(qū)域的CFRP 由于木構(gòu)件的剪切而產(chǎn)生錯(cuò)位但并未出現(xiàn)明顯撕裂現(xiàn)象，如圖4(f)所示.此后，隨著位移的增加，試件出現(xiàn)突然失效的現(xiàn)象，試驗(yàn)即刻終止.結(jié)合以上分析，對(duì)所有試件相應(yīng)的試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行歸類.表現(xiàn)為1）的試件有CSJ1、CSJ2、CSJ5、CSJ6、CSJ9，歸類命名為EPⅠ；表現(xiàn)為2）的試件有CSJ3、CSJ11、CSJ12、CSJ14、CSJ16，歸類命名為EPⅡ；表現(xiàn)為3）的試件有CSJ4、CSJ7、CSJ8、CSJ10、CSJ13、CSJ15，歸類命名為EPⅢ.

木結(jié)構(gòu)平截面鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)（不考慮異型鋼填板作用的節(jié)點(diǎn)形式）在受力階段的特征表現(xiàn)為螺栓的彎曲陷入和木構(gòu)件螺孔擠壓變形[25-26]，這與本研究考慮異型鋼填板作用的節(jié)點(diǎn)形式有顯著的差異，主要原因是波紋鋼填板對(duì)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生顯著的力學(xué)效應(yīng)，具體影響如下.1）將木構(gòu)件的TL 斷裂失效受力形式簡(jiǎn)化成木材的雙懸臂梁（DCB）斷裂韌性測(cè)試試件[27]，如圖5 所示.圖中，a1為端部波折等效裂紋長(zhǎng)度，w1為a1受力點(diǎn)與試件非受力端之間的距離，a2為后端波折等效裂紋長(zhǎng)度，w2為a2受力點(diǎn)與試件非受力端之間的距離.斷裂韌性KIC和斷裂臨界力Fcr的關(guān)系式為

圖5 雙懸臂梁斷裂的簡(jiǎn)化模型Fig.5 Simplified mode of double cantilever beam fracture

式中：B為試件寬度，a為裂紋長(zhǎng)度，w為受力點(diǎn)與試件非受力端的間距.斷裂韌性和斷裂臨界力均隨著裂紋長(zhǎng)度的增大而減小[25]，因此a1為T(mén)L 斷裂的決定裂紋長(zhǎng)度.此外，由于端距固定不變，a2隨波長(zhǎng)的變化較小，a1與波長(zhǎng)成正比，斷裂臨界力與裂紋長(zhǎng)度成反比，并且斷裂柔度系數(shù)會(huì)有一定程度的增大[28]，因此，波長(zhǎng)越大，試件越易出現(xiàn)TL 斷裂.2）裂紋長(zhǎng)度a1與波高成正比，木槽張開(kāi)增加了波紋鋼填板的滑移空間，使得木構(gòu)件與鋼填板的剪切接觸面減??；隨著波紋鋼填板的滑移，木槽越易張開(kāi)，木槽末端F 越易發(fā)生TL 斷裂，使木槽端部D 被鋼板的滑移壓潰.滑移空間隨著波高持續(xù)增大明顯減小，端部發(fā)生順紋剪切破壞.3）裂紋長(zhǎng)度a1與波角成反比例關(guān)系，減小趨勢(shì)相對(duì)較小.須注意的是，由于波角較小時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向分力更大，導(dǎo)致木槽更易張開(kāi)，木槽末端F 更易發(fā)生TL 斷裂.4）木構(gòu)件的側(cè)向柔度隨著木構(gòu)件厚度的減小而增大，使得木槽易張開(kāi)，增大鋼板的滑移空間，出現(xiàn)不同的接觸變形.

2.2 失效模式

順紋加載試驗(yàn)下的節(jié)點(diǎn)試件共有4 種失效模式，分別為1）木構(gòu)件的端部順紋承壓失效，如圖4(a)，圖4(b)所示；2）木槽末端TL 斷裂失效，如圖4(d)所示；3）CFRP 與木構(gòu)件分離剝落或斷裂失效，如圖4(e)所示；4）木構(gòu)件端部順紋承壓剪切失效，如圖4(f)所示.木結(jié)構(gòu)平截面鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)失效的主要原因是螺栓屈服或銷槽承壓破壞[25-26]，與本研究考慮異型鋼填板作用的節(jié)點(diǎn)形式有明顯差別，這與CFRP-木結(jié)構(gòu)波紋鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn)中觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)應(yīng)，影響因素和影響規(guī)律基本一致.

對(duì)于木結(jié)構(gòu)鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)而言，螺桿的屈服模式和木構(gòu)件螺孔的變形形式是研究節(jié)點(diǎn)變形性能和理論模型分析的關(guān)鍵.為此結(jié)合節(jié)點(diǎn)的失效模式和圖3 對(duì)螺桿的變形模式進(jìn)行如下分析.1）螺桿基本處于剛直的狀態(tài)（屈服模式S Ⅰ ）；變形形式如圖6(a)所示.2）螺桿與波紋鋼填板螺孔接觸部分出現(xiàn)塑性鉸，AB 側(cè)螺栓出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得木構(gòu)件銷槽被擠壞，C 側(cè)螺栓并未出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)（屈服模式S Ⅰ、S Ⅲ ）；變形形式如圖6(b)所示.3）螺桿與鋼填板螺孔接觸部分出現(xiàn)塑性鉸，塑性鉸之外的螺桿剛直（屈服模式S Ⅲ）；變形形式如圖6(c) 所示.4）螺桿與鋼填板的接觸處、AB 側(cè)的螺桿均出現(xiàn)塑性鉸，C 側(cè)螺桿處于剛直狀態(tài)（屈服模式S Ⅲ、S Ⅳ ）；變形形式如圖6(d)所示.5）螺桿與鋼填板的接觸處、兩側(cè)的螺桿均出現(xiàn)塑性鉸（屈服模式S Ⅳ）；變形形式如圖6(e)所示.結(jié)合試件的失效模式和螺栓屈服變形模式[5]對(duì)試件進(jìn)行分類，結(jié)果如表3 所示.可以看出，試件的失效模式與試件在加載過(guò)程中的特征表現(xiàn)形式基本對(duì)應(yīng)，表明試件的失效模式主要取決于波紋截面及木厚尺寸，主要表現(xiàn)在對(duì)TL 斷裂性能的影響.此外，螺栓表現(xiàn)出多種組合變形模式，原因是波紋截面形式的存在使得木構(gòu)件中兩側(cè)側(cè)材厚度與螺桿的比值不同[5].

表3 CFRP-木結(jié)構(gòu)波紋鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)試件失效模式及螺栓屈服模式Tab.3 Failure modes of specimens for CFRP-bolted timber joints with slotted-in corrugated steel plates and yield modes of bolts

圖6 螺栓的變形形式Fig.6 Deformation form of bolts

2.3 荷載位移曲線

如圖7 所示為節(jié)點(diǎn)試件的荷載-位移曲線，其中Δ為位移，F(xiàn)為荷載.試件的荷載-位移曲線具有如下表現(xiàn)特征.1）試件的荷載位移曲線主要經(jīng)歷線彈性、脆性斷裂和斷裂失效3 個(gè)階段.2）部分試件在加載初期的剛度較小，原因是各個(gè)構(gòu)件之間存在一定的安裝空隙.3）在經(jīng)歷線性階段后，部分試件在失效階段出現(xiàn)荷載的急劇下降，這與觀察到的端部D 順紋剪切破壞和TL 斷裂現(xiàn)象相關(guān)，而順紋剪切破壞和TL 斷裂破壞具有明顯的脆性特征，因此荷載的變化具有突然性.4）部分試件在經(jīng)歷荷載驟降之后未完全失效，仍具有一定承載能力，存在明顯的斷裂失效過(guò)渡階段.該階段的曲線出現(xiàn)明顯的波段性變化，這與觀察到的木槽端部壓潰現(xiàn)象和CFRP 的變化相關(guān).這些現(xiàn)象產(chǎn)生的作用延緩了節(jié)點(diǎn)的破壞，因此節(jié)點(diǎn)仍持有一定的承載能力.5）在斷裂失效過(guò)渡階段，試件的荷載隨著位移的增加呈整體下降趨勢(shì)，直至荷載減小至失效目標(biāo)值（極限荷載的80%），但是有部分試件在失效時(shí)仍表現(xiàn)出荷載的急劇下降，這與觀察到的CFRP 撕裂、剝離、TL 斷裂失效或螺栓屈服折斷現(xiàn)象相關(guān)，這些現(xiàn)象具有明顯的脆性特征，因此荷載再次出現(xiàn)驟降.

圖7 試件的荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curve of specimen

木結(jié)構(gòu)平截面鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)的荷載位移曲線具有明顯的剛度變化和屈服階段，且屈服階段內(nèi)荷載保有一定的增長(zhǎng)趨勢(shì)但無(wú)明顯的波動(dòng)直至失效[25-26].對(duì)比荷載-位移曲線分析可以看出，波紋鋼填板和CFRP 對(duì)節(jié)點(diǎn)受力行為造成了顯著的影響，這與試驗(yàn)現(xiàn)象和失效模式有關(guān)，具體表現(xiàn)在木構(gòu)件TL 斷裂、剪切破壞、順紋壓潰和CFRP 斷裂等.

2.4 力學(xué)性能

波紋鋼填板節(jié)點(diǎn)沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，為此采用等效彈塑性能量法[29]確定試件荷載位移曲線中的屈服點(diǎn)，得到屈服位移和屈服荷載，如圖8 所示.圖中，折線OMN為理想彈塑性荷載-位移曲線，與實(shí)際荷載-位移曲線相交于點(diǎn)H，當(dāng)ON段2 條曲線相夾的面積S1和LMN段2 條曲線相交的面積S2相等時(shí)，過(guò)點(diǎn)M作Δ軸的垂線，與實(shí)際荷載-位移曲線相交于點(diǎn)H，實(shí)際荷載位移曲線中與點(diǎn)H對(duì)應(yīng)的實(shí)際位移為屈服位移Δy，與點(diǎn)H對(duì)應(yīng)的實(shí)際荷載為屈服荷載Fy；失效位移Δu表示試件產(chǎn)生明顯破壞或荷載下降至最大荷載的80%時(shí)對(duì)應(yīng)的位移；延性系數(shù)D為失效位移Δu與屈服位移Δy的比值.為了較好地處理初始滑移對(duì)彈性節(jié)點(diǎn)彈性剛度的影響，彈性剛度ke采用10%峰值荷載點(diǎn)與40%峰值荷載點(diǎn)連線的斜率.

圖8 主要力學(xué)性能參數(shù)定義Fig.8 Definitions of main mechanical property parameters

試件的主要力學(xué)性能參數(shù)如表4 所示，ke、Fy、Δy、Fmax、Δu和D取各組試件的平均值；D=Δy/Δu，括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)為相應(yīng)參數(shù)的變異系數(shù)（%）.可以看出：1）各試件的彈性剛度的差異較小，試件的強(qiáng)度、和延性的差異明顯，這說(shuō)明各個(gè)參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能有一定的影響，但由于各個(gè)參數(shù)之間的交互作用，難以直觀得到各項(xiàng)參數(shù)的影響程度及影響規(guī)律.2）節(jié)點(diǎn)總體延性相對(duì)較差，但部分試件的延性良好，主要原因是節(jié)點(diǎn)在失效前的滑移距離較長(zhǎng)，即失效位移較大.此外，部分延性較差的試件也具有較大的失效位移，說(shuō)明在合適的尺寸條件設(shè)計(jì)下節(jié)點(diǎn)能夠獲得良好的安全性能.

表4 CFRP-木結(jié)構(gòu)波紋鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)試件力學(xué)性能參數(shù)Tab.4 Mechanical property parameters of specimens for CFRP-bolted timber joints with slotted-in corrugated steel plates

3 節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能正交參數(shù)分析

為了反映誤差對(duì)試驗(yàn)的影響，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5 所示，表中，Q為偏差平方和，df 為自由度，MS 為均方，VS為方差統(tǒng)計(jì)量，Sig 為顯著性.為了進(jìn)一步比較顯著因素中各水平的差異和具體的影響規(guī)律，對(duì)各因素內(nèi)部進(jìn)行多重比較[22]，如圖9 所示，圖中，a，b，c 表示各因素下的力學(xué)性能參數(shù)的差異顯著性及次序，在考慮顯著性差異條件下的最大數(shù)值上標(biāo)注a，由大到小依次為ab、b、bc、c.

表5 主要力學(xué)性能參數(shù)方差分析Tab.5 Variance analysis of main mechanical property parameters

圖9 顯著因素的多重比較圖Fig.9 Multiple comparison of significant factors

3.1 彈性剛度

由方差分析結(jié)果可以看出，λ、h、θ、t和n的置信度均超過(guò)95%，說(shuō)明這些參數(shù)對(duì)彈性剛度均有顯著影響.通過(guò)比較各參數(shù)的偏差平方和的大小，可以得到影響彈性剛度的影響程度為t＞h＞n＞θ＞λ.由圖9(a)可以得到各個(gè)參數(shù)在該組因素條件下的具體影響規(guī)律如下.1）彈性剛度與波長(zhǎng)負(fù)相關(guān)，原因是木構(gòu)件的側(cè)向柔度隨波長(zhǎng)增大而增大.2）彈性剛度隨著波高的增大先增后減，原因是木構(gòu)件的剪切面面積隨波高增加而增大，其側(cè)向柔度也逐漸變大.3）彈性剛度與波角正相關(guān)，但隨著波角的增大，彈性剛度的增大趨勢(shì)逐漸減弱，原因是剪切剛度在一定范圍內(nèi)隨著剪切角增大有著一定的增大趨勢(shì)[30].4）彈性剛度與木厚成負(fù)相關(guān)關(guān)系，原因是木厚的增大導(dǎo)致銷槽接觸面的面積增大[31]，但增大趨勢(shì)隨著木厚增大逐漸減弱.5）彈性剛度與CFRP 層數(shù)正相關(guān)，CFRP 對(duì)端部有一定的增強(qiáng)作用，但增加趨勢(shì)隨著CFRP 層數(shù)的增加逐漸減弱.主要原因是CFRP 層數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，每層CFRP 的增益效應(yīng)會(huì)逐漸減弱[20].應(yīng)該注意的是不同的結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生不同的影響，具體情況須結(jié)合實(shí)際情況開(kāi)展更為全面的研究.

3.2 極限強(qiáng)度

由方差分析結(jié)果還可以看出，λ、h、θ、t和n對(duì)極限強(qiáng)度均存在顯著的影響.通過(guò)比較各參數(shù)的偏差平方和的大小，可以得到影響極限強(qiáng)度的影響程度為h＞θ＞t＞n＞λ.由圖9(b)可以得到各個(gè)參數(shù)在該組因素條件下的具體影響規(guī)律如下.1）極限強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)的增幅形式為先增后減.2）極限強(qiáng)度隨著波高的增幅形式為先增后減，原因是當(dāng)波高較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)端部易呈現(xiàn)承壓失效，當(dāng)波高較大時(shí)，節(jié)點(diǎn)端部易呈現(xiàn)剪切失效.3）極限強(qiáng)度與波角負(fù)相關(guān)，原因是當(dāng)波角較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)的端部呈現(xiàn)承壓失效，當(dāng)波角較大時(shí)，端部呈現(xiàn)剪切失效，但隨著波角的增大，其減小趨勢(shì)逐漸減弱并逐漸穩(wěn)定.原因是在一定角度區(qū)間內(nèi)，木材的剪切強(qiáng)度隨著角度的增大而增大[30].4）極限強(qiáng)度與木厚正相關(guān)，這是由于木厚的增大導(dǎo)致銷槽接觸面的面積增大，且隨著木厚的增加，螺栓的屈服變形模式發(fā)生變化，但隨著木厚的增大其增大趨勢(shì)逐漸減弱[25-26,31].5）極限強(qiáng)度與CFRP 層數(shù)負(fù)相關(guān)，原因是CFRP 對(duì)木構(gòu)件端部有一定的增強(qiáng)作用，但隨著CFRP 層數(shù)的增加其增加趨勢(shì)逐漸減弱.與彈性剛度分析一致，CFRP 對(duì)極限強(qiáng)度存在增幅減弱趨勢(shì)[20]，但CFRP 對(duì)極限強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)明顯大于彈性剛度.

3.3 延性率

由方差分析結(jié)果還可以看出，λ、h、θ、t和n對(duì)延性率均有顯著的影響.通過(guò)比較各參數(shù)的偏差平方和的大小，可以得到影響延性率的影響程度為θ＞h＞λ＞n＞t.由圖9(c)可以得到各個(gè)參數(shù)在該組因素條件下的具體影響規(guī)律如下.1）延性率隨波長(zhǎng)的增幅形式為先增后減，原因是波長(zhǎng)的增大使得木構(gòu)件柔度增加，并使斷裂韌性減小，導(dǎo)致木槽產(chǎn)生較大的側(cè)向變形及滑移空間，但是當(dāng)波長(zhǎng)較大時(shí)，木構(gòu)件易產(chǎn)生TL 斷裂并且使得滑移距離變短.2）延性率隨波高的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，原因是隨著波高的增大，試件易發(fā)生剪切失效.3）延性率隨波角的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，原因是隨著波角的增大，側(cè)向力逐漸減小，木槽的張開(kāi)程度減小，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)更易發(fā)生剪切破壞.4）延性率隨木構(gòu)件厚度的增幅形式為先增后減.原因是當(dāng)木厚較小時(shí)，側(cè)向柔度較大，鋼板的滑移空間較大，但螺栓的變形限制較小，螺孔易發(fā)生破壞；隨著木厚的增大，木槽張開(kāi)程度減小，鋼板的滑移空間減小，但螺栓的變形限制較大.5）延性率與CFRP 層數(shù)正相關(guān)，但CFRP 在2 層和3 層這2 組水平條件下的差異不顯著，說(shuō)明CFRP對(duì)延緩節(jié)點(diǎn)的失效有一定作用，但過(guò)多的CFRP層數(shù)并無(wú)持續(xù)的顯著增益.與彈性剛度和極限強(qiáng)度的分析一致，CFRP 對(duì)延性存在增幅減弱趨勢(shì)[20]，但CFRP 對(duì)延性的增益相對(duì)于彈性剛度和極限強(qiáng)度更為顯著.

4 結(jié)論

提出CFRP-木結(jié)構(gòu)波紋鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)，對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論.1）加載過(guò)程中，由于波紋鋼填板和CFRP 的力學(xué)作用，使得試件出現(xiàn)了明顯的力學(xué)特征，主要包括木構(gòu)件順紋剪切斷裂、TL 斷裂、順紋壓潰以及CFRP 斷裂等現(xiàn)象；節(jié)點(diǎn)主要包括4 種失效模式：木構(gòu)件端部剪切失效、端部承壓失效、TL 斷裂失效和CFRP 斷裂失效.2）螺栓出現(xiàn)多種組合屈服變形模式，原因是波紋截面導(dǎo)致木構(gòu)件兩側(cè)厚度與螺栓直徑比值不同.3）試件的荷載位移曲線均沒(méi)有明顯的屈服階段，部分試件只經(jīng)歷彈性階段即失效.原因是端部出現(xiàn)具有明顯脆性特征的剪切破壞，而部分試件經(jīng)歷了彈性階段、斷裂失效過(guò)渡階段和斷裂失效階段；CFRP 的作用或木槽的張開(kāi)使鋼板獲得足夠的滑移空間，令木材端部出現(xiàn)承壓破壞，具有較為明顯的延性特征.4）波長(zhǎng)λ、波高h(yuǎn)、波角θ、木厚t和CFRP 層數(shù)n對(duì)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能的影響均存在較為顯著的影響.相對(duì)于極限強(qiáng)度和延性，彈性剛度受影響的程度明顯較小.各因素對(duì)彈性剛度、極限強(qiáng)度、延性的影響主次效應(yīng)分別為t＞h＞n＞θ ＞λ、h＞θ ＞t＞n＞λ、θ＞h＞λ＞n＞t.5）在設(shè)置的參數(shù)及因素水平下，彈性剛度隨波長(zhǎng)的增大而減小，隨波高的增大波動(dòng)變化，與波角、木厚和CFRP 層數(shù)均正相關(guān)；極限強(qiáng)度隨波長(zhǎng)和波高的增大呈波動(dòng)變化，與波角負(fù)相關(guān)，與木厚和CFRP 層數(shù)正相關(guān)；延性隨波長(zhǎng)和木厚的增大波動(dòng)變化，與波高和波角均負(fù)相關(guān)，與CFRP 層數(shù)正相關(guān)關(guān)系.

本研究觀測(cè)到的節(jié)點(diǎn)剪切失效模式具有明顯的脆性特征，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎處理.綜合本研究結(jié)論，建議在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)選取較小的波高，或在較大波高的條件下選取較小的波角.這樣的設(shè)計(jì)方式有利于節(jié)點(diǎn)端部出現(xiàn)承壓破壞，從而得到較大的失效位移和良好的承載能力.本研究未對(duì)更多的尺寸節(jié)點(diǎn)和更多形式的異型鋼填板試件進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)，本研究的節(jié)點(diǎn)試件主要利用歐洲云杉膠合木制作而成.后續(xù)計(jì)劃開(kāi)展專門(mén)的試驗(yàn)研究，積累更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)完善研究?jī)?nèi)容.由于CFRP 對(duì)于木結(jié)構(gòu)波紋鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)形式的延性具有較好的針對(duì)性增益效果，建議采用本研究的CFRP 加強(qiáng)方式或者其他適宜的CFRP 加強(qiáng)方式改善其力學(xué)性能.本研究中的多種斷裂模式是影響節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，后續(xù)將深入研究受力機(jī)理，建立相應(yīng)的分析模型及計(jì)算準(zhǔn)則.