新型復(fù)合竹層積材的順紋銷槽承壓強度計算公式

李霞鎮(zhèn)，鐘 永，2，任海青，2

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 木工所，北京100091；2.國家林業(yè)局 木材科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，北京100091）

中國竹資源擁有量和品質(zhì)均居世界首位，竹子具有生長速度快、成材早和產(chǎn)量高等特性，屬于短期的可再生資源［1］。隨著新型復(fù)合竹質(zhì)工程材料技術(shù)的突破，將改變中國竹質(zhì)材料大多被應(yīng)用于地板和集裝箱等非建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)狀，為其在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)設(shè)計中，銷槽承壓強度是銷連接設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)之一，被列入各國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中［2－4］。國外學(xué)者Kweonhwan［5］、Douglas［6］、Kei［7］、Wataru［8］、Chui－Ki［9］、Marc［10］、M.A.［11］、Alfredo［12］等，研究了木材密度、銷徑、端距、含水率、紋理方向等因素對規(guī)格材、膠合木等工程木銷槽承壓力學(xué)性能影響，得到了銷槽承壓強度理論計算公式。黃紹胤［13－14］、樊承謀［15］、王振家［16］最早研究了 銷徑、孔 徑和進鉆速度等因素對銷槽承壓強度的影響，得到了圓鋼銷連接承彎、承壓的可靠度指標(biāo)。劉柯珍［17］研究了銷徑、厚度、紋理方向等對膠合木銷槽承壓的力學(xué)性能影響。但作為新型復(fù)合竹質(zhì)材料的銷槽承壓力學(xué)性能，尚未有相關(guān)研究。

為研究該新型復(fù)合竹層積材順紋銷槽承壓的力學(xué)性能，課題組參照木結(jié)構(gòu)試驗方法［18］，進行了7組，共28個銷槽承壓試件測試，分析了竹層積材厚度、銷直徑和端距對其力學(xué)性能的影響，建立了其承壓強度的計算公式，將為其在建筑結(jié)構(gòu)中的設(shè)計與應(yīng)用提供初步參考。

1 試驗概況

1.1 銷槽試件制造

針對竹層積材順紋銷槽承壓的影響因素，共設(shè)計了7個測試組，其中竹層積材厚度T、銷直徑D、端距S變化各3組，ZT－3測試組又兼為ZS－3和ZD－3，每組含4個試樣，測試組的具體參數(shù)見表1。

表1 測試組的基本參數(shù)

竹層積材銷槽承壓試件見圖1，X為順紋方向，即竹層積材的長度方向；Y為徑向，即厚度方向；Zv為弦向，即寬度方向。其中，竹層積材銷開半圓孔，孔直徑比銷直徑大1mm。銷的材料為 Q235，等級為4.8級［2］。

圖1 銷槽承壓試件示意圖

1.2 試驗用竹層積材

試驗用竹層積材為典型的正交各向異性材料，為四川竹元科技公司制造的新型高性能竹基復(fù)合材料，材種為叢生竹，其加工過程為：竹材→剖分→疏解→膠前干燥→浸膠→膠后干燥→裝模→熱壓固化→脫?！駥臃e材。

采用10tInstron5582萬能力學(xué)試驗機測試竹層積材的物理力學(xué)性能［19］。測得其含水率約為4%，密度為1.1～1.3g／cm3。表2為各方向的強度平均值及其變異系數(shù)。

表2 竹層積材材性

1.3 試驗加載及量測

圖2為試驗加載裝置圖。采用30t萬能力學(xué)試驗機對竹層積材銷槽承壓試件進行測試，加載速度為1mm／min［18］。當(dāng)鋼銷完全嵌入竹層積材試件或載荷出現(xiàn)明顯下降時，停止加載。

圖2 試驗加載裝置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 破壞現(xiàn)象

竹層積材順紋銷槽承壓時，各測試組的破壞形式均相同，見圖3。

圖3 銷槽承壓的破壞模式

鋼銷的彈性模量、強度均遠(yuǎn)高于竹層積材，因此可假設(shè)銷為剛體，即銷在整個加載過程中不發(fā)生變形。竹層積材在加載初期處于彈性階段。隨著載荷增加，竹層積材的銷開孔兩端受局部擠壓變形并出現(xiàn)細(xì)微裂紋。持續(xù)加載，裂紋沿竹層積材表面擴展，并逐漸向里延伸，直至裂紋貫穿整個竹層積材，載荷出現(xiàn)明顯下降，停止加載。

2.2 荷載-位移曲線

圖4為竹層積材順紋銷槽承壓各測試組的荷載-位移曲線，其曲線形式基本一致，呈脆性破壞。曲線在加載初期呈非線性，主要原因是加工精度誤差導(dǎo)致銷與竹層積材間存在初始空隙。隨著載荷增加，初始空隙消除，竹層積材處于線彈性階段，曲線進入線性階段。

持續(xù)加載，竹層積材的銷開孔兩端因應(yīng)力集中的影響［20］，局部產(chǎn)生塑性變形并出現(xiàn)細(xì)微裂紋，此時竹層積材仍能繼續(xù)承載。但因細(xì)微裂紋的快速擴展導(dǎo)致整個竹層積材被裂紋貫通，銷槽散失承載力，曲線進入破壞階段。

但文獻［17］中膠合木順紋銷槽承壓測試的塑性變形階段較明顯，并未發(fā)生脆性破壞，與文中采用竹層積材測試的結(jié)果不一致。從上述測試的竹層積材順紋承壓荷載-位移曲線（圖5）可知，有明顯的塑性變形階段。結(jié)合圖3～5及實驗現(xiàn)象，可判斷竹層積材順紋銷槽承壓呈脆性破壞，主要是因為竹層積材用膠為脆性材料，當(dāng)局部應(yīng)力達(dá)到膠粘強度時，竹層積材表面出現(xiàn)細(xì)紋裂紋且產(chǎn)生局部塑性變形，但隨著裂紋快速貫通整個竹層積材，載荷出現(xiàn)明顯下降，竹層積材大部分銷槽承壓截面并未達(dá)到順紋承壓強度。

2.3 剛度、最大載荷、承壓強度

從圖4中分析可知，竹層積材順紋銷槽承壓時，基本無塑性變形階段，文中取最大載荷值Fmax計算銷槽承壓強度，對應(yīng)的位移作為最大位移值［21］。其承壓強度計算公式如下：

式中：fe為銷槽承壓強度，MPa；Fmax為銷槽承壓的最大載荷，kN；D為銷直徑，mm；T為竹層積材厚度，mm。

圖4 試件荷載-位移曲線

圖5 竹層積材順紋方向抗壓荷載-位移曲線

竹層積材銷槽承壓各測試組的力學(xué)性能參數(shù)統(tǒng)計的平均值見表3。

表3 銷槽承壓計算結(jié)果

續(xù)表3

由于竹層積材為工程復(fù)合材料，避免了竹節(jié)、空洞和腐朽等天然缺陷所導(dǎo)致的力學(xué)性能差異［21］，且與規(guī)格材、結(jié)構(gòu)膠合木等木質(zhì)材料相比，其密度的變異系數(shù)可忽略不計，因此各測試組試樣的力學(xué)性能參數(shù)均較穩(wěn)定。

3 影響因素分析

3.1 竹層積材厚度

比較竹層材厚度（測試組ZT－1、2、3）對銷槽承壓的剛度K、最大載荷Fmax和承壓強度fe等力學(xué)性能的影響，見圖6。

圖6 竹層積材厚度T對銷槽承壓性能的影響

從圖6可知，隨著竹層積材厚度的增加，銷槽承壓的剛度、最大載荷和最大位移均大致呈線性增長，增幅分別為0.772（kN／mm）／mm、1.557kN／mm、0.009 2mm／mm。而承壓強度值則隨厚度的增加，基本保持不變，主要是因為銷槽承壓截面沿厚度的應(yīng)力不均勻分布現(xiàn)象［20］，在局部塑性變形后可發(fā)生內(nèi)應(yīng)力重新分布，與文獻［13－16］結(jié)果相同。

3.2 端距

比較端距（測試組ZS－1、2、3）對銷槽承壓的剛度K、最大載荷Fmax和承壓強度fe等力學(xué)性能的影響，見圖7。

從圖7可知，隨著端距的增加，銷槽承壓的剛度、最大載荷均先增加后基本保持不變。而最大位移則隨厚度增加，基本保持不變。對于承壓強度，當(dāng)端距為48mm時，其承壓強度明顯小于其它測試組；當(dāng)端距大于64mm，其承壓強度基本保持不變。從木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范可知［2－4］，端距在滿足一定幾何構(gòu)造要求后，可避免銷槽發(fā)生撕裂破壞。對于該新型復(fù)合竹層積材，則要求端距不應(yīng)小于64mm。

3.3 銷直徑

比較銷直徑（測試組ZD－1、2、3）對銷槽承壓的剛度K、最大載荷Fmax和承壓強度fe等力學(xué)性能的影響，見圖8。

圖7 端距S對銷槽承壓性能的影響

圖8 銷直徑D對銷槽承壓性能的影響

從圖8中可知，隨著銷直徑的增加，銷槽承壓的剛度、承壓強度和最大位移基本保持不變，而承壓強度則呈線性遞減，與文獻［2－4］結(jié)果一致。

4 順紋銷槽承壓強度計算公式

銷槽承壓強度為銷連接設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)之一。由于缺乏試驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，中國現(xiàn)有木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定銷槽承壓的強度取值為木材的順紋承壓強度［2］。而加拿大、美國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范則采用木材相對密度G和銷直徑D作為基礎(chǔ)參數(shù)進行計算，如下：

加拿大設(shè)計公式［3］：

美國設(shè)計公式［4］：

因木材密度與其順紋承壓強度之間基本呈線性［21］，式2、3中的密度用木材順紋承壓強度代替后，與中國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范銷槽承壓強度取值方法相同。

通過上述竹層積材順紋銷槽承壓力學(xué)性能的影響因素分析（圖6～8），表明其承壓強度主要受銷直徑D的影響。基于此及文獻［2－4］，建立了竹層積材順紋銷槽承壓強度的理論計算公式：

式中：KD為銷直徑的影響系數(shù)；fc，0為竹層積材順紋抗壓強度161.46MPa，a0為待確定系數(shù)。

以測試組ZD－3（T＝90mm、D＝12mm、S＝64mm）作為基準(zhǔn)組，其KD取值為1.0，則系數(shù)值a0等于其銷槽承壓強度與竹層積材順紋抗壓強度的比值fe／fc，0，即0.88。由圖8（d）知銷直徑與承壓強度大致成線性遞減，因此對測試組ZD－1、2、3，以D／12為橫坐標(biāo)，以各測試組相對于基準(zhǔn)組的承壓強度比值為縱坐標(biāo)，采用線性回歸擬合，如圖9所示。

圖9 銷直徑影響系數(shù)KD的擬合結(jié)果

從圖9中的擬合回歸分析結(jié)果，表明竹層積材順紋銷槽承壓中的銷直徑影響系數(shù)KD可采用公式5計算：

采用以上影響系數(shù)代入式fe＝0.88 KDfc，0計算各測試組的銷槽承壓強度，并與實測值比較見表4（不包含測試組ZS－1），表明該理論計算公式能夠準(zhǔn)確預(yù)測竹層積材順紋銷槽承壓強度值。

表4 銷槽承壓計算結(jié)果比較

5 結(jié) 論

通過7組共28個復(fù)合竹層積材順紋銷槽承壓試件的試驗研究，獲得如下結(jié)論。

1）竹層積材順紋銷槽承壓破壞形式呈脆性破壞。

2）竹層積材順紋銷槽承壓強度主要受銷直徑D的影響，而受竹層積材厚度的影響較小。當(dāng)其端距不小于64mm時，端距對銷槽承壓強度的影響可忽略不計。

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