斜螺釘連接膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)抗側(cè)性能研究?

闕澤利 韓 聰 滕啟城,2 胡傳雙 羅文圣

（1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037；2.保國(guó)寺古建筑博物館，寧波 315033； 3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院, 廣州 510642；4.北京盛大華源科技有限公司，北京 100070)

節(jié)點(diǎn)連接是膠合木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，是膠合木結(jié)構(gòu)裝配性的最直接體現(xiàn)。目前比較普遍的設(shè)計(jì)方法是采用鋼填板插入膠合木端部的預(yù)制槽中，然后通過(guò)螺栓穿過(guò)預(yù)制在鋼板和膠合木上的孔實(shí)現(xiàn)連接。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)斜螺釘連接設(shè)計(jì)提出規(guī)范要求，主要 有EN1995-1-1[1]、BS EN 1995-2[2]、AS1720-1[3]、CNR DT 206[4]以及《木質(zhì)構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]等。根據(jù)Johansen 屈服理論[6]可知，木材銷槽承壓強(qiáng)度和螺桿的抗彎承載性能決定螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載力，但木材順紋抗剪和橫紋抗拉性能較差，且木材的順紋劈裂具有明顯的脆性。在膠合木節(jié)點(diǎn)受到地震作用發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺栓連接處的膠合木與螺桿產(chǎn)生擠壓，螺栓孔側(cè)邊木材產(chǎn)生橫紋拉應(yīng)力集中，進(jìn)而在孔的順紋方向容易出現(xiàn)裂隙，且在順紋方向發(fā)展迅速，對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載力削弱影響非常顯著。Closen等[7]對(duì)自攻螺釘連接膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明：膠合木自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)的受壓承載力分別為設(shè)計(jì)荷載的2 倍和1.9倍，節(jié)點(diǎn)具有較大的剛度但延性較弱。Houtte[8]等研究了LVL(單板層積材）框架節(jié)點(diǎn)的抗彎矩連接，結(jié)果表明：使用環(huán)氧樹(shù)脂和鋼筋連接可以形成承載極高的節(jié)點(diǎn)，但很難發(fā)揮LVL材料的全部強(qiáng)度性能。Nakatani[9]等研究了LSB(長(zhǎng)螺栓）連接膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)的抗彎矩性能，連接時(shí)，LSB順紋方向釘入膠合梁中，獲得的節(jié)點(diǎn)具有較好延性，但是在膠合梁固定端易出現(xiàn)LSB被拔出的現(xiàn)象，需要進(jìn)一步增強(qiáng)措施。劉慧芬等[10]通過(guò)單調(diào)和低周反復(fù)加載方法，研究不同布置間距、直徑和數(shù)量的自攻螺釘對(duì)加強(qiáng)膠合木螺栓連接梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能的影響，結(jié)果表明：自攻螺釘布置間距的變化對(duì)節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載作用下的承載力和延性系數(shù)無(wú)明顯影響；數(shù)量的增加和直徑的增大，對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力、破壞轉(zhuǎn)角、延性系數(shù)以及節(jié)點(diǎn)總耗能的影響最大；而節(jié)點(diǎn)承載力和總耗能隨著自攻螺釘布置間距的減小降低明顯。Wang[11]等研究了斜螺釘連接LVL的剪切性能，結(jié)果表明：拉剪模式比壓剪模式具有更好的承載能力和承載剛度。常程等[12]研究了斜螺釘在正交膠合木中的抗拔性能，結(jié)果表明：隨自攻螺釘與木材紋理方向的夾角γ增大，木材表面撕裂破壞現(xiàn)象越明顯；試件剛度和強(qiáng)度均隨γ的增大而增大。Tomasi等[13]在關(guān)于斜螺釘連接木與木節(jié)點(diǎn)的理論與試驗(yàn)分析中，對(duì)斜螺釘連接膠合木的剪切性能有較為全面的分析。孫兆洋等[14-19]研究了自攻螺釘連接膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和對(duì)古建加固性能的影響。

本文設(shè)計(jì)了一種適用于裝配式膠合木建筑的新型梁柱斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)，采用全螺紋自攻螺釘將金屬鋼板和梁、柱分別連接后，使用螺栓完成梁和柱的連接。圖1 所示為新型節(jié)點(diǎn)斜螺釘連接原理。這種方式不僅避免了在膠合木梁和柱上預(yù)制較大的孔洞，而且全螺紋自攻螺釘連接可將端部承受的荷載，均勻地分布在螺桿上，進(jìn)而有效地傳遞到被連接構(gòu)件內(nèi)部，不僅不容易造成木材開(kāi)裂，而且橫紋方向自攻螺釘?shù)目拱瘟哂泻芎玫难有?，可以使?jié)點(diǎn)由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有裕瑥亩岣哒麄€(gè)節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的承載性能和抗震性能。

圖1 新型膠合木梁柱斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of new type glulam beamcolumn joint

1 材料與方法

1.1 材料

膠合木梁選用云杉（Picea glauca Mast.)層板，產(chǎn)地加拿大，J級(jí)，紋理通直，有少量活節(jié)，尺寸為38 mm×89 mm×4 000 mm，平均密度為0.469 g/cm3，平均含水率為15.3%。由上海融嘉木結(jié)構(gòu)房屋工程有限公司使用單組份異氰酸酯膠黏劑膠合成截面為105 mm×105 mm×2 500 mm膠合木。根據(jù)GB/T 50708—2012《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中等級(jí)規(guī)定，其順紋抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)33.5 N/mm2，強(qiáng)度等級(jí)為TCT30，順紋抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值5.5 N/mm2。節(jié)點(diǎn)連接用鋼板為 Q235 號(hào)鋼。鋼板在工廠預(yù)制如圖1 所示直角孔和45°斜孔。鋼-木連接件為VGS9×200 自攻螺釘，鋼-鋼連接采用12.9 級(jí)M16 高強(qiáng)螺栓。試驗(yàn)共測(cè)試3組相同的T型試件：SP1、SP2 和SP3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

微機(jī)控制電液伺服組合式剪力墻試驗(yàn)系統(tǒng)（型號(hào)為YAW-250J），水平作動(dòng)器行程范圍為±250 mm，荷載最大為250 kN，山東濟(jì)南邦威儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)加載制度

為方便加載，將T型梁柱節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn) 90°，通過(guò)2 根M30 高強(qiáng)螺栓將膠合柱兩端與底座固定，上部梁通過(guò)M30 高強(qiáng)螺栓和槽鋼與水平作動(dòng)器連接。采用水平電液伺服作動(dòng)器對(duì)膠合梁自由端施加水平荷載，并輸出梁端的水平荷載和水平位移。

膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)的抗側(cè)性能試驗(yàn)采用低周反復(fù)循環(huán)加載，即擬靜力試驗(yàn)方法，參考ISO16670-2003 “ Timber structures-joints made with mechanical fasteners-Quasistatic reversed-cyclic test method”控制和循環(huán)方法[20]。試驗(yàn)全程采用位移控制方法，每級(jí)的位移由變形角決定。試驗(yàn)從拉向開(kāi)始，最后采用拉向破壞的方式，至試件完全破壞后結(jié)束加載，即達(dá)到節(jié)點(diǎn)的極限承載力并下降至85%以下。具體的位移控制流程如表1 所示。

表1 低周反復(fù)試驗(yàn)加載制度表Tab.1 Loading schedule for reversed cyclic loading tests

1.4 試驗(yàn)測(cè)量方案

低周反復(fù)加載試驗(yàn)主要分析的是節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的彎矩和轉(zhuǎn)角的關(guān)系。彎矩根據(jù)水平伺服作動(dòng)器輸出的水平荷載和梁自由端與水平傳動(dòng)梁固定位置的軸心到柱上平面間的距離計(jì)算得出。斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角為膠合木梁在節(jié)點(diǎn)處相對(duì)于膠合木柱的轉(zhuǎn)角。

圖2 為試驗(yàn)加載裝置和測(cè)點(diǎn)布置。膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)梁兩側(cè)對(duì)稱布置的2 個(gè)位移傳感器AD2 和AD3 用于測(cè)量梁、柱間的轉(zhuǎn)角。同時(shí)沿著柱中軸線布置4 個(gè)50 mm YWC-50 型位移傳感器（RD1-4，精度0.01 mm）,監(jiān)測(cè)膠合木梁在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中和最終破壞后柱的軸線方向上的變形情況。上述荷載傳感器和位移傳感器同時(shí)接入30 通道TDS530 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，采集頻率1 Hz。試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度5～15℃，相對(duì)濕度50%～70%。

圖2 試驗(yàn)加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Configuration of reversed cyclic loading test

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

斜螺釘連接膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用初期，膠合梁小范圍沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。從1/40 循環(huán)開(kāi)始節(jié)點(diǎn)處木材出現(xiàn)輕微的斷裂聲，但荷載-位移曲線未受明顯的影響，只有SP2 試件在 1/15 循環(huán)時(shí)左側(cè)最高處2 顆自攻螺釘釘帽被拉斷（圖3a），SP1 和SP3 連接的斜螺釘僅擠壓鋼板預(yù)制孔并使之產(chǎn)生壓潰，工作狀態(tài)均良好。最終拉向破壞加載的破壞現(xiàn)象均為如圖3c所示的膠合柱左半側(cè)中軸線位置木材順紋開(kāi)裂，表明全螺紋自攻螺釘有效地將膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)處的荷載傳遞到了膠合柱的內(nèi)部。膠合柱承壓面右側(cè)壓潰明顯，由于破壞時(shí)轉(zhuǎn)角過(guò)大，通過(guò)高強(qiáng)螺栓與膠合梁底部鋼板連接的右側(cè)垂直鋼板發(fā)生向內(nèi)不可恢復(fù)的較大彎曲變形（圖3b）。

圖3 膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)試驗(yàn)典型破壞現(xiàn)象Fig.3 Characteristic failure mode of glulam beam-column joint test

2.2 理論分析

參考Komatsu對(duì)膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)理論分析方法[21]，對(duì)斜螺釘連接膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，如圖4。

由斜螺釘連接的梁柱節(jié)點(diǎn)交匯區(qū)域內(nèi)的彎矩平衡可知：

式中，cML為柱左側(cè)距柱中心的彎矩, kN/m;cMR為柱右側(cè)距柱中心的彎矩, kN/m；bQL為梁左側(cè)距梁中心的剪切力, kN;hc為柱的高度，m;pQb為梁作用于面板上的剪切力，kN;bML為梁左側(cè)距梁中心的彎矩, kN/m;cQL為柱左側(cè)距柱中心的剪切力, kN;cQR為柱右側(cè)距柱中心的剪切力, kN;hb為梁的高度，m;pQc為柱作用于面板上的剪切力, kN。

由式(1)和式(2)知，節(jié)點(diǎn)梁柱交匯區(qū)域內(nèi)的剪力為：

式中，hp為面板高度，m。

圖4 T型梁柱斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)受力解析Fig.4 Theoretical analysis of T-type beam-column joint with inclined screws

因?yàn)閂L＝PH，

式中，V為基礎(chǔ)反力，kN；L為柱二端螺栓間距，m；P為水平向荷載，kN；H為水平向加載點(diǎn)與基礎(chǔ)的垂直距離，m。

綜上得：

進(jìn)而得到：

所以，節(jié)點(diǎn)交匯區(qū)域內(nèi)的水平剪切應(yīng)變和垂直剪切應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中，pτb: 梁對(duì)面板的剪應(yīng)力，MPa;pτc: 柱對(duì)面板的剪應(yīng)力，MPa。

圖5 水平切應(yīng)變與垂直切應(yīng)變的組合Fig.5 The combination of horizontal and vertical shear strain

圖5 所示為水平剪力pτb和垂直剪力pτc共同作用下得到的變形角pγ, Gw為膠合木剪切模量。

式中，Gw為膠合木剪切模量，MPa。

根據(jù)用于試驗(yàn)的云杉膠合木順紋抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值5.5 N/mm2，計(jì)算得到膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞荷載為30.8 kN，與3 組試件的試驗(yàn)結(jié)果28.2、27.7 kN和29.2 kN結(jié)果較為接近，表明上述T型梁柱節(jié)點(diǎn)的理論計(jì)算模型能較好地體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理，對(duì)其承載能力有較好的預(yù)測(cè)效果。

2.3 滯回曲線與骨架曲線

在低周反復(fù)荷載作用下，膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)處的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系構(gòu)成了梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回曲線，將滯回曲線中每一個(gè)主循環(huán)的峰連接，則形成梁柱節(jié)點(diǎn)的骨架曲線，近似于膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)在單調(diào)拉向加載和單調(diào)壓向加載的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線的組合。滯回曲線和骨架曲線是膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能分析的主要方法，可以直接反映低周反復(fù)荷載作用下節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、剛度、變形特征、屈服位置和剛度退化的過(guò)程，一次循環(huán)曲線圍成的面積則體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)抗震消能能力。

圖6 木梁柱節(jié)點(diǎn)的M-θ 滯回曲線Fig.6 M-θ hysteretic lops of glulam beam-column joint

從圖6 可見(jiàn)，斜螺釘節(jié)點(diǎn)拉向和壓向加載循環(huán)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線基本對(duì)稱，呈“反S形”，但在轉(zhuǎn)角較大時(shí)，表現(xiàn)出一定的“捏縮”現(xiàn)象，因?yàn)樵诠?jié)點(diǎn)拉壓方向交替時(shí)，膠合梁的旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生變化，期間經(jīng)過(guò)膠合梁固定端底面與膠合木柱上的連接鋼板“面接觸”階段，這一過(guò)程需要較大的轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)，且承載力較低。隨著循環(huán)次數(shù)增加，斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角增大，3 組試件的曲線均逐漸趨向于水平，骨架曲線的斜率逐漸減小，出現(xiàn)了明顯的剛度退化，表明斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用下屈服后逐漸累積因吸收能量而產(chǎn)生的損傷。

膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)試件SP1 在第9 次主循環(huán)第一次拉回，即1/30 轉(zhuǎn)角時(shí)，出現(xiàn)自攻螺釘釘頭內(nèi)側(cè)嵌入鋼板斜孔中，導(dǎo)致拉向最大荷載的降低；在第10 次主循環(huán)第一次進(jìn)入壓向最大轉(zhuǎn)角時(shí)，由于膠合梁固定端右側(cè)木材撕裂，導(dǎo)致壓向最大荷載降低；試件SP2 在最后一次主循環(huán)拉回，至1/15 轉(zhuǎn)角時(shí)，膠合梁左側(cè)鋼板最上側(cè)的2 顆自攻螺釘釘帽被拉斷，導(dǎo)致1/15 轉(zhuǎn)角下拉向最大荷載低于前一次主循環(huán)，但是SP2 在最后拉向破壞階段，最終的破壞荷載仍超出了最后一次循環(huán)的拉向最大荷載，表明盡管斜螺釘連接膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)損失了2 顆自攻螺釘，但仍具有較高的承載力，也證明了這種新型連接方式優(yōu)越的承載性能和結(jié)構(gòu)安全性能。SP3 滯回曲線較為飽滿，表現(xiàn)較好的承載和抗震性能，循環(huán)過(guò)程中未出現(xiàn)明顯破壞，最終是由膠合梁拉向轉(zhuǎn)動(dòng)使膠合柱左側(cè)中部順紋開(kāi)裂而導(dǎo)致荷載降低。

圖7 為3 組膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)的骨架曲線，表現(xiàn)出明顯的彈性、屈服和極限破壞三階段的特征，整體看來(lái)，3 組試件的骨架曲線特征一致，吻合度較好，除SP1 因右側(cè)自攻螺釘連接存在一定的間隙導(dǎo)致曲線出現(xiàn)初始低剛度段，節(jié)點(diǎn)發(fā)生了剛體位移。

2.4 剛度退化

由圖8 可知，隨著轉(zhuǎn)角增大，循環(huán)次數(shù)增多，骨架曲線的斜率越來(lái)越小，表明斜螺釘連接膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了明顯的剛度退化現(xiàn)象。采用滯回曲線中各級(jí)主循環(huán)的峰值點(diǎn)形成的割線剛度，表征斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)的剛度退化特征和損傷累積情況。雖然試件加工存在一定的誤差，但節(jié)點(diǎn)的剛度整體表現(xiàn)為轉(zhuǎn)角較小時(shí)退化明顯，1/100 循環(huán)后退化速率較慢且局部略上升的特征，3 組節(jié)點(diǎn)吻合度較好。表明斜螺釘連接的膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)具有較好的損傷累計(jì)效能。

圖8 膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度退化曲線Fig.8 Rigidity degeneration of glulam beam-column joint

2.5 耗能分析

圖9 膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)的M-θ 骨架曲線Fig.9 Rigidity degeneration of glulam beam-column joint

節(jié)點(diǎn)的承載強(qiáng)度和剛度不能充分體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)耗能抗震的能力。膠合木節(jié)點(diǎn)的耗能能力采用節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線所圍成的面積Ep與理想狀態(tài)下彈性體的滯回曲線所形成的面積 Ed計(jì)算得到的等效黏滯阻尼系數(shù)εeq來(lái)衡量。圖9 所示為斜螺釘連接膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)試驗(yàn)的等效黏滯阻尼系數(shù)隨轉(zhuǎn)角的變化。在1/100 循環(huán)前，耗能能力處于較低水平，表明節(jié)點(diǎn)在克服自攻螺釘?shù)倪B接間隙到充分受力，仍處于彈性階段，主要靠連接構(gòu)件之間相互摩擦實(shí)現(xiàn)耗能，但是隨著轉(zhuǎn)角的增大，耗能能力明顯增強(qiáng)，自攻螺釘連接膠合木孔位開(kāi)始出現(xiàn)不可恢復(fù)的壓潰變形，直至最后循環(huán)，節(jié)點(diǎn)仍保持較強(qiáng)的耗能能力，除SP1 在1/20 循環(huán)，因膠合梁固定端右側(cè)木材撕裂，使節(jié)點(diǎn)耗能能力突降，且3 組試件最終破壞都未發(fā)生在膠合梁柱連接的節(jié)點(diǎn)上，表明斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)未完全發(fā)揮其耗能能力，本文設(shè)計(jì)的膠合木梁柱連接節(jié)點(diǎn)是一種安全可靠、抗震性能優(yōu)越的節(jié)點(diǎn)連接形式。

3 結(jié)論

節(jié)點(diǎn)連接是裝配式膠合木結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文設(shè)計(jì)了一種斜螺釘連接裝配式膠合梁柱連接節(jié)點(diǎn)，并對(duì)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，從破壞模式、彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系、節(jié)點(diǎn)剛度和剛度退化以及耗能能力等方面測(cè)試了新型節(jié)點(diǎn)的性能，得出以下結(jié)論：

1）3 組斜螺釘連接膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)試驗(yàn)得到的彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線，在拉向和壓向加載循環(huán)中基本對(duì)稱，呈“反S形”，轉(zhuǎn)角較大時(shí)，表現(xiàn)出一定的“捏縮”現(xiàn)象。

2）全螺紋自攻螺釘可以有效地將膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)處的荷載傳遞到膠合柱的內(nèi)部。即使在局部少數(shù)自攻螺釘失效情況下，節(jié)點(diǎn)仍具有較高的承載性能。整個(gè)節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的抗側(cè)承載性能。

3）斜螺釘節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)試驗(yàn)中剛度整體表現(xiàn)為轉(zhuǎn)角較小時(shí)退化明顯，1/100 循環(huán)后退化速率較慢且局部略上升。節(jié)點(diǎn)具有較好的損傷累計(jì)效能。

4）低周反復(fù)加載初期，斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)處于彈性階段，耗能水平較低，轉(zhuǎn)角越大，耗能作用增加顯著，直至最大轉(zhuǎn)角循環(huán)，節(jié)點(diǎn)仍保持較強(qiáng)的耗能水平，斜螺釘連接膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)有良好的耗能減震作用。