高濕環(huán)境下楊木單板層積材銷槽的承壓性能

郝 丹，王佳陽(yáng)，付 帥，陳澤華，董浩然，楊小軍

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037)

單板層積材作為一種新型木建筑結(jié)構(gòu)用材，具有良好的釘接、抗彎等性能，被廣泛用做木結(jié)構(gòu)托梁、桁架、梁柱等。我國(guó)將單板層積材用作建筑結(jié)構(gòu)材料多數(shù)依賴于國(guó)外進(jìn)口，材料成本較大，不利于木結(jié)構(gòu)建筑的推廣和發(fā)展[1]。速生楊木作為我國(guó)主要人工林用材，分布廣，蓄積量大，但由于速生楊木材質(zhì)松軟、密度低、尺寸穩(wěn)定性能差等缺點(diǎn)，使得其主要應(yīng)用于包裝、建筑裝飾等非結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，楊木的價(jià)值未能得到充分體現(xiàn)[2-3]。為實(shí)現(xiàn)楊木高值化利用，可將速生楊木通過旋切成單板來(lái)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)用及非結(jié)構(gòu)用單板層積材。

節(jié)點(diǎn)連接是木結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)一般采用榫卯連接，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)很少使用，取而代之的是更加標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)格化的金屬連接件[4]。在諸多連接件中，以平滑銷和螺紋銷為代表的銷具有優(yōu)良的軸向承載力和安全可靠性，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件連接。對(duì)連接件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，銷槽承壓性能是評(píng)價(jià)銷連接的技術(shù)指標(biāo)之一[5]。國(guó)外關(guān)于銷槽承壓性能的研究較多[6-7]，JOHANSON[6]提出的銷連接“屈服理論”，被引入美國(guó)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(National Design Specification，NDS)[7]中，用于螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載性能研究，而我國(guó)的《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[8]強(qiáng)調(diào)銷連接強(qiáng)度僅與螺栓直徑和順紋抗壓強(qiáng)度有關(guān)，給節(jié)點(diǎn)的連接設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值[9]。然而，木建筑所處的濕環(huán)境易使構(gòu)件節(jié)點(diǎn)松動(dòng)，連接件銹蝕；同時(shí)，木材本身受濕環(huán)境的影響也會(huì)產(chǎn)生開裂變形，降低節(jié)點(diǎn)連接的強(qiáng)度以及剛度，嚴(yán)重影響了木結(jié)構(gòu)連接承載的安全性。對(duì)于高濕環(huán)境下的承載力研究，尤其是國(guó)產(chǎn)單板層積材，國(guó)內(nèi)尚未見報(bào)道[10]。鑒于此，以楊木單板層積材為對(duì)象，采用不同直徑的平滑銷和螺紋銷，對(duì)楊木單板層積材進(jìn)行單調(diào)加載試驗(yàn)，研究其在高濕環(huán)境下平滑銷及螺紋銷承壓性能，并將試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與國(guó)外規(guī)范理論預(yù)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，以期為楊木單板層積材的結(jié)構(gòu)化利用提供參考依據(jù)，對(duì)拓寬國(guó)產(chǎn)材應(yīng)用領(lǐng)域及促進(jìn)國(guó)產(chǎn)材高值化利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的單板層積材由楊木單板膠合而成，單板厚度為3 mm，使用的膠黏劑為水性異氰酸酯膠黏劑，單板層積材規(guī)格為1 000 mm×100 mm×30 mm，平均密度為0.59 g· cm-3，平均含水率為13%。試驗(yàn)用銷有兩種類型，一種為平滑銷，由Q235鋼制成，規(guī)格分別為直徑6、10和16 mm；另一種為螺紋銷，同美固自攻螺釘釘桿，直徑為6 mm，螺旋狀。

1.2 試件制作

參照ASTMD5674-97a[11]規(guī)范，試件設(shè)計(jì)尺寸為100mm×100mm×30mm，為準(zhǔn)確模擬平滑銷和螺紋銷槽承壓狀態(tài)，制作過程如下：將2塊鋸解后的單板層積材準(zhǔn)備鉆孔的側(cè)面對(duì)齊貼緊，為保證槽孔位于兩試件之間且垂直于試件表面，用U型夾具夾緊后，利用臺(tái)鉆進(jìn)行鉆孔后反向擰出，在兩塊單板層積材試件的兩側(cè)邊形成相同的半圓孔[12-13]，試件結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)共18組，每組試件6個(gè)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

(a)橫紋Perpendicular grain(b)順紋Parallel grain

表1 試件分組及參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

試件高濕處理方法：將加工好的試件分別放入溫度為50 ℃的恒溫恒濕箱中進(jìn)行模擬環(huán)境處理48 h，保持溫度恒定，將濕度分別設(shè)置為65%、80%和95%。

測(cè)試方法：參照ASTMD 5674-97a[11]的半孔法試驗(yàn)法，將高濕處理后的試件，置于島津力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，以3 mm· min-1的速度進(jìn)行單調(diào)加載測(cè)試。當(dāng)試件發(fā)生破壞或銷釘完全嵌入時(shí)，停止試驗(yàn)，觀察并記錄各個(gè)濕度以及不同類型的銷加載下單板層積材的破壞特征。

計(jì)算方法：以5%直徑偏移法確定單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度的屈服荷載，如圖2所示，其中，極限荷載Fu為荷載-位移曲線上的最大值(kN)，F(xiàn)y為屈服荷載(kN)，D為直徑(mm)，初始剛度K1由曲線初始直線斜率求得。

圖2 初始剛度和屈服荷載的取值方法

銷槽承壓強(qiáng)度計(jì)算公式為：

(1)

式中：Fe為單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度(MPa)；D為銷釘直徑(mm)；T為試件厚度(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 銷槽承壓破壞特征

高濕環(huán)境下，單板層積材銷槽承壓破壞特征與銷直徑大小和紋理方向有關(guān)，與濕度和銷類型無(wú)關(guān)，按照紋理方向和銷直徑的不同，出現(xiàn)以下4種破壞特征，如圖3所示。破壞模式Ι為橫紋銷槽承壓時(shí)，使用直徑6 mm的平滑銷或螺紋銷時(shí)，試件半圓孔周圍未見明顯壓潰破壞，而在兩側(cè)處產(chǎn)生齒形裂紋，如圖3(a)；破壞模式Ⅱ?yàn)橹睆?0或16 mm平滑銷時(shí)，試件半圓孔下方應(yīng)力集中，出現(xiàn)擠壓變形，同時(shí)在兩側(cè)產(chǎn)生齒形裂紋，如圖3(b)所示。

順紋銷槽承壓時(shí)，破壞模式Ⅲ表現(xiàn)為試件沿著銷槽承壓方向產(chǎn)生變形，當(dāng)試件直徑為6 mm時(shí)，銷完全嵌入試件中，試件無(wú)明顯破壞，如圖3(c)；當(dāng)試件直徑為10或16 mm平滑銷時(shí)，出現(xiàn)破壞模式Ⅳ，表現(xiàn)為半圓孔下方開裂，裂縫沿縱向撕裂，單板層積材出現(xiàn)劈裂，試件發(fā)生破壞，如圖3(d)所示。

2.2 銷槽承壓荷載-位移曲線

當(dāng)濕度由65%增加到80%和95%時(shí)，單板層積材銷槽承壓荷載-位移曲線如圖4所示。在加載初期，銷與試件之間存在空隙，曲線呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)；隨著荷載的增加，空隙消除，承載力不斷增加，曲線呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，比較圖4(a)和(b)可知，此階段橫紋持續(xù)時(shí)間比順紋較短；荷載增加，試件承壓區(qū)逐漸密實(shí)，試件進(jìn)入屈服階段。橫紋方向試件達(dá)到屈服荷載后，承載力仍不斷增加。順紋試件達(dá)到屈服荷載后，曲線增長(zhǎng)緩慢，隨著荷載增加，裂縫產(chǎn)生，位移迅速增加，而曲線逐漸趨于平緩，隨之試件破壞，承載力下降。

在濕度為95%時(shí)，不同厚度的單板層積材銷槽承壓荷載-位移曲線變化趨勢(shì)如圖5所示，隨直徑的增加，曲線形式基本保持不變，同圖4相似，大致經(jīng)過線性增長(zhǎng)、屈服階段和破壞階段3個(gè)過程。

(a)橫紋 Perpendicular grain (b)順紋Parallel grain

(a)橫紋 Perpendicular grain (b)順紋 Parallel grain

2.3 高濕環(huán)境對(duì)單板層積材銷槽承壓性能的影響

濕度對(duì)單板層積材橫紋與順紋方向銷槽承壓強(qiáng)度和初始剛度的影響如圖6所示。從紋理方向來(lái)看，順紋的銷槽承壓強(qiáng)度均高于橫紋的承壓強(qiáng)度[圖6(a)]，是由于順紋的抗壓強(qiáng)度高于橫紋的抗壓強(qiáng)度。濕度對(duì)順紋方向影響較大，橫紋方向影響較小。濕度越高，順紋方向承壓強(qiáng)度下降更為顯著，當(dāng)濕度由65%升高到80%時(shí)，承壓強(qiáng)度下降了16%，濕度從80%升高到95%時(shí)，承壓強(qiáng)度下降了25%。從圖6(b)可以看出，順紋方向初始剛度在濕度為95%時(shí)下降幅度較大，為30%。通過研究濕度對(duì)單板層積材銷槽承壓性能的影響發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)材料具有干縮濕脹性，在高濕環(huán)境下，單板層積材吸濕膨脹，受潮后材質(zhì)松軟，導(dǎo)致其銷槽承壓強(qiáng)度和初始剛度均發(fā)生不同程度的下降。

2.4 銷類型對(duì)單板層積材銷槽承壓性能的影響

順紋方向下，銷類型與單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度和初始剛度的關(guān)系如圖7所示。圖7(a)可以看出，銷槽承壓強(qiáng)度隨濕度增大而減小，且下降幅度相近。同一高濕環(huán)境下，螺紋銷的承壓強(qiáng)度小于平滑銷。初始剛度隨濕度的變化[圖7(b)]也呈現(xiàn)此趨勢(shì)，濕度越大，螺紋銷與平滑銷初始剛度差異增大。平滑銷表面光滑，接觸面為平滑銷桿，應(yīng)力分布較為均勻。螺紋銷呈螺旋狀，銷與試件間的接觸以凹凸的螺旋面為主，應(yīng)力集中分布于斜螺紋處，同時(shí)，斜螺紋對(duì)單板層積材層板有破壞，同等荷載作用下，螺紋銷破壞更明顯，導(dǎo)致銷槽承壓強(qiáng)度小于平滑銷。可見，銷表面與單板層積材接觸情況直接決定其銷槽承壓性能，平滑銷明顯優(yōu)于螺紋銷。

2.5 銷直徑對(duì)單板層積材銷槽承壓性能的影響

銷直徑與單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度和初始剛度的關(guān)系如圖8所示。從圖8(a)可以看出，無(wú)論直徑多大，順紋銷槽承壓強(qiáng)度均高于橫紋銷槽。橫紋方向，銷槽承壓強(qiáng)度隨著直徑的增大而減小，尤其當(dāng)直徑從10 mm增大至16 mm時(shí)，銷槽承壓強(qiáng)度下降更為明顯，下降幅度為24%；順紋方向，銷槽承壓強(qiáng)度隨直徑的增大，整體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。從圖8(b)可以看出，順紋方向，初始剛度隨直徑的增大，整體呈現(xiàn)先略微下降后上升的趨勢(shì)。橫紋方向，初始剛度隨直徑的增大呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，但總體增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯。

關(guān)于銷直徑對(duì)銷槽承壓性能的影響，目前沒有統(tǒng)一的結(jié)論。HWANGetal[14]認(rèn)為順紋銷槽承壓強(qiáng)度隨直徑的增大而降低，由佳等[15]對(duì)國(guó)產(chǎn)紅松進(jìn)行銷槽承壓試驗(yàn)得出，橫紋方向承壓強(qiáng)度隨直徑的增大而減小，順紋方向則不受直徑影響。通過此次研究發(fā)現(xiàn)，單板層積材橫紋方向隨直徑的增大而減小，觀察整個(gè)試件的破壞特征可知，大直徑的銷剛度較大，應(yīng)力集中在試件整個(gè)受壓區(qū)，變形發(fā)生在試件上，導(dǎo)致單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度減小。順紋方向在直徑為16 mm時(shí)承壓強(qiáng)度增大，推測(cè)原因可能是直徑大的銷剛度較大，向下傳遞的荷載較大，同等變形程度上，承壓強(qiáng)度與初始剛度值增大。

2.6 不同規(guī)范銷槽承壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較

國(guó)際上關(guān)于銷釘類連接計(jì)算方法，主要有歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 5[16]、NDS[7]、加拿大木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范CSA[17]。根據(jù)不同的木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算方法，濕度為95%狀態(tài)下楊木單板層積材強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值如表2所示。

從表2可知，Eurocode 5和NDS對(duì)高濕環(huán)境下單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度有一定的預(yù)測(cè)能力，尤其是Eurocode 5的計(jì)算方法誤差較小，橫紋誤差范圍為-2.42%～-16.23%，順紋誤差范圍為8.54%～16.11%，可能是由于Eurocode 5在橫紋與順紋方向均考慮了全干密度與銷直徑影響因素，能夠較為準(zhǔn)確地反映高濕環(huán)境下單板層積材承壓強(qiáng)度值。然而，無(wú)論哪種計(jì)算方法，均未考慮環(huán)境濕度的影響。因此，若想更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)高濕環(huán)境下的銷槽承壓強(qiáng)度，還需進(jìn)一步試驗(yàn)，同時(shí)考慮環(huán)境濕度、銷直徑和銷類型對(duì)單板層積材的影響，建立相應(yīng)的理論計(jì)算模型。

3 小結(jié)

銷槽承壓性能是評(píng)價(jià)楊木單板層積材結(jié)構(gòu)化利用的技術(shù)指標(biāo)，環(huán)境濕度是影響其承載性能的重要因素。濕度對(duì)楊木單板層積材銷槽承壓順紋方向影響較大，濕度越大，承壓強(qiáng)度和初始剛度均減小，濕度為95%時(shí)，下降幅度最大，分別為25%和30%。銷表面狀態(tài)影響單板層積材承壓性能，平滑銷優(yōu)于螺紋銷，隨著平滑銷直徑增大，橫紋方向承壓強(qiáng)度減小，初始剛度先增大后趨于穩(wěn)定。通過比較不同的木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算方法，高濕環(huán)境下單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值宜采用Eurocode 5[16]進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于高濕環(huán)境下單板層積材銷槽承壓性能的改善以及計(jì)算模型的建立，后續(xù)將進(jìn)行更深入地研究。