自攻螺釘增強膠合木橫紋承壓性能試驗

唐立秋,徐 偉,2,楊會峰,譚桂花,陳 洋

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211800; 2.南京長江都市建筑設(shè)計股份有限公司,江蘇 南京 210005; 3.煙臺昆侖能源有限公司,山東 煙臺 265200)

在裝配式建筑和建筑工業(yè)化背景下,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在我國得到日益廣泛的重視并取得一定的工程應(yīng)用[1]。眾所周知,木材在順紋方向具有較高的承載力,常見的木柱受壓及木梁受彎情形均利用了木材的順紋受力性能。然而在某些情況下,木結(jié)構(gòu)或構(gòu)件往往由于橫紋方向承載力的不足而導(dǎo)致失效或出現(xiàn)過大變形,如木結(jié)構(gòu)節(jié)點部位、木梁或桁架等的支座部位、應(yīng)力層積木材承受預(yù)應(yīng)力作用的墊板部位、預(yù)應(yīng)力筋在木柱等的錨固部位均存在較大的橫紋承壓問題;在傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的榫卯與斗拱部位,也存在此現(xiàn)象,有時甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)的不均勻沉降或變形,甚至傾斜。基于此,針對如何增強橫紋承壓木材的力學(xué)性能,目前已開展很多相關(guān)研究,自攻螺釘增強是近年來發(fā)展起來的一種增強方式。

在木結(jié)構(gòu)節(jié)點部位,由于存在由螺栓等緊固件受力而引起的木材橫紋受拉劈裂破壞,一些研究者對此開展了大量研究工作,主要集中于自攻螺釘對節(jié)點承載力、延性以及耗能性能等的增強效果,取得了較大進展[2-8]。在自攻螺釘增強方面,另一個研究領(lǐng)域是對木梁支座等部位的增強,Lathuilliere等[9]、Maderebner等[10]以及Daniel等[11]關(guān)于木梁支座部位增強的研究表明,螺釘?shù)囊肟梢蕴岣吣玖褐ё鶛M紋承載力和剛度。在理論分析方面,Blass等[12]針對不同規(guī)范中局部受壓設(shè)計標準不一致的現(xiàn)象,提出了一個改進的橫紋局部受壓公式。Tomasi等[13]提出了自攻螺釘在構(gòu)件多向受力時提高其承載力和剛度的計算方法。Marchi等[14]提出了一種用于計算以自攻螺釘為剪力連接件的木-混凝土組合節(jié)點的抗剪強度和剛度的簡化理論方法,且該方法與試驗結(jié)果吻合較好。

綜上所述,自攻螺釘增強可以提升木構(gòu)件及節(jié)點區(qū)域的承載力和延性,但在其材料層面的受力機制的相關(guān)研究不多。鑒于此,筆者通過試驗研究,以承壓部位、螺釘長度及數(shù)量等為變化參數(shù),研究這些參數(shù)對橫紋承壓木材增強效果的影響,并分析破壞模式、極限承載力、等效彈性模量以及位移延性等性能。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本次試驗所采用的膠合木試件由北美花旗松板材制成,試件尺寸分別為120 mm × 200 mm × 360 mm和120 mm × 190 mm × 360 mm，自攻螺釘布置如圖1所示。自攻螺釘?shù)膹姸鹊燃墳?.8級，共有4種型號(長度×直徑)：40 mm×4.5 mm、90 mm×6.5 mm、130 mm×6.5 mm和190 mm×6.5 mm。增強試件加工時,膠合木試件在打入自攻螺釘前需預(yù)鉆孔,預(yù)鉆孔鉆頭直徑應(yīng)小于自攻螺釘直徑,自攻螺釘打入時應(yīng)保證釘頭與試件表面齊平。

圖1 自攻螺釘布置示意圖Fig.1 Layout diagrams of self-tapping screws

試件根據(jù)自攻螺釘?shù)奈恢梅譃橹虚g局部表面橫紋承壓(PERPC)和盡端局部表面橫紋承壓(PERPS)兩組情形,其中PERP表示橫紋承壓,C表示中部,S表示盡端。本文中根據(jù)自攻螺釘?shù)臄?shù)量和長度分為22組,每組5個共計110個試件,試件分組見表1,對每組試件進行編號，試件編號規(guī)則為“PERPC螺釘長度-螺釘數(shù)量”和“PERPS螺釘長度-螺釘數(shù)量”。

經(jīng)材料性能試驗,足尺膠合木試件的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。8.8級自攻螺釘?shù)那姸葹?67 MPa,抗拉強度為706 MPa。

表1 試件主要參數(shù)

表2 膠合木物理力學(xué)性能參數(shù)

1.2 試驗裝置與加載制度

參考《木結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(GB/T 50329—2012)[15]采用600 kN電液伺服萬能試驗機加載。試驗采用位移控制模式,單調(diào)均勻加載的加載速率設(shè)定為2.0 mm/min。本試驗主要測量試件的荷載(P)-位移(Δ)關(guān)系,采用荷載傳感器使荷載和位移同步采集數(shù)據(jù),使用靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)DH3816N采集試驗的荷載與位移數(shù)據(jù)。

2 破壞模式

破壞模式如圖2所示。由圖2可知:所有試件均出現(xiàn)了明顯的木材壓屈現(xiàn)象,而到了試驗后期隨著壓屈變形的增大,中間局部表面橫紋承壓試件的兩端還出現(xiàn)了橫紋劈裂破壞。對于沿試件高度通長設(shè)置自攻螺釘?shù)腜ERPC190-5組試件,自攻螺釘與橫紋試件共同受壓,最終破壞時自攻螺釘也發(fā)生了受壓屈曲;而對于其他短螺釘增強試件,自攻螺釘并未明顯的彎曲。綜上,破壞模式主要分為如下兩種:破壞模式(a),膠合木橫紋承壓破壞而自攻螺釘無明顯破壞現(xiàn)象,此種破壞模式出現(xiàn)于自攻螺釘較短增強試件的情形;破壞模式(b),膠合木橫紋承壓破壞且自攻螺釘受壓屈曲,此種破壞模式出現(xiàn)于通長布置的自攻螺釘增強試件情形。

圖2 試件的典型破壞模式Fig.2 Typical failure modes of specimens

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 荷載-位移曲線

試件荷載-位移曲線如圖3和4所示。由圖3與4可知:對于中間局部表面橫紋承壓和盡端局部表面橫紋承壓兩種情形,其荷載-位移曲線總體上分為彈性變形和塑性變形兩個階段。自攻螺釘越短,其增強效果就越差;當(dāng)螺釘長度相同時,螺釘數(shù)量的增加將使得試件承載力顯著提高。此外,中間局部表面橫紋承壓(圖3)相對于盡端局部表面橫紋承壓(圖4)情形,前者由于受到兩側(cè)木材纖維更大的約束而具有更高的承載力。

圖3 PERPC組試件荷載-位移曲線Fig.3 Load-displacement curves of PERPC group specimens

圖4 PERPS組試件荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of PERPS group specimens

3.2 極限承載力

根據(jù)歐洲規(guī)范EN 408:2012[16]可以確定各組試件的橫紋承壓極限承載力及強度。橫紋極限承壓強度(fc)定義如式(1)所示。

(1)

式中:Fc為極限承載力,b為受壓面寬度,l為受壓面長度。

各組試件的極限承載力平均值以及極限承壓強度如表3所示,試件極限承載力對比如圖5所示。

表3 試驗結(jié)果

圖5 極限承載力對比曲線Fig.5 Comparison curves of ultimate load-carrying capacity

對于中間局部表面橫紋承壓試件,PERPC40-0和PERPC90-0為未增強試件,在承載力對比中取其平均值為參考值。由表3可知:在PERPC40組試件中,隨自攻螺釘數(shù)量的增加,承載力變化不明顯,采用16支自攻螺釘增強的試件的極限承載力提高11.6%;對于PERPC90組試件,自攻螺釘數(shù)量為5、9、16時的極限承載力分別提高23.3%、40.7%和47.1%;而PERPC130組試件中,自攻螺釘數(shù)量為5、9、16時的極限承載力分別提高32.0%、40.0%和62.5%。

對于盡端局部表面橫紋承壓試件,PERPS40-0為未增強試件,作為對比試件。由表3可知:在PERPS40組試件中,當(dāng)自攻螺釘數(shù)量為5和16時,極限承載力分別提高5.6%和7.2%;在PERPS90組試件中,當(dāng)自攻螺釘數(shù)量為5、9、16時,極限承載力分別提高11.3%、4.0%和26.1%;而PERPS130組試件中,自攻螺釘數(shù)量為5、9、16時，極限承載力分別提高19.5%、22.2%和33.9%。

由圖5可得:總的來說,與PERPS組試件相比,PERPC組試件的極限承載力更大。

針對中間局部表面橫紋承壓試件,圖6給出了相同螺釘數(shù)量(5支)、不同螺釘長度試件的荷載-位移對比曲線。由圖6并結(jié)合表3可知:相同螺釘數(shù)量情況下,隨著自攻螺釘長度的增加,試件極限承載力的提高幅度更加明顯;而當(dāng)自攻螺釘長度不變而數(shù)量增多時,螺釘對于極限承載力的貢獻增大(圖5)。此外,由于中間局部表面橫紋承壓試件中,螺釘?shù)脑鰪娮饔每梢韵騼蓚€方向輻射,其承壓面也會相應(yīng)增大,因此在同等條件下此類試件的極限承載力的提高幅度可達盡端局部表面橫紋承壓試件的2倍左右。

圖6 不同自攻螺釘增強試件的荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of specimens with different self-tapping screw numbers

對于中間局部表面橫紋承壓試件PERPC190-5,其采用的自攻螺釘與膠合木試件高度等大,在承壓過程中自攻螺釘將直接受力,因此其承載力增強幅度顯著提高。

3.3 等效彈性模量

為反映自攻螺釘增強對膠合木橫紋承壓彈性模量的影響,依據(jù)歐洲規(guī)范EN 408:2012[16]采用割線彈性模量來表示構(gòu)件的等效彈性模量(Ec),其定義見式(2)。

(2)

式中:F40=0.4Fc,F10=0.1Fc,W40為F40對應(yīng)的變形量,W10為F10對應(yīng)的變形量,h為試件高度。

等效彈性模量的試驗結(jié)果平均值列于表3。由表3可知:隨著自攻螺釘數(shù)量的增多以及長度的增大,膠合木試件的等效彈性模量有較大的提升,且中間局部表面橫紋承壓試件等效彈性模量的提升要遠大于盡端局部表面橫紋承壓試件,前者提升達46.8%,而后者為34.7%。

3.4 延性

根據(jù)歐洲規(guī)范EN 12512:2005[17],位移延性系數(shù)(μ)的定義如式(3)所示。

(3)

式中:Δu為試件的極限荷載(Pu)所對應(yīng)的位移,Δy為屈服荷載(Py)所對應(yīng)的位移。

各試件的位移延性系數(shù)列于表3。由表3可知:兩類試件的延性均較好,位移延性系數(shù)最小為1.66,最大可達2.95。但隨著螺釘數(shù)量的增多,試件的變形減小、延性會略有下降。

4 結(jié)論

通過對自攻螺釘增強膠合木局部受壓承載力試驗,分析了自攻螺釘數(shù)量、長度和布置等參數(shù)對膠合木局部表面橫紋承壓承載力的影響,主要得到兩方面結(jié)論。

1)膠合木表面橫紋承壓主要有兩種破壞模式:破壞模式(a),當(dāng)自攻螺釘較短時,膠合木橫紋承壓破壞而自攻螺釘無明顯變化。破壞模式(b),自攻螺釘通長設(shè)置且具有較大的長細比時,在自攻螺釘發(fā)生屈曲破壞的同時,膠合木發(fā)生橫紋承壓破壞。此外,由于膠合木試件在順紋方向的長度較短,因此,當(dāng)橫紋承壓變形較大時,膠合木端部也會出現(xiàn)橫紋劈裂破壞形式。

2)膠合木局部表面橫紋承壓承載力隨著自攻螺釘數(shù)量及長度的增加而提高,對于中間和盡端局部表面橫紋承壓兩種情形,極限承載力最大分別可提高62.5%和33.9%,試件的等效彈性模量最大可分別提高46.8%和34.7%;試件的位移延性系數(shù)可達1.66～2.95。