正交膠合木墻與樓面鋼梁預(yù)應(yīng)力螺栓連接的抗滑移性能*

何敏娟 張棋飛

同濟大學(xué)建筑工程系 上海 200092

引言

正交膠合木（cross-laminated timber，CLT）是一種至少由三層層板按正交方向膠合組坯而成的工程木，具有剛度大、強度高以及平面正交方向力學(xué)性能相近等優(yōu)點，適用于樓板、剪力墻等構(gòu)件。CLT這種高性能工程木的發(fā)展，改變了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)只適用于低層住宅的狀況，使建設(shè)多高層木結(jié)構(gòu)成為可能［1］。

CLT問世以來，國內(nèi)外學(xué)者對CLT剪力墻進行了系列研究。在意大利國家研究委員會林木研究所（CNR-IVALSA）和日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所（NIED）合作主持的SOFIE項目中，系統(tǒng)地研究了CLT剪力墻［2］及其結(jié)構(gòu)體系［3］的抗側(cè)性能。結(jié)果表明：CLT結(jié)構(gòu)的破壞多集中于墻板與墻板、墻板與樓板或基礎(chǔ)間的連接區(qū)域；抗剪件的布置及力學(xué)性能直接影響CLT剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力。為進一步推動木結(jié)構(gòu)在多高層建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，業(yè)內(nèi)還開始探索了高性能、高效率的木混合結(jié)構(gòu)的性能，如CLT-鋼或混凝土混合結(jié)構(gòu)充分利用了CLT輕質(zhì)高強、裝配化程度高等優(yōu)點而使混合結(jié)構(gòu)的承載能力更高。但是，木混合結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力同樣十分依賴于木與鋼或混凝土連接節(jié)點的力學(xué)性能，因此連接件的力學(xué)性能受到了很多研究人員的重視。Hassanieh等［4］對CLT樓板-鋼梁連接節(jié)點開展了研究，對兩者間采用不同緊固件下的抗剪性能進行了試驗，提出了CLT樓板-鋼梁連接節(jié)點的抗剪承載力簡化公式。Ataei等［5］對CLT-鋼組合梁層間連接的剪切滯回性能進行了試驗研究，對比了自攻螺釘和螺栓連接對節(jié)點抗剪承載力的影響，并建立了該類節(jié)點的抗剪計算的數(shù)值模型。Yang等［6］基于單向推出試驗分析了栓桿直徑、螺栓間距及木材厚度對中國國產(chǎn)落葉松-鋼連接節(jié)點力學(xué)性能的影響規(guī)律，并采用指數(shù)模型對該類節(jié)點的荷載位移曲線進行了擬合。

為進一步提高CLT-鋼混合結(jié)構(gòu)中CLT墻與樓面鋼梁的連接性能，充分發(fā)揮CLT強度高的優(yōu)勢，本文采用螺栓連接CLT剪力墻與其下鋼梁，在螺栓桿中施加預(yù)應(yīng)力來壓緊剪力墻端部與鋼梁頂部的接觸面，從而依靠摩擦來傳遞剪力，并通過試驗來確定該連接節(jié)點的抗滑移性能。

1 CLT墻與下部鋼梁的抗剪連接方法

1.1 CLT墻與鋼梁的螺栓連接方法

CLT剪力墻與下部鋼梁傳統(tǒng)連接方式如圖1所示。剪力墻受側(cè)向力作用，墻底兩側(cè)用抗拔連接件與下部鋼梁連接，傳遞拉力；墻體中間用鋼抗剪件與下部鋼梁連接，傳遞剪力，因連接方式簡單，得到較多應(yīng)用。但該類連接的承載力相對較低，往往成為墻體承載力的控制因素。為提高節(jié)點抗剪承載力，往往會安裝很多個抗剪件，有時將整個板都布滿。為提高CLT墻與底部鋼梁連接的承載能力，本文提出了用預(yù)應(yīng)力螺栓的連接方式，如圖2所示。CLT墻與底部鋼梁在兩側(cè)采用長預(yù)應(yīng)力筋連接，傳遞拉力；在中間采用預(yù)應(yīng)力螺栓連接，傳遞剪力。

圖1 傳統(tǒng)CLT墻與鋼梁連接Fig.1 Traditional connections between CLT wall and steel beam

圖2 CLT墻與鋼梁預(yù)應(yīng)力螺栓連接Fig.2 Pretensioned bolt connections between CLT wall and steel beam

1.2 預(yù)應(yīng)力螺栓抗剪連接細部

本文主要研究CLT墻與樓面鋼梁采用預(yù)應(yīng)力螺栓連接的具體構(gòu)造。如圖3所示，在CLT墻板底部開螺栓孔，螺栓從中穿過與下部鋼梁翼緣連接，在鋼梁翼緣下方和CLT墻上的操作孔操作，對螺栓施加預(yù)應(yīng)力。CLT墻體承受側(cè)向力時，通過CLT墻底與鋼梁翼緣表面摩擦抵抗剪力。

圖3 預(yù)應(yīng)力螺栓連接Fig.3 Pretensioned bolt connections

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗簡介

本文試驗?zāi)康木褪峭ㄟ^加載，了解預(yù)應(yīng)力螺栓連接下CLT剪力墻與鋼板間的抗摩擦性能。為便于加載，試件設(shè)計成鋼板與兩側(cè)CLT墻板用預(yù)應(yīng)力螺栓連成一體，如圖4所示，這樣對稱加載與變形，不會引起試件側(cè)傾。加載時，固定CLT板，對鋼板施力，通過測量預(yù)應(yīng)力值、接觸面上最大抗滑移承載力，來確定CLT與鋼板間的抗滑移能力。

圖4 試件設(shè)計Fig.4 Specimen design

2.2 試驗材料

試驗中選取的CLT材料為云杉-松-冷杉（SPF），層板所用材料為IIIc等級規(guī)格材，單層層板厚度35mm，密度為457kg／mm3。試驗在萬能試驗機上進行，鋼板在豎向進行加載，故試驗如圖5所示，與圖4相比轉(zhuǎn)了90°。CLT和鋼墊板尺寸分別根據(jù)端面承壓及螺栓孔壁承壓能力確定，鋼墊板尺寸為h×b×t=90mm×70mm×20mm（厚度），保證試件達最大滑移承載力時CLT端面不壓壞、螺栓孔壁不發(fā)生承壓破壞。鋼板材質(zhì)為Q235B鋼，表面未經(jīng)特殊處理，CLT、鋼板采用兩根8.8級M16螺栓連接，栓桿上串聯(lián)力傳感器，以測定螺栓桿內(nèi)預(yù)應(yīng)力值。

圖5 試件尺寸（單位：mm）Fig.5 Specimen size（unit：mm）

2.3 試驗布置

試件采用電液伺服加載系統(tǒng)，豎向作動器最大行程為250mm，能提供的最大壓力為500kN。液壓千斤頂加載端剛性無轉(zhuǎn)動，荷載由加載頭直接傳遞至鋼板，力傳感器實時監(jiān)測螺栓桿內(nèi)預(yù)應(yīng)力值，加載如圖6所示。

圖6 試驗加載示意Fig.6 Test configuration

試件預(yù)應(yīng)力分為10kN、20kN、40kN、60kN、80kN及120kN六種狀況，每種預(yù)應(yīng)力狀況包含三個試件。試件命名規(guī)則為：PB xx-n，其中xx為兩根螺栓桿中總的預(yù)應(yīng)力值（單位kN），n為相同預(yù)應(yīng)力下的試件編號，n=1、2、3。

2.4 加載制度

試驗加載制度采用歐洲規(guī)范（BSEN 26891—1991）［7］所推薦的適用于確定木結(jié)構(gòu)連接件強度及變形的方法，如圖7所示。試件加載分兩階段。第一階段為力Fu控制，加載段與卸載段速率均為0.2Fu／min，首先從0加載至0.4Fu，保持30s，再下降至0.1Fu，維持30s，接著荷載線性增加至0.7Fu。第二階段的力從0.7Fu開始，采用位移du控制，加載速率vd為2mm／min，直至試件發(fā)生滑移破壞。

圖7 加載制度Fig.7 Load protocol

Fu為試件預(yù)估極限承載力，按式（1）估計：

式中：μ為CLT墻-鋼板接觸面靜摩擦系數(shù)；P為所施加的總預(yù)應(yīng)力值。

孫曉峰等［8］給出了兩層預(yù)應(yīng)力剪力墻在往復(fù)加載下的靜摩擦系數(shù)0.43，考慮到剪力墻處于搖擺狀態(tài)，峰值摩擦力被低估，故本試驗采取的靜摩擦系數(shù)預(yù)估值為0.5。

3 試驗現(xiàn)象

3.1 失效模式

試件可能破壞模式有CLT端面的承壓破壞、CLT螺栓孔壁的承壓破壞以及鋼板相對于CLT的滑移，試件尺寸設(shè)計時避免了前兩種破壞模式，因此試驗中僅觀察到CLT與鋼板間滑移的失效模式，如圖8所示。

圖8 鋼板滑移Fig.8 Slip of steel plate

加載完成后，卸去預(yù)應(yīng)力螺栓，CLT與鋼板的滑移面如圖9所示。CLT端部螺栓孔壁未發(fā)現(xiàn)木材壓潰，鋼板長圓孔邊緣無擠壓變形，接觸面上除斜向的擦痕外，未觀測到木材壓潰或裂縫。結(jié)果表明，螺栓桿在加載過程中僅起提供預(yù)應(yīng)力的作用，不參與抗剪。

圖9 CLT與鋼板滑移面Fig.9 Slip surface between CLT and steel plate

3.2 預(yù)應(yīng)力損失

試驗時栓桿中預(yù)應(yīng)力會發(fā)生損失，預(yù)應(yīng)力損失可以分為兩個階段。第一階段為預(yù)應(yīng)力施加后至加載開始前，該階段的預(yù)應(yīng)力損失主要是由于螺母的松動。為避免第一階段預(yù)應(yīng)力損失過多，將螺栓桿超張拉至目標值的1.05倍，栓桿預(yù)應(yīng)力數(shù)值穩(wěn)定之后再開始進行加載。第二階段為加載開始之后，以試件PB60-1為例進行分析。PB60-1試驗加載時的力-滑移相關(guān)曲線如圖10所示，螺栓中預(yù)應(yīng)力實測值用虛線示于圖中。

從圖10可以看出，加載后預(yù)應(yīng)力損失主要集中在兩處，第一處為卸載段，荷載重加載至0.4Fu后，栓桿張拉力出現(xiàn)了下滑。第二處為滑移點，螺栓桿預(yù)應(yīng)力跳躍式下降，預(yù)應(yīng)力損失值約占總預(yù)應(yīng)力值的5%。

圖10 PB60-1力-滑移曲線Fig.10 PB60-1 force-slip curve

4 承載力

4.1 最大靜摩擦力

各組試件在不同預(yù)應(yīng)力狀況下的力-滑移曲線如圖11所示。曲線上滑移增加而力變小的那個點定義為摩擦面開始滑移，稱為“滑移點”。

圖11中PB10組無明顯滑移點，該組的滑移點采用歐洲規(guī)范（BS EN 12512：2001）［9］中確定屈服荷載的方法定義，通過0.1Fu至0.4Fu兩點連線，定義傾角為α，以斜率為1／6tanα作與單調(diào)加載曲線相切的直線，兩條線的交點定義為滑移點。除PB10組以外，其余各試件測得的靜摩擦力達到最大值之后均下降，因此選取力-滑移曲線第一個力極值點作為試件滑移點，對應(yīng)的荷載為最大靜摩擦力。

圖11 力-滑移曲線Fig.11 Force-slip curve

同一預(yù)應(yīng)力水平下的力-滑移曲線離散程度較小。荷載低于0.7Fu時，各試件的力-滑移曲線基本重合，高于0.7Fu時，同組試件的力-滑移曲線出現(xiàn)不同程度的波動。0.1Fu至0.4Fu之間存在初次加載、卸載、重加載三段曲線，三段曲線基本重合，結(jié)果表明，在0.1Fu～0.4Fu作用下該連接節(jié)點可以視為低損傷甚至無損。

4.2 靜摩擦系數(shù)

不同預(yù)應(yīng)力狀況下，靜摩擦系數(shù)均值見表2。

表2 靜摩擦系數(shù)均值Tab.2 Mean value of static friction coefficient

各試件栓桿張拉力實測值與最大靜摩擦力見表1。表中栓桿張拉力實測值為加載開始前30s力傳感器測得數(shù)據(jù)的平均值。

表1 各試件預(yù)應(yīng)力實測值和最大靜摩擦力Tab.1 Pretension force measured values and maximum static friction force

從表1可見，最大靜摩擦力與預(yù)應(yīng)力呈正相關(guān)。同一預(yù)應(yīng)力水平下，靜摩擦力數(shù)值接近。

靜摩擦系數(shù)均值均高于0.5，波動范圍在0.51與0.58之間。在預(yù)應(yīng)力低于40kN的情況下，靜摩擦系數(shù)隨著預(yù)應(yīng)力值的增加而變大，在預(yù)應(yīng)力為40kN時得到峰值0.58，之后隨預(yù)應(yīng)力的增加而減小，最終趨于穩(wěn)定。試驗可見，CLT與鋼梁預(yù)應(yīng)力螺栓連接下的靜摩擦系數(shù)不小于0.5。

5 結(jié)論

本文對CLT墻-樓面鋼梁在預(yù)應(yīng)力螺栓連接下進行了不同預(yù)應(yīng)力時的抗滑移性能試驗，通過試驗可得到如下結(jié)論：

1.依靠合理的試件設(shè)計，可以避免木材的局部壓潰及銷槽承壓破壞。

2.螺栓桿僅承擔(dān)張拉力，剪力由CLT-鋼接觸面摩擦力抵抗，加載完成后，除CLT和鋼板各自接觸面存在擦痕外，其余未觀測到破壞，該種螺栓連接具有明顯低損傷性。

3.預(yù)應(yīng)力螺栓會發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失。加載前，可通過超張拉來避免栓桿預(yù)應(yīng)力損失；加載開始之后，滑移點附近存在預(yù)應(yīng)力損失，損失值約占總預(yù)應(yīng)力值的5%。

4.隨著預(yù)應(yīng)力的增大，最大靜摩擦系數(shù)先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定；CLT-鋼預(yù)應(yīng)力螺栓連接件下的最大靜摩擦系數(shù)不小于0.5。