重組竹螺栓連接節(jié)點(diǎn)承載能力計(jì)算分析

李霞鎮(zhèn)　任海青　李賢軍　徐康　鐘永　郝曉峰

摘 要：基于重組竹螺栓連接承載性能，分析評(píng)價(jià)了現(xiàn)有木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)重組竹螺栓連接承載能力預(yù)測(cè)的適用性。采用正交設(shè)計(jì)法對(duì)16組48個(gè)重組竹鋼夾板單螺栓連接節(jié)點(diǎn)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了Foshci理論模型對(duì)重組竹鋼夾板單螺栓連接節(jié)點(diǎn)的適用性，揭示了螺栓直徑、端距及主構(gòu)件厚度等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力的影響規(guī)律，分析了GB 50005和European 5規(guī)范對(duì)重組竹鋼夾板螺栓連接承載能力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明：Foschi理論模型能夠反映節(jié)點(diǎn)的線彈性、屈服后階段的變化特征，能夠較全面地反映重組竹鋼夾板螺栓連接節(jié)點(diǎn)的整個(gè)受力過程。螺栓連接承載力受螺栓直徑、主構(gòu)件厚度和端距3個(gè)因素共同影響，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)達(dá)到最小尺寸設(shè)計(jì)要求時(shí)，承載能力受螺栓直徑影響的作用最為明顯。Eurocode 5對(duì)重組竹鋼夾板螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載預(yù)測(cè)能力偏保守，而GB 50005預(yù)測(cè)能力存在安全富余的空間，能較好地預(yù)測(cè)重組竹鋼夾板螺栓連接的承載能力。

關(guān)鍵詞：重組竹鋼夾板;螺栓連接;承載能力;Foshci理論模型;木結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TU366.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2022）04-0078-09

Calculation on bearing capacity of bolted connections for bamboo scrimber

LI Xiazhen1，2， REN Haiqing2， LI Xianjun1， XU Kang1， ZHONG Yong2， HAO Xiaofeng1

（1.School of Material Science and Engineering， Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， P. R. China; 2. Research Institute of Wood Industry， Chinese Academy of Forestry， Beijing 100091， P. R. China）

Abstract： Based on analysis of the bearing capacity of the bolted connections for bamboo scrimber，the applicability of the wood structure design codes in calculating the bearing capacity of the bolted connections for bamboo scrimber was evaluated. A total of 48 specimens in 16 groups designed by orthogonal scheme were tested in this study. Firstly， the applicability of Foshci’s theory model was verified. Then， the effects of bolt diameter， end distance and main component thickness on the bearing properties of bolt connections were analyzed. Finally， the accuracy of design codes GB 50005 and European 5 in calculating the bearing capacity of the bolted steel-BS-steel connections was evaluated. The result showed that Foschi’s theory model could reflects the change characteristics of both the linear elasticity and post-yield phases， which also expressed depicted the whole bearing processes of the connections， comprehensively. The bearing capacity is affected by bolt diameter， main component thickness and end distance， and it is affected by the bolt diameter most obviously when the connection meets the minimum requirements of size design. Besides， Eurocode 5 is so conservative in calculating the bearing capacity of the bolted steel-BS-steel connections. There is a safety reserve in calculating the bearing capacity by GB 50005， which is more suitable for calculating the bearing capacity of the bolted steel-BS-steel connections than Eurocode 5.

Keywords：steel-bamboo scrimber（BS）-steel;bolt connection; bearing capacity; Foshci’s theory model;wood structure

節(jié)點(diǎn)性能是建筑結(jié)構(gòu)載荷傳遞及整體安全性能的關(guān)鍵，更是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心[1-2]。螺栓連接節(jié)點(diǎn)因具有制作簡(jiǎn)單、安全可靠和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域廣為應(yīng)用[3-4]，也是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的首選連接方式。目前，學(xué)者們對(duì)木材螺栓連接的研究已較為廣泛，早在1932年，Trayer[5]就基于軸向壓縮加載試驗(yàn)提出了螺栓連接設(shè)計(jì)公式;1949年，Johanson[6]提出了以預(yù)測(cè)連接強(qiáng)度為基礎(chǔ)的屈服理論模型，用于計(jì)算各種形式排布的螺栓連接節(jié)點(diǎn)承載強(qiáng)度;而后，Doyle等[7]、McLain等[8]及Soltis等[9]諸多學(xué)者均證實(shí)了上述結(jié)論的有效性和適用性，并對(duì)螺栓直徑、主側(cè)構(gòu)件厚度、加載方式、含水率、螺栓排布方式等因素對(duì)螺栓連接承載性能影響進(jìn)行了研究，為后續(xù)木結(jié)構(gòu)螺栓連接奠定了理論基礎(chǔ)。相比而言，中國(guó)在木材螺栓連接領(lǐng)域的研究起步較晚，以哈爾濱工業(yè)大學(xué)[10-11]、南京工業(yè)大學(xué)[12-13]及同濟(jì)大學(xué)[14]等為代表的科研院所在木結(jié)構(gòu)螺栓連接方面開展了系列研究工作，為中國(guó)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的理論指導(dǎo)。

隨著中國(guó)天然林的全面禁伐，大徑級(jí)木材資源日漸緊缺，而以重組竹為典型代表的新型竹質(zhì)工程材日益受到人們青睞，并已成功應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中，成為新型工業(yè)化建筑的重要材料[15-16]。由于現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用時(shí)間較短，其連接設(shè)計(jì)尚未形成統(tǒng)一的理論與技術(shù)體系，研究成果相對(duì)匱乏，現(xiàn)有設(shè)計(jì)均參照木結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，且中國(guó)2003版GB 50005對(duì)重組竹螺栓連接節(jié)點(diǎn)承載性能預(yù)測(cè)的保守性已被多次證實(shí)[17-18]。2017版GB 50005已于2018年8月1日正式發(fā)布實(shí)施，它對(duì)螺栓連接承載能力的計(jì)算方式做了修訂，能夠更準(zhǔn)確地體現(xiàn)木結(jié)構(gòu)螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載能力[11]。為此，以重組竹為研究對(duì)象，在開展重組竹鋼夾板單螺栓連接節(jié)點(diǎn)特性研究的基礎(chǔ)上，分析最新版GB 50005和Eurocode 5規(guī)范用于節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證最新版GB 50005規(guī)范對(duì)重組竹螺栓連接承載能力預(yù)測(cè)的適用性，以期為重組竹結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與性能

研究涉及重組竹、鋼夾板及螺栓3種試驗(yàn)材料。選用以毛竹為原料生產(chǎn)的重組材，購(gòu)于安徽宏宇竹木制品有限公司，產(chǎn)品規(guī)格為2 000 mm（L）×145 mm（W）×145 mm（T）。根據(jù)GB/T 1931—2009、GB/T 1933—2009及GB/T 1935—2009要求，測(cè)得其含水率、密度及順紋抗壓強(qiáng)度分別為6%、1.1 g/cm3和73.5 MPa。螺栓所用材料為Q235級(jí)鋼，強(qiáng)度4.8級(jí)。鋼夾板所用材料為Q420級(jí)鋼，厚度6 mm，鋼夾板端距為2d（d為螺栓直徑），所導(dǎo)孔徑均比相應(yīng)螺栓直徑大1.5 mm。

因重組竹銷槽承壓強(qiáng)度和螺栓抗彎強(qiáng)度均與螺栓直徑有關(guān)[19]，根據(jù)ASTM D5764-97a和ASTM F1575標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，分別對(duì)重組竹半孔銷槽承壓強(qiáng)度和螺栓抗彎強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試（圖1），試驗(yàn)結(jié)果見表1。

1.2 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法

選取螺栓直徑、主構(gòu)件厚度及端距為試驗(yàn)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（表2），共16個(gè)試驗(yàn)組，每組試驗(yàn)重復(fù)數(shù)為3，共計(jì)48個(gè)試樣。試樣加載前，在節(jié)點(diǎn)試樣兩側(cè)分別安裝位移計(jì)（型號(hào)為DDP-20A）后，按ASTM D5652要求進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并將兩側(cè)安裝的位移計(jì)實(shí)測(cè)均值作為各個(gè)螺栓節(jié)點(diǎn)試樣的實(shí)測(cè)位移。試驗(yàn)采用30 T微機(jī)控制萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)為WDW-300E），以1 mm/min的速度實(shí)施單軸勻速加載（圖2），直至節(jié)點(diǎn)試樣破壞或承載力下降至80%的最大載荷，便可停止加載。每個(gè)試樣加載歷程約持續(xù)15 min，加載過程中采用靜態(tài)應(yīng)變采集儀（型號(hào)為TDS-530）實(shí)時(shí)采集載荷和位移數(shù)據(jù)，并采用美國(guó)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范NDS-2005規(guī)定的5%螺栓直徑偏移法獲取節(jié)點(diǎn)的屈服載荷，節(jié)點(diǎn)承載載荷峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的載荷即為極限載荷，具體取值方法詳見圖3。最后，采用Origin軟件，根據(jù)曲線的幾何特征作圖，獲取每一節(jié)點(diǎn)試樣的Foshci理論模型參數(shù)P、Δ、M0、M1及k（圖4）后，再基于Foshci理論模型各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系（式1），利用Origin軟件繪制出每一節(jié)點(diǎn)試樣的Foshci曲線圖。

P=（M+MΔ）（1-e）（1）

式中：P為載荷，kN;Δ為位移，mm;M0為屈服后漸近線在Y軸上的截距，kN;M1為屈服后剛度，kN/m;k為線彈性剛度，kN/m。

2 結(jié)果及分析

2.1 節(jié)點(diǎn)載荷位移曲線

各組節(jié)點(diǎn)試樣的載荷位移曲線均經(jīng)歷了線彈性、彈塑性及破壞3個(gè)階段（見圖5）。由于構(gòu)件與螺栓間存在初始間隙，故載荷位移曲線在加載初期均有一小段非線性階段。當(dāng)載荷增加至一定程度后，初始間隙消失，載荷位移曲線立即進(jìn)入線彈性

階段，此時(shí)節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件均處于彈性變形階段。隨著載荷繼續(xù)增加，位移迅速增加，此時(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入彈塑性階段，曲線處于非線性增長(zhǎng)階段。隨著變形繼續(xù)增加，節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限載荷并發(fā)生破壞，曲線瞬間下降，此時(shí)節(jié)點(diǎn)直接喪失承載能力。

Foschi理論模型基于彈塑性理論而來，它是描述釘、螺栓、齒板等連接載荷位移曲線的經(jīng)典公式（式1），但其參數(shù)均需試驗(yàn)測(cè)定且隨節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置、載荷條件等變化較為敏感，尤其是M0和M1[20]。通過對(duì)16組節(jié)點(diǎn)試樣的載荷位移曲線和Foshci理論曲線比較發(fā)現(xiàn)（圖5），兩者的變化趨勢(shì)基本一致，且在某些部位能夠完全吻合。由于節(jié)點(diǎn)試樣組裝時(shí)主側(cè)兩構(gòu)件之間存在細(xì)微間隙，導(dǎo)致載荷位移曲線在加載初期有一小段呈非線性狀，隨著載荷增加至一定程度后才逐漸進(jìn)入線彈性階段，故曲線初始階段的吻合程度稍有差異。但總體而言，F(xiàn)oschi理論曲線能反映節(jié)點(diǎn)線彈性階段和屈服后階段的變化特征，能較為全面地反映節(jié)點(diǎn)整個(gè)受力過程，這也說明Foschi理論模型的非線性修正指數(shù)函數(shù)用以描述重組竹鋼夾板螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載性能具有適用性。

2.2 節(jié)點(diǎn)承載能力

屈服載荷是節(jié)點(diǎn)處于彈性比例極限時(shí)所對(duì)應(yīng)的載荷，是衡量建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的切入點(diǎn)。而極限載荷是指節(jié)點(diǎn)在外載荷作用下，在整體或某一局部的全厚度上由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的載荷，此時(shí)意味著連接節(jié)點(diǎn)即將進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。表3和圖6給出了節(jié)點(diǎn)屈服載荷和極限載荷受螺栓直徑、主構(gòu)件厚度及端距影響的變化情況。屈服載荷和極限載荷隨螺栓直徑增大呈線性增加趨勢(shì)（圖6（a）），螺栓直徑從10 mm增至16 mm時(shí)，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別增加了50.18、48.59 kN。隨著主構(gòu)件厚度增加，屈服載荷基本保持穩(wěn)定，其值穩(wěn)定在60 kN左右;而極限載荷呈先增加后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，當(dāng)主構(gòu)件厚度從60 mm增至90 mm時(shí)，其增幅為21.7 kN，當(dāng)主構(gòu)件厚度增至90 mm后趨于穩(wěn)定（圖6（b））。隨著端距增大，屈服載荷基本保持穩(wěn)定，其值穩(wěn)定在60 kN左右;而極限載荷略有下降（圖6（c）），推測(cè)是由于本研究所設(shè)置端距為10d的試樣組中，在發(fā)生失效破壞前，Φ16-10d-60試樣組鋼板發(fā)生了彎曲，導(dǎo)致其承載能力尚未充分展現(xiàn)所致。

通過方差分析和多重比較（α=0.05）發(fā)現(xiàn)，螺栓直徑對(duì)屈服載荷和極限載荷影響均顯著（P值均為0.000），且兩兩試樣組間均存在顯著差異（同一圖中的不同字母表示兩者之間存在顯著差異;反之，兩者間無顯著差異）;主構(gòu)件厚度和端距對(duì)屈服載荷影響不顯著（P值分別為0.324、0.811），但對(duì)極限載荷影響均顯著（P值分別為0.006、0.000），說明極限載荷受螺栓直徑、主構(gòu)件厚度及端距三因素共同影響，與前人得到的單螺栓極限載荷受端距和厚徑比影響的結(jié)論一致[21]，同時(shí)也反應(yīng)出當(dāng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)達(dá)到最小尺寸設(shè)計(jì)要求時(shí)，其承載能力受螺栓直徑影響作用最為明顯。

16組節(jié)點(diǎn)試樣均以Ⅲm型和Ⅳ型屈服破壞模式呈現(xiàn)，其中，螺栓直徑為10、12 mm，節(jié)點(diǎn)多為Ⅳ型，而螺栓直徑為14、16 mm的節(jié)點(diǎn)以Ⅲm型呈現(xiàn)（圖7）。由于主要側(cè)重對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的預(yù)測(cè)分析，在此對(duì)節(jié)點(diǎn)的破壞模式、剛度、延性率等其他性能不過多地做比較分析。

2.3 節(jié)點(diǎn)承載能力計(jì)算分析

因連接節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)承載設(shè)計(jì)值應(yīng)考慮整體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性，故各國(guó)規(guī)范均將安全系數(shù)納入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮范疇。但由于荷載和抗力的統(tǒng)計(jì)參數(shù)不同，包括節(jié)點(diǎn)破壞標(biāo)志點(diǎn)和抗力計(jì)算方法不同，導(dǎo)致安全可靠度計(jì)算方法亦不同，因此，不同國(guó)家規(guī)范間的可靠度安全系數(shù)并不等價(jià)。為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)連接節(jié)點(diǎn)本身的承載能力，在使用各國(guó)規(guī)范進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)，未將安全系數(shù)納入考慮范疇，直接基于連接節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)值進(jìn)行比較分析。

中國(guó)2017版GB 50005在2003版的基礎(chǔ)上對(duì)螺栓節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式做了修正，用木材銷槽承壓強(qiáng)度替換了木材順紋抗壓強(qiáng)度，且突破了2003版對(duì)螺栓節(jié)點(diǎn)中對(duì)被連接木構(gòu)件的木材材質(zhì)等級(jí)相同的假定，能夠適用于不同材質(zhì)、不同強(qiáng)度等級(jí)的構(gòu)件組合而成的連接節(jié)點(diǎn)。2017版GB 50005雖未直接規(guī)定鋼夾板連接節(jié)點(diǎn)承載力的計(jì)算方法，但采用了美國(guó)NDS-2005規(guī)范的方法，在鋼夾板銷槽承壓強(qiáng)度不起控制作用時(shí)，可直接將鋼板視為一種銷槽承壓強(qiáng)度很高的“木材”，故鋼夾板承載力的計(jì)算方法與普通木材螺栓連接節(jié)點(diǎn)相同，只需將邊構(gòu)件的銷槽承壓強(qiáng)度采用相應(yīng)鋼板的銷槽承壓強(qiáng)度便可，且在螺栓承載力計(jì)算中，對(duì)于鋼銷產(chǎn)生塑性鉸的屈服模式是基于塑性不完全發(fā)展理論的[22]。不論基于何種屈服模式，螺栓連接承載力的計(jì)算均可歸結(jié)為銷槽有效承壓長(zhǎng)度或銷槽有效承壓長(zhǎng)度系數(shù)的確定。由于一般情況下鋼板不發(fā)生銷槽承壓破壞，故利用主構(gòu)件計(jì)算節(jié)點(diǎn)的承載力。鑒于此，可將2017版GB 50005所規(guī)定的螺栓連接節(jié)點(diǎn)每一剪切面承載力的理論計(jì)算公式表示如式（2）～式（4），并取3種模式下的最小值作為節(jié)點(diǎn)承載力理論計(jì)算值。

式中：α=c/a，c和a分別為主構(gòu)件厚度和邊構(gòu)件厚度;β=fhc/fha，fha和fhc分別為邊構(gòu)件和主構(gòu)件的銷槽承壓強(qiáng)度;d為螺栓直徑;η=a/d，為銷徑比;kep取1.0;fyk為螺栓抗彎屈服強(qiáng)度。

歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 5中的螺栓連接節(jié)點(diǎn)破壞模式和相應(yīng)承載力計(jì)算公式是基于Johanson屈服理論提出的，單獨(dú)給出了鋼夾板和鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)每一剪切面承載力的計(jì)算式（式（5）），并將鋼板分為薄鋼板、厚鋼板兩種情況，且認(rèn)為厚鋼板對(duì)螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)有足夠的鉗制力，一般取j和m模式下的較小值作為理論計(jì)算值;而薄單板無明顯約束力，其單一剪面承載力的理論計(jì)算值則取j和k模式下的較小值。其中，式（5）中的破壞模式j(luò)、k及m分別對(duì)應(yīng)中國(guó)Ⅰ型、Ⅲ型和Ⅳ型破壞模式。

式中：Fv，Rk為每個(gè)剪切面的承載力;t2為主構(gòu)件厚度;fh，2，k為主構(gòu)件銷槽承壓強(qiáng)度;My，Rk為螺栓屈服彎矩，My，Rk=（fbsd3）/6。

試驗(yàn)中螺栓連接節(jié)點(diǎn)均呈現(xiàn)Ⅲm型和Ⅳ型破壞模式，根據(jù)鋼板厚薄程度，分別采用模式k和m的公式計(jì)算各組螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載力。其中，鋼板薄厚以鋼板厚度t和螺栓直徑d的比值區(qū)分，當(dāng)t/d≥1時(shí)，視為厚鋼板;當(dāng)t/d≤0.5時(shí)，視為薄鋼板;當(dāng)0.5

以Φ10-10d-60試樣組為例，分別依據(jù)2017版GB 50005和Eurocode 5規(guī)范計(jì)算該螺栓節(jié)點(diǎn)的承載力理論計(jì)算值。其中，該試樣組的螺栓直徑為10 mm、主構(gòu)件厚度為60 mm、主構(gòu)件銷槽承壓強(qiáng)度為95.28 MPa、螺栓抗彎屈服強(qiáng)度為746.6 MPa、側(cè)構(gòu)件銷槽承壓強(qiáng)度為484 MPa（鋼板為Q420鋼，根據(jù)GB 50017所給出的鋼材銷槽承壓設(shè)計(jì)值440 MPa的基礎(chǔ)上，將其材料分項(xiàng)系數(shù)估計(jì)為1.1，此處取1.1倍的設(shè)計(jì)值作為其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值[11]）、kep取1.0。此時(shí)，利用式（2）～式（4）求得3種屈服模式下螺栓節(jié)點(diǎn)試樣單一剪面的承載力理論計(jì)算值分別為56.27、26.62、35.56 kN，取三者中的最小值作為理論計(jì)算值，即為26.62 kN。因該節(jié)點(diǎn)為對(duì)稱雙剪連接，故該節(jié)點(diǎn)的承載力理論計(jì)算值即為53.24 kN。

由于Φ10-10d-60螺栓節(jié)點(diǎn)的鋼板厚度為6 mm、螺栓直徑為10 mm，其t/d值處于0.5和1之間，利用Eurocode 5規(guī)范計(jì)算承載力時(shí)，應(yīng)按薄、厚鋼板兩種情況的線性插值法求解節(jié)點(diǎn)單一剪面的承載力?；谑剑?）計(jì)算所得屈服模式j(luò)、k及m所對(duì)應(yīng)的單一剪面承載力分別為28.58、17.71、25.04 kN，取k和m模式下所對(duì)應(yīng)的計(jì)算值17.71、25.04 kN進(jìn)行線性插值求解，得該節(jié)點(diǎn)單一剪面的承載力計(jì)算值為19.18 kN，故該螺栓節(jié)點(diǎn)承載力的理論計(jì)算值為38.36 kN。

根據(jù)2017版GB 50005和Eurocode 5規(guī)范規(guī)定的承載力計(jì)算公式，獲得16組連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算值（見表3）。整體而言，基于兩規(guī)范計(jì)算的承載力理論計(jì)算值普遍比試驗(yàn)值偏小，其中2017版GB 50005的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為接近，但Eurocode 5的計(jì)算值誤差相對(duì)較大，這主要是由于Eurocode 5的承載力計(jì)算考慮了“繩索效應(yīng)”，即節(jié)點(diǎn)需要在很大的彎曲變形情況下，才可能在螺桿中產(chǎn)生顯著拉力并產(chǎn)生側(cè)向力方向的分量，但本試驗(yàn)所用的鋼夾板螺栓連接因其形變量小，“繩索效應(yīng)”可忽略不計(jì)，致使各節(jié)點(diǎn)承載力理論計(jì)算值明顯小于試驗(yàn)值，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了歐洲規(guī)范在不計(jì)“繩索效應(yīng)”情況下承載力計(jì)算結(jié)果偏低的結(jié)論[11]。對(duì)于2017版GB 50005理論計(jì)算值略有偏低但與實(shí)際情況較為接近的原因，主要是由于該規(guī)范對(duì)螺栓承載屈服的計(jì)算基于塑性不完全發(fā)展的塑性鉸的計(jì)算方法，使得螺栓節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算與實(shí)際工況較為接近。但從另一方面而言，2017版GB 50005承載力計(jì)算基于理想彈塑性材料本構(gòu)模型，導(dǎo)致其中部分屈服模式下的節(jié)點(diǎn)承載力理論計(jì)算值存在略有偏低的情況[23]。

從表3中還可以看出，Φ10-7d-135、Φ12-10d-135、Φ14-4d-135及Φ16-4d-135四組試樣基于2017版GB 50005計(jì)算的承載力明顯偏大，這主要是由于4組螺栓連接節(jié)點(diǎn)所設(shè)置的主構(gòu)件厚度均為135 mm，其對(duì)應(yīng)的厚徑比（c/d值）相對(duì)較大，分別為13.50、11.25、9.64及8.44，對(duì)整個(gè)連接節(jié)點(diǎn)而言，其具有“少筋”特征，螺栓在主構(gòu)件破壞前發(fā)生明顯屈服破壞現(xiàn)象，而主構(gòu)件本身卻未發(fā)生明顯破壞，此時(shí)主構(gòu)件的力學(xué)承載性能尚未充分展現(xiàn)，導(dǎo)致螺栓連接節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)值明顯偏低;再者，因中國(guó)2017版GB 50005對(duì)螺栓承載能力的預(yù)測(cè)基于螺栓和主構(gòu)件同時(shí)發(fā)生屈服破壞的基礎(chǔ)上，故導(dǎo)致以上4組試樣的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在較大偏差。這也說明，使用設(shè)計(jì)規(guī)范預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)承載力的前提是節(jié)點(diǎn)的幾何構(gòu)造特征應(yīng)滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)要求，盡量保證連接件和主構(gòu)件的力學(xué)優(yōu)勢(shì)能夠最大限度地發(fā)揮，使材料物盡其用。由表3可知，Φ10-10d-60、Φ10-4d-60、Φ12-7d-60及Φ12-4d-60四組節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值的偏差較其余試樣組稍大，這主要是由于以上4組節(jié)點(diǎn)試樣均呈Ⅳ型屈服模式，在鋼板處形成了兩個(gè)塑性鉸，且因各節(jié)點(diǎn)的銷槽壓力力臂小于在木構(gòu)件內(nèi)部形成塑性鉸的情況，致使以上節(jié)點(diǎn)所形成塑性鉸所需施加的作用力增大[23];再者，以上4組節(jié)點(diǎn)試樣的螺栓和主構(gòu)件同時(shí)發(fā)生了屈服破壞，此時(shí)螺栓和主構(gòu)件的承載能力均能充分發(fā)揮，最終表現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)承載能力實(shí)測(cè)值比理論計(jì)算值偏大。這類屈服模式也正好與以上所提及的“中國(guó)2017版GB 50005對(duì)螺栓承載能力的預(yù)測(cè)基礎(chǔ)（即螺栓和主構(gòu)件同時(shí)發(fā)生屈服）”相吻合，屬于最為理想的屈服破壞模式，也進(jìn)一步印證了中國(guó)2017版GB 50005中部分屈服模式下的節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算值會(huì)略有偏低的情況。整體而言，采用2017版GB 50005計(jì)算所得的重組竹螺栓連接承載力誤差相對(duì)Eurocode 5較小，計(jì)算值與試驗(yàn)值之間存在一定安全富余的空間，可以較好地預(yù)測(cè)重組竹鋼夾板螺栓連接的承載力。

3 結(jié)論

通過對(duì)16組48個(gè)重組竹鋼夾板單螺栓連接節(jié)點(diǎn)試樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，揭示了螺栓直徑、端距及主構(gòu)件厚度等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力的影響規(guī)律，驗(yàn)證了Foshci理論模型對(duì)重組竹鋼夾板單螺栓連接節(jié)點(diǎn)的適用性，分析評(píng)價(jià)了2017版GB 50005和European 5規(guī)范對(duì)重組竹鋼夾板螺栓連接承載力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，主要結(jié)論如下：

1）Foschi理論模型能夠反映節(jié)點(diǎn)試樣的線彈性階段和屈服后節(jié)點(diǎn)的變化特征，能較為全面地反映節(jié)點(diǎn)試樣的整個(gè)受力過程，這也進(jìn)一步證實(shí)了Foschi理論模型用于描述重組竹鋼夾板單螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載性能的適用性。

2）螺栓直徑對(duì)屈服載荷和極限載荷影響顯著，且屈服載荷和極限載荷隨螺栓直徑增大呈線性遞增趨勢(shì);端距和主構(gòu)件厚度對(duì)屈服載荷影響不顯著，但對(duì)極限載荷影響顯著。這反映出當(dāng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)達(dá)到最小尺寸設(shè)計(jì)要求時(shí)，其承載能力受螺栓直徑影響作用最為明顯。

3）Eurocode 5對(duì)重組竹鋼夾板單螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載力預(yù)測(cè)偏保守;而中國(guó)2017版GB 50005對(duì)重組竹螺栓連接節(jié)點(diǎn)承載力預(yù)測(cè)存在安全富余空間，在節(jié)點(diǎn)的幾何構(gòu)造特征滿足最小尺寸要求的前提下，能夠較好地預(yù)測(cè)重組竹鋼夾板螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載力。

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（編輯 胡玲）

收稿日期：2020-08-02

基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金（2020JJ5971）;湖南省林業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（XLK201903）;湖南省教育廳優(yōu)秀青年基金（19B609）;國(guó)家自然科學(xué)基金（31800479）

作者簡(jiǎn)介：李霞鎮(zhèn)（1985- ），博士，高級(jí)工程師，主要從事竹質(zhì)結(jié)構(gòu)工程材性能評(píng)價(jià)，E-mail：lixiazhen198500@163.com。

李賢軍（通信作者），教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：lxjmu@163.com。

Received：2020-08-02

Foundation items：Natural Science Foundation of Hunan （No. 2020JJ5971）; Technological Innovation Fund of Hunan Forestry Department （No. XLK201903）; Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department （No. 19B609）; National Natural Science Foundation of China （No. 31800479）

Author brief：LI Xiazhen （1985- ）， PhD， senior engineer， main research interest： bamboo-based structural material evaluation， E-mail： lixiazhen198500@163.com.

LI Xianjun （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： lxjmu@163.com.