竹集成材釘節(jié)點(diǎn)抗剪性能試驗(yàn)研究

陳國(guó) ，王振國(guó) ，吳新濤 ，姜浩 ，殷銘揚(yáng)

（1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.機(jī)電產(chǎn)品包裝生物質(zhì)材料國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心（南京林業(yè)大學(xué)），江蘇 南京 210037）

目前，建筑已成為我國(guó)能源消耗的三大“耗能大戶(hù)”之一.《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告（2020）》指出，2018年我國(guó)建筑全過(guò)程能耗總量為21.47億t標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的46.5%，全過(guò)程碳排放總量為49.3 億t 二氧化碳，占全國(guó)碳排放總量的51.3%［1］.大力發(fā)展生物質(zhì)建材符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，也是實(shí)現(xiàn)“碳中和”這一目標(biāo)的重要舉措［2］.我國(guó)的竹資源十分豐富，為竹結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了充足的原材料來(lái)源，研究人員亦陸續(xù)開(kāi)發(fā)了一系列以竹集成材（laminated bamboo lumber，簡(jiǎn)稱(chēng)LBL）為代表的工程竹材［3-7］.

LBL克服了原竹材質(zhì)不均和壁薄中空的缺點(diǎn)［8］，具有替代木材的巨大潛力，在我國(guó)一定范圍內(nèi)獲得了應(yīng)用.但國(guó)內(nèi)外尚未發(fā)布竹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，故選擇木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，這并不能真實(shí)反映LBL 結(jié)構(gòu)體系的真實(shí)受力性能.結(jié)構(gòu)的破壞往往始于節(jié)點(diǎn)的損壞，節(jié)點(diǎn)性能的優(yōu)劣直接決定了結(jié)構(gòu)抵抗豎向荷載、風(fēng)荷載和地震作用的能力.Li 等［9］提出了一種LBL 銷(xiāo)連接節(jié)點(diǎn)，邊（中）部構(gòu)件和銷(xiāo)連接件均采用LBL 制作.結(jié)果表明，LBL銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)的承載能力和剛度等力學(xué)性能均優(yōu)于木結(jié)構(gòu)銷(xiāo)節(jié)點(diǎn).然而，LBL 連接件并不適合于小截面構(gòu)件的接長(zhǎng).已有研究表明［10-11］，釘節(jié)點(diǎn)因其具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力明確和施工便捷等優(yōu)點(diǎn)而在木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用.基于此，陳國(guó)等［12］提出了一種新型的LBL 釘節(jié)點(diǎn)，即邊部構(gòu)件和中部構(gòu)件通過(guò)鐵釘連接以實(shí)現(xiàn)桿件接長(zhǎng)的目的.采用試驗(yàn)研究的方法，系統(tǒng)地探討了釘端距、中距、邊距和行距對(duì)LBL 釘節(jié)點(diǎn)受力性能的影響，并且基于試驗(yàn)結(jié)果建議了釘間距的最小構(gòu)造要求.隨后，陳國(guó)等［13］研究了125 個(gè)LBL 群釘節(jié)點(diǎn)的承載性能、變形特性和破壞機(jī)理，探討了釘直徑、列數(shù)和行數(shù)的影響.然而，已有的研究主要集中在順紋向的釘節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載作用下的力學(xué)性能，未考慮到釘節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的性能，亦未考慮到實(shí)際工程中經(jīng)常面臨邊部構(gòu)件和中部構(gòu)件的夾角處于0°與90°之間的情形，即釘節(jié)點(diǎn)斜紋向的受力性能.

本文以L(fǎng)BL 釘連接節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，開(kāi)展斜紋向釘節(jié)點(diǎn)的單調(diào)和低周反復(fù)加載試驗(yàn)，探討節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理及滑移性能，分析邊部構(gòu)件和中部構(gòu)件之間的夾角以及鐵釘直徑的影響.重點(diǎn)考察節(jié)點(diǎn)的承載能力、剛度和耗能性能等.相關(guān)研究成果可為L(zhǎng)BL釘節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供有益的理論依據(jù)，對(duì)國(guó)產(chǎn)綠色環(huán)保型的LBL 建材在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義.

1 材料與方法

1.1 試件設(shè)計(jì)

LBL 釘節(jié)點(diǎn)常用于LBL 構(gòu)件的接長(zhǎng)，參照目前國(guó)內(nèi)外實(shí)際竹木結(jié)構(gòu)工程的做法，每個(gè)試件由2 塊邊部構(gòu)件和1 塊中部構(gòu)件組成，并通過(guò)鐵釘連接.試驗(yàn)所用連接件為普通光圓桿鐵釘，直徑d分別為2.1 mm、2.5 mm 和2.8 mm，釘長(zhǎng)度l分別為40 mm、50 mm和60 mm.邊部構(gòu)件和中部構(gòu)件的截面尺寸的寬度和長(zhǎng)度分別為40 mm 和200 mm，邊部構(gòu)件的厚度分別為20 mm和40 mm.通過(guò)改變邊部構(gòu)件和中部構(gòu)件軸線(xiàn)之間的夾角α，研究LBL釘節(jié)點(diǎn)在單調(diào)和低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能.試件幾何尺寸及構(gòu)造如圖1 所示.為避免試件在拉壓往復(fù)荷載作用時(shí)發(fā)生平面外的破壞，在邊部構(gòu)件之間填充一個(gè)40 mm×40 mm×200 mm 的LBL 填塊.在邊（中）部構(gòu)件和LBL 填塊的相應(yīng)位置預(yù)鉆螺栓孔和釘孔，如圖1（b）～（d）所示.螺栓孔徑比螺栓直徑大1.0～1.5 mm，釘孔徑約等于0.8倍釘直徑.鐵釘分別從邊部構(gòu)件的兩側(cè)垂直釘入中部構(gòu)件，直至釘帽與邊部構(gòu)件表面平齊.釘入速度過(guò)快容易導(dǎo)致試件被劈裂，用力過(guò)猛容易打彎鐵釘.

圖1 試件詳圖（單位：mm）Fig.1 Diagram of specimen（unit：mm）

各試件編號(hào)及對(duì)應(yīng)的參數(shù)見(jiàn)表1.夾角α取值分別為45°、60°和75°.試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了72 個(gè)三明治形的LBL 釘節(jié)點(diǎn)試件.對(duì)其中9 組共45 個(gè)試件進(jìn)行單調(diào)加載試驗(yàn)，并對(duì)其余的9 組共27 個(gè)試件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn).為獲得更加真實(shí)可信的試驗(yàn)結(jié)果，單調(diào)和低周反復(fù)加載試件的重復(fù)數(shù)分別為5個(gè)和3個(gè).第1 和第4 系列試件采用直徑d為2.1 mm 的鐵釘作為連接件，第2 和第5 系列試件的釘直徑d為2.5 mm，第3和第6系列試件的釘直徑d為2.8 mm.

表1 試件參數(shù)Tab.Details of specimens

1.2 試驗(yàn)材料

邊（中）部構(gòu)件采用LBL 材料制作，密度為870 kg/m3，含水率為9.3%，抗壓強(qiáng)度為56.3 MPa，抗拉強(qiáng)度為107.7 MPa，彈性模量為11 000 MPa.銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度是確定銷(xiāo)連接節(jié)點(diǎn)承載能力和變形性能的一個(gè)重要參數(shù)［14］，參照《木結(jié)構(gòu)銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度及釘連接承載力特征值確定方法》（GB/T 39422—2020）［15］的要求制作半孔法試件，測(cè)得銷(xiāo)軸直徑分別為2.1 mm、2.5 mm 和2.8 mm 時(shí)的LBL 銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度SH分別為78.12 MPa、74.64 MPa 和70.95 MPa.鐵釘購(gòu)自同一個(gè)五金生產(chǎn)商的同一批次.鐵釘抗彎強(qiáng)度反映了鐵釘全截面抵抗彎曲破壞的一種能力，其抗彎強(qiáng)度按式（1）計(jì)算.

式中：Fyb為抗彎強(qiáng)度；P為屈服荷載；Sbp為支座間距；d為釘直徑.

按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM F1575-17［16］測(cè)試鐵釘抗彎性能，試驗(yàn)裝置如圖2 所示.試驗(yàn)共測(cè)試10 枚鐵釘，其抗彎強(qiáng)度平均值為705.2 MPa.

圖2 鐵釘抗彎試驗(yàn)裝置Fig.2 Bending test setup of nail

1.3 加載裝置

單調(diào)和低周反復(fù)加載試驗(yàn)采用相同的試驗(yàn)裝置，如圖3 所示.對(duì)稱(chēng)布置于試件兩側(cè)的Y 形夾具與中部構(gòu)件的端部通過(guò)鋼銷(xiāo)軸相連，Y 形夾具分別通過(guò)螺栓與下方的T 形夾具連接.LBL 填塊上端通過(guò)M18 普通螺栓與Y 形夾具相連.靜置于實(shí)驗(yàn)室的試件中的鐵釘和邊（中）部構(gòu)件將發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，并且隨著時(shí)間的推移，這種現(xiàn)象將愈發(fā)明顯，進(jìn)而導(dǎo)致釘節(jié)點(diǎn)的承載能力和剛度退化.因而，組裝完畢的試件需在10 min 內(nèi)安裝于電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾頭上并進(jìn)行加載試驗(yàn).

圖3 加載裝置Fig.3 Test setup

1.4 加載制度及量測(cè)方案

試驗(yàn)采用雙通道DDL5 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載系統(tǒng)，利用作動(dòng)器對(duì)試件施加豎向荷載，試驗(yàn)機(jī)最大加載值為50 kN.單調(diào)試驗(yàn)參照《木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料用銷(xiāo)類(lèi)連接件連接性能試驗(yàn)方法》（LY/T 2377—2014）［17］，全程采用位移控制勻速加載，保持加載速度為2 mm/min，在10 min 左右達(dá)到最大荷載，達(dá)到最大荷載的時(shí)間應(yīng)控制在5～20 min.當(dāng)荷載降至最大荷載的85%左右時(shí)，認(rèn)定試件破壞，隨即終止試驗(yàn).

采用低周往復(fù)荷載模擬地震作用，參考ISO 16670［18］測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)推薦的適合于節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的位移控制加載程序，豎向荷載采用變幅值位移控制的方式加載.取單調(diào)加載試驗(yàn)中獲得的極限位移Δm作為控制位移，由于初始階段加載步1.25%Δmax、2.5%Δmax、5%Δmax、7.5%Δmax處于小變形的彈性階段，因而實(shí)際加載過(guò)程通常可以省略.正式加載以控制位移Δmax的10%、20%、40%、60%、80%、100%、120%等三角形波依次進(jìn)行3 個(gè)循環(huán)加載，直至試件承載力降至最大荷載的85%左右或試件發(fā)生破壞，停止試驗(yàn).循環(huán)加載速率全程為10 mm/min.

為測(cè)得邊部構(gòu)件與中部構(gòu)件的相對(duì)豎向位移，在試件兩側(cè)布置一對(duì)量程為50 mm 的LVDT 位移傳感器，試件所受的豎向荷載值自萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)獲得，所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)東華DH3820 高速靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)自動(dòng)采集，采樣頻率為10 Hz.

2 破壞模式

45 個(gè)單調(diào)加載試件具有相似的試驗(yàn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為銷(xiāo)槽承壓破壞和鐵釘“雙鉸”破壞，破壞具有一定的突然性，表現(xiàn)為低延性的破壞特征，如圖4 所示.邊部構(gòu)件和中部構(gòu)件的相應(yīng)位置預(yù)鉆了孔徑略小于釘直徑的圓形孔洞以便鐵釘可以打入構(gòu)件中，因而釘與構(gòu)件孔壁的接觸并不是很充分，存在一定的間隙.加載初期，間隙使得釘和孔壁無(wú)法同時(shí)承受外力，盡管節(jié)點(diǎn)表面無(wú)可見(jiàn)破壞，但仍然偶爾可聽(tīng)到竹材纖維細(xì)微的斷裂聲.當(dāng)節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)達(dá)到彈性極限后，隨著荷載的持續(xù)增大，釘桿及其下部的LBL 銷(xiāo)槽將開(kāi)始發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，當(dāng)釘桿下部的壓應(yīng)力大于竹材銷(xiāo)槽承壓應(yīng)力極限時(shí)，LBL構(gòu)件將發(fā)生銷(xiāo)槽承壓破壞.然而，試驗(yàn)過(guò)程中并未觀(guān)察到工程竹材銷(xiāo)槽承壓試驗(yàn)中常見(jiàn)的沿受力方向的裂縫［19］.在此過(guò)程中，釘帽受到了向節(jié)點(diǎn)內(nèi)部“拉拽”的力，由于釘帽的阻止作用而形成的“繩索效應(yīng)”有效地抑制了邊部構(gòu)件和中部構(gòu)件的相對(duì)滑移［20］，最終導(dǎo)致鐵釘在試件內(nèi)部形成“雙鉸”破壞.一般而言，發(fā)生“雙鉸”破壞模式的時(shí)間明顯晚于銷(xiāo)槽承壓破壞.

圖4 單調(diào)加載試件的破壞模式Fig.4 Failure modes of specimens loaded monotonically

已有研究表明［21］，竹木結(jié)構(gòu)銷(xiāo)連接單剪試件包含四種常見(jiàn)的破壞模式，即屈服模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ.破壞模式與邊（中）構(gòu)件的厚度、銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度、銷(xiāo)的強(qiáng)度和長(zhǎng)細(xì)比密切相關(guān).本文試驗(yàn)研究所采用的邊（中）部構(gòu)件均采用同一批次的竹集成材加工，因而邊（中）部構(gòu)件具有相等的銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度.位于兩側(cè)的邊部構(gòu)件的厚度之和剛好等于中部構(gòu)件厚度，以至于試件主要發(fā)生以屈服模式Ⅳ為主的破壞，即“雙鉸”破壞.

圖5 為各試件在低周反復(fù)荷載作用下的破壞形態(tài).在彈性階段，釘節(jié)點(diǎn)在單調(diào)和低周反復(fù)荷載作用下的破壞現(xiàn)象基本一致，此后，隨加載位移的增加，兩種加載方式所導(dǎo)致的破壞現(xiàn)象的差異性越來(lái)越大.低周反復(fù)荷載作用下的節(jié)點(diǎn)破壞同樣始于鐵釘附近的邊（中）部構(gòu)件的竹纖維承壓破壞.隨著荷載的持續(xù)增大，釘桿的彎曲變形愈發(fā)明顯，在邊部構(gòu)件和中部構(gòu)件之間形成“雙鉸”.部分釘帽逐漸陷入邊部構(gòu)件內(nèi)，陷入深度較淺，未穿透邊部構(gòu)件，這主要是因?yàn)獒斆毕路降腖BL 受到的壓應(yīng)力還未達(dá)到LBL的局部抗壓強(qiáng)度.試件達(dá)到最大荷載時(shí)，大部分鐵釘發(fā)生疲勞斷裂，少部分鐵釘仍然表現(xiàn)為“雙鉸”破壞模式.木結(jié)構(gòu)剪力墻試驗(yàn)中亦經(jīng)常記錄到鐵釘疲勞斷裂現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象卻極少發(fā)生在竹木結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)或?qū)嶋H的地震中［22-23］.

圖5 低周反復(fù)加載試件的破壞模式Fig.5 Failure modes of specimens loaded cyclically

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 單調(diào)加載

3.1.1 荷載-位移曲線(xiàn)

釘節(jié)點(diǎn)試件在單調(diào)荷載作用下的荷載-位移曲線(xiàn)表現(xiàn)出類(lèi)似的特征，圖6為編號(hào)M2.1-75的試件的荷載-滑移曲線(xiàn).不難發(fā)現(xiàn)：1）在加載的初始階段，中部構(gòu)件和邊部構(gòu)件之間經(jīng)歷了較長(zhǎng)的滑移，而荷載增長(zhǎng)十分緩慢，這是因?yàn)殍F釘和圓孔間的孔隙使得鐵釘和銷(xiāo)槽無(wú)法同時(shí)承受外部荷載的作用；2）節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷滑移階段后，隨即進(jìn)入彈性階段，荷載-滑移曲線(xiàn)基本呈線(xiàn)性關(guān)系，此階段無(wú)肉眼可見(jiàn)的破壞；3）試件承載力達(dá)到0.6Fmax（Fmax為最大荷載）后，釘桿附近的竹纖維沿順紋向逐漸被壓碎，并且伴隨著細(xì)小的脆性開(kāi)裂聲音，鄰近的竹纖維發(fā)生內(nèi)力重分布，從而導(dǎo)致荷載-位移曲線(xiàn)表現(xiàn)出明顯的多峰值鋸齒狀特征；4）當(dāng)達(dá)到最大荷載值時(shí)，荷載迅速下降，試件發(fā)生破壞.

圖6 荷載-位移曲線(xiàn)Fig.6 Typical load-slip relationship

由圖7 可知，節(jié)點(diǎn)的最大荷載值Fmax隨著加載角度的增加，略有降低.編號(hào)為M2.1-45、M2.1-60、M2.1-75 的試件采用2.1 mm 的單個(gè)釘作為連接件，加載角度分別為45°、60°和75°，其極限荷載平均值分別為2.42 kN、2.23 kN 和2.17 kN.當(dāng)角度從45°增至60°時(shí)，最大荷載值Fmax下降約7.85%；角度從60°增加到75°時(shí)，最大荷載值Fmax降幅僅為2.69%.當(dāng)加載角度相同時(shí)，釘節(jié)點(diǎn)的承載力隨釘直徑的增加而增大，直徑越大，極限承載力越高.以M2.1-45 為對(duì)比試件，M2.5-45 和M2.8-45 的極限承載力分別為3.61 kN 和5.10 kN，相比M2.1-45 而言，分別增加49.17%和110.74%.

圖7 承載力-釘直徑關(guān)系Fig.7 Relationship of ultimate load and nail diameter

3.1.2 抗剪承載力

單剪連接主要是指銷(xiāo)釘類(lèi)緊固件連接承受一個(gè)剪切力的情況，包括雙構(gòu)件單剪連接和三構(gòu)件單剪連接兩種情況.基于Smith提出的木結(jié)構(gòu)銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)的屈服荷載承載力計(jì)算方法［24］，本文建議LBL 釘節(jié)點(diǎn)的極限承載力按式（2）計(jì)算.

式中：n為剪切面數(shù)；SH為銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度；ts為邊部構(gòu)件厚度；My為鐵釘?shù)乃苄猿休d力；α為中部構(gòu)件和邊部構(gòu)件的厚度比值；β為中部構(gòu)件和邊部構(gòu)件的銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度比值；S為鐵釘?shù)膬艚孛嫠苄阅Ａ?，?duì)于圓截面鐵釘而言，S=d3/6.

如表2 所示，對(duì)于小直徑釘而言，試驗(yàn)值和理論值的誤差較小，表明本文提出的建議公式可以很好地預(yù)測(cè)小直徑釘節(jié)點(diǎn)的承載力.當(dāng)LBL 釘節(jié)點(diǎn)采用直徑為2.8 mm 的鐵釘作為連接件時(shí)，其誤差達(dá)25.93%，這可能是與重復(fù)試件數(shù)較少有關(guān).

表2 屈服荷載試驗(yàn)值和理論值對(duì)比Tab.2 Comparison of experimental and theoretical results of yield load

3.2 低周反復(fù)加載

3.2.1 滯回性能

LBL 釘節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用下經(jīng)歷了加載—卸載—反向加載—卸載的過(guò)程，由DH3820采集儀記錄到每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的荷載-位移曲線(xiàn)便形成了一個(gè)滯回環(huán)，多級(jí)循環(huán)加載后記錄的一系列滯回環(huán)即滯回曲線(xiàn)，是確定恢復(fù)力模型和進(jìn)行非線(xiàn)性地震反應(yīng)分析的依據(jù).常見(jiàn)的滯回曲線(xiàn)有四種基本形狀：梭形、弓形、反S 形和Z 形.圖8 為典型釘節(jié)點(diǎn)試件C2.1-75、C2.5-45和C2.8-45的荷載-位移滯回曲線(xiàn)，形狀為Z 形.釘桿在加載的初始階段經(jīng)歷了較長(zhǎng)的滑移，因而此階段的滯回曲線(xiàn)并不飽滿(mǎn)，具有明顯的“捏縮”效應(yīng).曲線(xiàn)出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象是因?yàn)槲灰苹謴?fù)到原點(diǎn)附近時(shí)，釘與預(yù)鉆孔的空隙被擠緊.當(dāng)釘與構(gòu)件的銷(xiāo)槽內(nèi)壁完全接觸后，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線(xiàn)形狀逐漸變得飽滿(mǎn)，表明釘和LBL 銷(xiāo)槽具有較強(qiáng)的塑性變形能力，能夠較好地吸收地震能量.

圖8 滯回曲線(xiàn)Fig.8 Hysteretic loops

類(lèi)似于單調(diào)加載時(shí)的荷載-位移曲線(xiàn)，循環(huán)試驗(yàn)中獲得的滯回曲線(xiàn)亦表現(xiàn)出典型的鋸齒狀特征.當(dāng)鐵釘產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過(guò)LBL 銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度后，鐵釘周?chē)闹窭w維逐漸發(fā)生斷裂，原有的受力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力將由附近的竹纖維承擔(dān)，形成新的應(yīng)力狀態(tài)，從而應(yīng)力發(fā)生了重分布.

Shen 等［25］研究了正交膠合木（cross laminated timber，簡(jiǎn)稱(chēng)CLT）釘連接的力學(xué)性能，結(jié)果表明，CLT釘節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載作用下的滯回曲線(xiàn)表現(xiàn)出典型的反S 形.相比LBL 釘節(jié)點(diǎn)的滯回曲線(xiàn)形狀，CLT 的銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度比LBL 更低，因而CLT 釘節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷了更多的滑移，滯回曲線(xiàn)的形狀不飽滿(mǎn).由此可見(jiàn)，LBL釘節(jié)點(diǎn)具有比CLT 釘節(jié)點(diǎn)更好的變形和吸收地震能量的能力.

3.2.2 骨架曲線(xiàn)

骨架曲線(xiàn)主要用于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的靜力非線(xiàn)性分析，將荷載-位移曲線(xiàn)每個(gè)滯回環(huán)的荷載絕對(duì)值的最大值點(diǎn)相連，即得到該試件的荷載-位移曲線(xiàn)的包絡(luò)線(xiàn)，如圖9所示.試件C2.1-45、C2.1-60和C2.1-75采用2.1 mm 的鐵釘作為連接件，加載角度分別為45°、60°和75°，骨架曲線(xiàn)如圖9 所示.比較這三條骨架曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)荷載不大于±0.8Fmax時(shí)，釘節(jié)點(diǎn)的荷載與位移曲線(xiàn)呈線(xiàn)性關(guān)系，正向（拉伸）和反向（壓縮）并不完全對(duì)稱(chēng)，這與釘與孔壁之間的間隙的影響有關(guān).加載角度對(duì)試件的剛度和承載能力影響較小，這與《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50005—2017）［21］不考慮小直徑銷(xiāo)軸類(lèi)加載方向的影響是一致的.當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力后，大多數(shù)試件并未出現(xiàn)明顯的荷載下降段，這是由于釘疲勞間斷破壞具有一定的突然性.

圖9 骨架曲線(xiàn)Fig.9 Skeleton curves

3.2.3 耗能性能

圖10 為試件從開(kāi)始加載至最終發(fā)生破壞過(guò)程中的累積耗能隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線(xiàn).很顯然，試件的累積耗能隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大.試件C2.1-75、C2.5-75 和C2.8-75 分別采用直徑為2.1 mm、2.5 mm 和2.8 mm 的鐵釘作為連接件，邊部構(gòu)件和中部構(gòu)件之間的夾角均為75°，在前10 個(gè)加載循環(huán)內(nèi)累積耗能分別為0.17 kJ、0.20 kJ 和0.22 kJ，如圖10（a）所示.與C2.1-75 相比，C2.5-75 和C2.8-75 的累積耗能分別提高了17.6%和29.4%，表明在加載角度相同的情況下，試件的累積耗能隨著釘直徑的增大而增加.圖10（b）為第5 系列試件C2.5-45、C2.5-60 和C2.5-75在不同加載循環(huán)下的累積耗能對(duì)比圖.在第4 個(gè)循環(huán)之前，加載角度對(duì)試件累積耗能的影響很小，但各試件間的累積耗能的差異隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大.

圖10 累積耗能Fig.10 Cumulative dissipated energy

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)LBL 釘節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行單調(diào)及低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，獲得了各試件的單調(diào)荷載-滑移曲線(xiàn)和滯回曲線(xiàn)，分析了影響力學(xué)性能和變形特性的參數(shù)，得到如下結(jié)論：

1）釘節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載作用下的破壞主要表現(xiàn)為“雙鉸”破壞、銷(xiāo)槽承壓破壞和鐵釘穿透邊部構(gòu)件；低周反復(fù)荷載作用下的節(jié)點(diǎn)以釘疲勞剪切破壞為主，但這種破壞現(xiàn)象在竹木結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和地震震害調(diào)查中較少出現(xiàn).

2）釘直徑對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力的影響十分顯著，而加載角度的影響較小.LBL 釘節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載試件的承載力和剛度均比低周反復(fù)荷載加載試件高.

3）單調(diào)荷載作用下的釘節(jié)點(diǎn)在加載初期經(jīng)歷了較長(zhǎng)的滑移，曲線(xiàn)表現(xiàn)出典型的鋸齒狀特征，表明試件在加載過(guò)程中經(jīng)歷了銷(xiāo)槽內(nèi)的竹纖維壓碎后，發(fā)生了內(nèi)力重分布.釘節(jié)點(diǎn)的滯回曲線(xiàn)為Z 形，捏縮現(xiàn)象明顯，滯回不飽滿(mǎn).

4）采用小直徑鐵釘作為連接件的試件的等效黏滯阻尼系數(shù)值大于大直徑釘?shù)脑嚰?隨著釘直徑增大，LBL釘節(jié)點(diǎn)試件的耗能能力降低.