鋼夾板-螺栓連接膠合木梁抗彎性能試驗(yàn)

陳愛軍,牛 東,王智豐,王解軍

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

膠合木作為一種綠色環(huán)保的建筑用材，它具有受力合理、和諧美觀、強(qiáng)度高、缺陷分散等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，而被廣泛應(yīng)用于住宅、橋梁等多個(gè)領(lǐng)域[3-4]。如杭州香積寺的大雄寶殿和南京紫東國(guó)際創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)綠幕大門的主要承重結(jié)構(gòu)都是膠合木結(jié)構(gòu)的典型建筑，張家界至花垣高速?gòu)埣医绶?wù)區(qū)木結(jié)構(gòu)人行天橋，上部承重結(jié)構(gòu)均采用膠合木。但是由于木材受天然尺寸的限制，既不像混凝土可澆筑連接，也不像鋼材可焊接連接，所以設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)合理的連接件，實(shí)現(xiàn)膠合木梁的接長(zhǎng)，從而提高膠合木的利用率、推動(dòng)膠合木在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑及橋梁中的應(yīng)用變得至關(guān)重要[5-6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)金屬連接膠合木梁的受力性能進(jìn)行了研究，如：HAYASHI[7]、陳恩靈[8]、何敏娟[9]、HE[10]、徐天琦[11]等。但是對(duì)鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的研究還較少[12-13]。本文采用三分點(diǎn)試驗(yàn)方法，通過改變螺栓順紋間距、螺栓并、錯(cuò)列布置方式及拼接的兩段梁是否來源于同一根膠合木等參數(shù)對(duì)鋼夾板-螺栓連接膠合木梁抗彎性能的影響進(jìn)行探討，為鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)與制作

參考國(guó)內(nèi)外的相關(guān)試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)，試件的跨高比不小于18時(shí)，可忽略剪切對(duì)構(gòu)件變形的影響，因而本試驗(yàn)采用跨高比為18的梁，試驗(yàn)梁尺寸為2 500 mm×60 mm×127 mm。為了研究螺栓順紋間距、螺栓并列、錯(cuò)列布置方式及拼接的2根梁是否來源于同一根膠合木對(duì)梁的承載力、變形能力及破壞形態(tài)產(chǎn)生的影響。因此，共設(shè)計(jì)制作了13組(1組純膠合木梁，12組鋼夾板-螺栓連接膠合木梁)，每組3根，共39根梁。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中對(duì)構(gòu)件尺寸的要求。各試驗(yàn)梁的螺栓順紋端距取50 mm、橫紋端距取20 mm，具體尺寸如表1所示。其中B表示純膠合木梁，B60、B80、B100分別表示螺栓并列布置且螺栓間的順紋間距為60、80、100 mm。C60、C80、C100分別表示螺栓錯(cuò)列布置且螺栓間的順紋間距為60、80、100 mm。螺栓并、錯(cuò)列布置示意圖如圖1所示。所有鋼夾板-螺栓連接膠合木梁螺栓總數(shù)均為3×6=18個(gè)。

表1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Table of design parameters for test beams編號(hào)鋼板尺寸/mm螺栓順紋間距/mm螺栓排列方式B———B606×127×44060并列B806×127×52080并列B1006×127×600100并列B60(Y)6×127×44060并列B80(Y)6×127×52080并列B100(Y)6×127×600100并列C606×127×50060錯(cuò)列C806×127×60080錯(cuò)列C1006×127×700100錯(cuò)列C60(Y)6×127×50060錯(cuò)列C80(Y)6×127×60080錯(cuò)列C100(Y)6×127×700100錯(cuò)列注:試件編號(hào)帶有(Y)表示此梁為拼接的兩段梁來源于同一根膠合木。其他均是隨機(jī)取的兩段梁。

(a) 螺栓并列布置

(b) 螺栓錯(cuò)列布置

1.2 試驗(yàn)梁材料

對(duì)6個(gè)尺寸為20 mm×20 mm×20 mm的落葉松試件進(jìn)行含水率和密度測(cè)定試驗(yàn)，得到本次試驗(yàn)梁膠合木的平均氣干密度為0.74 g/cm3、平均含水率為11.26%。同時(shí)對(duì)膠合木試件分別進(jìn)行了順紋抗壓、抗拉和抗彎試驗(yàn)，對(duì)鋼板進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以整理，得到膠合木的抗拉強(qiáng)度為84.09 MPa，抗壓強(qiáng)度為36.49 MPa，抗彎彈性模量9 984 MPa，鋼板的抗拉強(qiáng)度310 MPa。

本次試驗(yàn)采用8.8級(jí)公稱直徑為6 mm的帶墊片普通鋼螺栓，材料性能數(shù)據(jù)由生產(chǎn)廠商提供，其極限抗拉強(qiáng)度為600 MPa，屈服強(qiáng)度為580 MPa。

1.3 試驗(yàn)加載與測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)加載裝置見圖2，采用三分點(diǎn)加載方式進(jìn)行加載。同時(shí)，在加載頭與試驗(yàn)梁接觸處使用鋼板(60 mm×60 mm×6 mm)以避免加載頭使膠合木梁產(chǎn)生局部擠壓破壞。試驗(yàn)過程采用單調(diào)分級(jí)加載，即：0～12 kN，每級(jí)荷載步為2 kN，加到12 kN以后：每級(jí)荷載步為1 kN，直至試驗(yàn)梁破壞。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

本次試驗(yàn)的撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。在試驗(yàn)梁的跨中、支座和四分點(diǎn)處均安裝位移計(jì)。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)如圖3所示，在左側(cè)純彎段的木梁上距鋼夾板端部20mm處沿梁高方向等間距布置5個(gè)應(yīng)變片、在右側(cè)純彎段的木梁上距鋼夾板端部20 mm處的梁頂和梁底各布置1個(gè)應(yīng)變片；在跨中截面的鋼板上沿梁高方向等距布置3個(gè)應(yīng)變片。

(a) 膠合木梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

(b) 鋼夾板應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 破壞形態(tài)

對(duì)于純膠合木梁，當(dāng)荷載加載到12.0 kN時(shí)，開始聽到細(xì)微的木梁開裂聲響，此時(shí)跨中撓度達(dá)到18 mm，之后繼續(xù)施加荷載，當(dāng)荷載加載到18.3 kN時(shí)，開始發(fā)出較大開裂聲，跨中撓度達(dá)到30.67 mm，當(dāng)荷載加載到22.8 kN時(shí)，木梁跨中沿梁下緣有沿順紋方向貫穿裂縫出現(xiàn)并且底部突然斷裂，破壞形式表現(xiàn)為脆性受拉破壞,見圖4。

圖4 純膠合木梁試驗(yàn)現(xiàn)象

螺栓并列布置試驗(yàn)梁組鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的螺栓并列布置，其破壞形態(tài)如圖5所示。

對(duì)于試驗(yàn)梁B60，當(dāng)荷載加載至4.0 kN時(shí)，開始聽到第一聲響聲，當(dāng)荷載加至6.2 kN時(shí)，開始聽到輕微開裂聲，荷載加載至12.9 kN時(shí)發(fā)出連續(xù)劈裂聲。當(dāng)荷載加載至20.1 kN時(shí)，梁被破壞，裂縫沿梁底部一排螺孔連線貫穿開裂，被連接的兩個(gè)膠合木梁之間發(fā)生明顯的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

對(duì)于試驗(yàn)梁B80和B100，前期變化過程與B60大體相似，B80最終破壞荷載為21.8 kN，破壞形態(tài)也為梁底部一排螺栓孔連線貫穿開裂破壞。B100最終破壞荷載為23.8 kN，破壞形態(tài)為梁底部一排螺栓孔連線位置產(chǎn)生貫穿開裂的裂縫同時(shí)梁底部也產(chǎn)生了垂直于順紋方向的貫穿裂縫。

(a)B60 (b)B80 (c)B100

(d)B60(Y) (e)B80(Y) (f)B100(Y)

試驗(yàn)梁B60(Y)、B80(Y)和B100(Y)的破壞形態(tài)與B60、B80和B100基本類似，其極限荷載分別為19.3、21.4、24.0 kN。

螺栓錯(cuò)列布置試驗(yàn)梁組鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的螺栓錯(cuò)列布置，其破壞形態(tài)如圖6所示。

(a)C60 (b)C80 (c)C100

(d)C60(Y) (e)C80(Y) (f)C100(Y)

對(duì)于試驗(yàn)梁C60，當(dāng)荷載加載至5.4 kN時(shí)，開始聽到第一聲響聲，當(dāng)荷載加至5.8 kN時(shí)，開始聽到細(xì)微開裂聲，當(dāng)荷載加載至9.5 kN時(shí)發(fā)出連續(xù)劈裂聲。當(dāng)荷載加至20 kN時(shí)，梁發(fā)生脆性破壞，裂縫沿梁底部螺孔連線貫穿開裂，被連接的兩個(gè)膠合木梁之間發(fā)生明顯的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。 C80、C100前期變化過程及最終破壞形態(tài)與C60也基本一致，均為螺栓孔連線位置產(chǎn)生貫穿裂縫。C80最終破壞荷載為22.8 kN，C100最終破壞荷載為23.1 kN。其中C80試件由于螺孔旁邊存在木節(jié)，沿順紋開裂的裂縫繞過木節(jié)開裂。

試驗(yàn)梁C60(Y)、C80(Y)和C100(Y)的破壞形態(tài)與C60、C80和C100也基本類似，其極限荷載分別為18.6、21.4、23.6 kN。

2.2 螺栓破壞模式

為便于表述，對(duì)螺栓及螺栓孔進(jìn)行編號(hào)(如圖7所示)。從如圖8(a)～(f)所示的試驗(yàn)梁破壞后對(duì)應(yīng)梁上螺栓破壞狀況可以看出：試驗(yàn)梁在靠近梁的下緣一排螺栓均有不同程度的彎曲破壞，而梁的上緣與中間這兩排螺栓較少發(fā)生彎曲情況。從每組試驗(yàn)梁中挑選出彎曲破壞程度最大的螺栓(如表2所示)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)隨著螺栓順紋間距的減小，其彎曲破壞程度最大的螺栓的彎曲程度也在增大。

同樣，不同位置的螺栓孔變形程度也不同，即當(dāng)螺栓發(fā)生較大彎曲變形時(shí)，所對(duì)應(yīng)的螺栓孔也發(fā)生較大的變形。并且，從圖8(g)～(h)所示螺栓孔的破壞情況來看，其變形軌跡為曲線，受擠壓方向是不斷改變的。所以，螺栓孔并不是受到單一方向的擠壓而發(fā)生變形，在整個(gè)加載過程中，螺栓孔受到的擠壓方向隨荷載增加而不斷發(fā)生變化。這充分說明，在加載過程中，膠合木梁段并不是繞某一固定的中心轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)中心是隨著試驗(yàn)荷載的增加而改變，從而表現(xiàn)出螺栓受力方向的變化。

圖7 螺栓及螺孔位置編號(hào)Figure 7 Location and number of bolts and holes

(a)B60 (b)B80 (c)B100

(d)C60 (e)C80 (f)C100

(g)B80 (h)C80

表2 彎曲破壞程度最大螺栓位置Table 2 Maximum bending of bolt position試件編號(hào)J60J80J100C60C80C100彎曲破壞程度最大螺栓編號(hào)Z9Y9Y9Z9Z9Z9

3 結(jié)果分析

3.1 承載力分析

表3為試驗(yàn)梁的極限荷載、破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的撓度測(cè)試結(jié)果。由表3可知，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁螺栓采用并列、錯(cuò)列布置與拼接兩段梁是否來源于同一根膠合木對(duì)梁極限承載力及極限變形影響不大。

隨著螺栓順紋間距的增加，梁的極限承載力有所提高，說明螺栓順紋間距增大可以有效抑制木纖維受拉裂縫的開展。隨著螺栓順紋間距的增大，梁的破壞形式由鋼夾板連接處破壞轉(zhuǎn)換為梁底部受拉破壞。與純膠合木梁相比，螺栓順紋間距為100 mm的試驗(yàn)梁極限承載力提高了4%，而螺栓順紋間距60、80 mm的梁極限承載力比純木梁小，是因?yàn)槁菟樇y間距小會(huì)使木梁局部纖維的損傷范圍發(fā)生重疊，從而使膠合木的破壞嚴(yán)重。

表3 各試驗(yàn)組梁極限荷載及撓度Table 3 Ultimate load and deflection of beams in each test group組別破壞荷載/kN跨中左側(cè)撓度/mm跨中右側(cè)撓度/mmB22.838.7138.71J6019.155.3453.36J8021.556.6757.71J10023.758.6857.28C6019.156.6756.7C8021.956.2255.99C10023.552.0352.17J60(Y)19.453.4154.22J80(Y)21.358.3457.73J100(Y)24.058.0358.61C60(Y)18.654.1654.89C80(Y)21.454.9954.28C100(Y)23.656.3757.09

3.2 荷載-撓度關(guān)系曲線

由于各試驗(yàn)組3根梁荷載-撓度曲線比較接近，為方便表述和對(duì)比分析，從每組3根試驗(yàn)梁中任取一根的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制其荷載-撓度曲線(如圖9所示)。

由圖9(a)可知，在受力初期隨著螺栓順紋間距的增加，曲線的斜率值逐漸增加，即剛夾板-螺栓連接膠合木梁的剛度隨螺栓順紋間距的增加而增大。相比于純膠合梁，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的斜率在前期有所提升，說明鋼夾板-螺栓連接件對(duì)梁的剛度有提高作用，但隨著荷載的增大，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的曲線斜率開始小于純膠合木梁，即剛度開始小于純膠合木梁的剛度，這是因?yàn)殡S著荷載的增大，螺栓開始逐漸擠壓孔壁，孔壁發(fā)生變形所致。

圖9(b)、(c)、(d)的荷載-位移曲線趨勢(shì)與圖9(a)相似，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁在受荷前期使梁的剛度提高，并且隨著螺栓順紋間距的增加，梁的剛度也會(huì)增大。但是到一定程度，由于膠合木需要打孔，破壞了梁下緣的整體性，使得鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的剛度小于純膠合梁。

(a) 并列組

(b) 錯(cuò)列組

(c) 并列(Y)組

(d) 錯(cuò)列(Y)組

3.3 荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線

同樣，從各試驗(yàn)組3根梁隨機(jī)挑選一根梁的數(shù)據(jù)繪制其純彎段荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線(如圖10所示為膠合木沿梁高等距布置的5個(gè)應(yīng)變片的測(cè)試數(shù)據(jù))。圖中坐標(biāo)軸左半部分是受壓區(qū)，應(yīng)變?yōu)樨?fù)，右半部分是受拉區(qū)，應(yīng)變?yōu)檎?/p>

(a)純膠合木梁 (b)B60 (c)B80 (d)B100

(e)C60 (f)C80 (g)C100

由圖10可知，從加載開始至梁破壞。沿梁截面高度等距布置的5個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變值隨著荷載的增大而呈線性增長(zhǎng)。純膠合木梁應(yīng)變分布基本對(duì)稱，破壞時(shí)，梁頂?shù)膲簯?yīng)變值為3.54×10-3με；在使用鋼夾板后，膠合木的受拉區(qū)應(yīng)變幾乎沒變，受壓區(qū)減小。

鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的荷載-應(yīng)變曲線與螺栓采用并列、錯(cuò)列布置關(guān)系不大。與純膠合木梁作比較，增加鋼夾板后，膠合木的受拉區(qū)幾乎沒變，受壓區(qū)減小。

4 結(jié)論

通過對(duì)鋼夾板-螺栓連接膠合木梁抗彎性能靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析，得出以下結(jié)論：

a.與純膠合木梁相比，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁并列螺栓順紋間距為100 mm時(shí)，極限承載能力較純膠合木梁提高4%，并列螺栓順紋間距為60、80 mm時(shí)，極限承載能力比純膠合木梁小。并列螺栓順紋間距60、80、100 mm的鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的極限變形相對(duì)于普通膠合木分別提高了40.4%、47.7%、49.8%。隨著螺栓順紋間距的增大，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的極限承載能力也會(huì)有所提高。

b.鋼夾板-螺栓連接膠合木梁受荷后，前期剛度大于純膠合木梁，隨著荷載的增大，后期剛度小于純膠合木梁，前期剛度隨著順紋螺栓間距的增大而增大。螺栓并列錯(cuò)列布置與拼接的兩根梁是否來源于同一根膠合木，對(duì)鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的受彎性能影響較小。

c.純膠合木梁破壞模式為梁底受拉破壞，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的破壞模式主要有梁底膠合木受拉破壞、層板間撕裂破壞和鋼夾板連接件內(nèi)膠合木拉裂破壞3種情況。彎曲程度最大的螺栓位置都位于梁底靠近跨中位置，且其彎曲程度隨螺栓順紋間距的增大而減小。

d.本文僅對(duì)鋼夾板-螺栓連接膠合木簡(jiǎn)支梁在靜力荷載作用下的抗彎性能進(jìn)行了研究，但實(shí)際工程中受到受力環(huán)境的影響會(huì)出現(xiàn)剪力作用的情況，所以有待進(jìn)一步開展鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的長(zhǎng)期受力性能的研究。