竹膠板雙剪螺釘連接的承載性能與破壞機理

鄭 維，周 宇，李 玥

（南京林業(yè)大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037）

當多層輕型木結構房屋中存在底層車庫、底層大開間或外墻大開洞等情況時，采用常規(guī)的輕木剪力墻往往難以滿足其抗側力性能需求。為此，加拿大Forintek 研究所（現(xiàn)名為加拿大林產品創(chuàng)新研究院FPInovations）提出了夾板剪力墻（midply shear wall）的概念[1]。夾板剪力墻有著優(yōu)異的抗側力性能，能滿足多高層木結構建筑的抗震性能需求，其做法為：將墻骨對稱布置在墻面板兩側，并通過釘類連接件將墻骨—墻板—墻骨三者連接固定[2]，構成雙剪釘連接的墻骨與墻板連接形式。然而，現(xiàn)有研究表明[3-4]，以木基結構板材、普通釘子制作的夾板剪力墻在側向力作用下極易出現(xiàn)板邊撕裂、釘子拔出等破壞，嚴重影響墻體抗側力性能。

隨著竹材加工技術的發(fā)展，學者們開始采用原材料豐富、強重比高的工程竹材作為建筑材料的替代品[5]。竹材膠合板（簡稱“竹膠板”）是一種強度高、平面內各向同性的結構板材[6]，同時還具有原材料豐富、可規(guī)?；a等優(yōu)點，其具體工藝為：將竹簾或竹席干燥、施膠，并縱橫交錯鋪裝組坯，再熱壓膠合而成的人造板材[7-8]。學者們嘗試以竹膠板替代木基結構板材作為輕木剪力墻的覆面板材料。Correal 和Varela 等[9-10]采用南美guadua 竹制成的竹膠板作為剪力墻的覆面板，并對墻體進行低周反復加載試驗。結果發(fā)現(xiàn)，竹膠板能有效避免板邊撕裂破壞和釘子穿透面板破壞，但墻體中仍存在大量的釘子拔出破壞，以致其抗側力性能與常規(guī)木基結構板材覆面的輕木剪力墻相差不大。Xiao 等[11]和Li 等[12]將國產毛竹制成的竹膠板用于輕木剪力墻中，也得到了相似的結論。這主要是因為現(xiàn)有研究仍以普通釘子作為面板連接件，由于其較弱的抗彎和抗拔性能，使得墻體破壞模式以釘頭拔出為主，而竹膠板幾乎沒有損傷，難以充分發(fā)揮竹膠板的材性優(yōu)勢，進而導致墻體的抗側力性能并未得到明顯提升。相比之下，自攻螺釘具有優(yōu)異的抗拔性能，且其表面熱處理工藝對提升抗彎屈服強度也有明顯助益，這些均有助于提升雙剪釘連接的力學性能。

大量研究結果表明，輕木剪力墻的抗側力性能主要取決于內部釘連接的力學性能[13-15]。為初步探究竹膠板和自攻螺釘?shù)氖褂脤A板剪力墻抗側力性能的提升效果，本研究對竹膠板雙剪螺釘連接進行單調和低周往復加載試驗，明確其剛度、強度、延性和滯回特性，探究加載方向和竹膠板厚度變化對其力學性能的影響，分析其累積損傷，結果可為后續(xù)竹膠板夾板剪力墻的數(shù)值模擬研究提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

根據(jù)夾板剪力墻的實際構造，墻體內部的連接節(jié)點為墻骨—墻板—墻骨的雙剪連接形式。為能準確反應雙剪連接在夾板剪力墻中的連接特性，本試驗所用材料與實際墻體一致，包括竹膠板、墻骨、自攻螺釘。所采用的墻骨為北美進口No.2級SPF 規(guī)格材，截面尺寸為38 mm×89 mm，實測平均含水率約為12%。由于竹膠板生產厚度標準不一，本試驗依據(jù)木基結構板材的常規(guī)尺寸選取了9.5、12.5、15.5 mm 3 種厚度的竹膠板。竹膠板含水率約10%，氣干密度為0.78 g/cm3,彈性模量約為9 200 MPa，靜曲強度約為95 MPa，由諸暨市光裕竹業(yè)有限公司提供。自攻螺釘由上海美固緊固件有限公司提供，內徑3.5 mm，外徑5.2 mm，長度為80 mm，抗彎屈服強度不小于1 000 Mpa（廠家提供），可彎折角度不低于45°，用手持電鉆攻入。

1.2 試件設計與制作

當夾板剪力墻受面內水平荷載作用時，墻體內各雙剪連接節(jié)點的荷載方向與墻骨木紋方向夾角均不相同。為此，本試驗設計了6 組竹膠板雙剪螺釘連接試件，考慮了垂直和平行于墻骨木紋的兩種加載方向變化，分別對應于橫紋加載和順紋加載（表1），其中S 指自攻螺釘，PB 指竹膠板，PE 指橫紋加載方向，PA 指順紋加載方向；另外，還考慮了9.5，12.5和15.5 mm 3種竹膠板厚度變化。每組試件均進行單調加載和低周反復加載，且各包含8 個重復試件。所有試件均采用單螺釘連接形式，即將自攻螺釘依次鉆入墻骨—竹膠板—墻骨，形成帶有兩個剪切面的竹膠板雙剪螺釘連接。為節(jié)省材料并便于試驗機加載，截取的墻骨柱長度為250 mm，竹膠板平面尺寸為150 mm×250 mm，自攻螺釘距竹膠板端50 mm，具體構造如圖1所示。另外，作為對比，本試驗還對以15.5 mm厚定向刨花板（OSB）作為中心夾板的雙剪螺釘連接試件進行單調加載試驗，其構造尺寸與竹膠板雙剪螺釘試件相同。

圖1 各組試件構造圖Fig.1 Specimen geometry

表1 各組試件的構造參數(shù)Table 1 Structural parameters of each group of specimens

1.3 試驗裝置與加載方式

本次試驗在30 kN 量程的深圳三思力學試驗機上進行，如圖2所示。試驗機的上夾具在竹膠板頂部中心位置處夾緊并沿豎直方向施加荷載，其內側布有卡齒，擰緊后可避免竹膠板滑動。試件的墻骨部分通過2 塊鋼壓條和4 根14 mm 直徑的鋼桿固定在預制的鋼工作平臺上，平臺上表面預留了20 mm×180 mm 的條形孔槽，以便在低周反復加載時竹膠板能夠自由上下移動；平臺底部與試驗機底座連接固定。在竹膠板一側固定一塊角鋼，并采用兩個位移計（LVDT）對稱布置于角鋼兩端，同時測量竹膠板與墻骨之間的相對位移，最終取二者的平均值作為實際的位移數(shù)據(jù)。荷載數(shù)據(jù)通過試驗機采集，采樣頻率為50 Hz，與位移計同步。

圖2 加載示意圖Fig.2 Loading diagram

單調加載制度參照ASTM D1761—12[16]標準，以5 mm/min 速率對試件進行單調加載，當承載力下降至極限荷載的50%或發(fā)生明顯破壞時停止。低周往復加載試驗參照ASTM E2126—11 Method B[17]標準進行兩階段位移控制加載：第1 階段以單調加載試驗的破壞位移（荷載下降到極限荷載80%時對應的位移）作為控制位移Δm，依次進行幅值為1.25%Δm、2.5%Δm、5%Δm、7.5%Δm和10%Δm的單次循環(huán)加載；第2 階段分別以20%Δm、40%Δm、60%Δm、80%Δm、100%Δm和120%Δm為幅值各進行3 個循環(huán)加載，直至試件出現(xiàn)明顯破壞；兩個階段加載速率均保持在2 mm/min。

2 結果與分析

2.1 單調加載

竹膠板雙剪螺釘連接在單調荷載作用下的破壞模式與竹膠板厚度有關。當夾板厚度較小（即9.5 mm）時，竹膠板雙剪螺釘連接試件主要表現(xiàn)為板邊撕裂破壞（圖3a），自攻螺釘無明顯彎曲現(xiàn)象；當夾板厚度增加到15.5 mm 時，試件表現(xiàn)為螺釘頭拔出破壞，自攻螺釘彎曲明顯（圖3b），并對釘頭一側的墻骨造成局部撕裂破壞；夾板厚度為12.5 mm 的試件中同時存在上述兩種破壞模式。值得注意的是，9.5 mm 和12.5 mm 部分試件中出現(xiàn)了釘子剪斷的破壞模式（圖3c），這種非預期的破壞模式與自攻螺釘受到拉力、剪力和彎矩共同作用時的復雜應力狀態(tài)有關。橫紋加載試件組的破壞模式與對應順紋加載試件組的破壞模式基本相似，表明加載方向的變化不改變竹膠板雙剪螺釘連接的破壞模式。在OSB 板雙剪螺釘連接試件中，OSB 板受自攻螺釘擠壓而出現(xiàn)持續(xù)性承壓破壞，最終發(fā)展成板邊撕裂，自攻螺釘卻無明顯彎曲變形。

圖3 單調加載試件的破壞形態(tài)Fig.3 Failures under monotonic loading

圖4為各組單調加載試件的荷載-位移曲線，其中粗虛線表示荷載-位移平均曲線。從圖4可以看出，竹膠板雙剪螺釘連接的具有明顯的非線性特征，且表現(xiàn)出一定的離散性。根據(jù)荷載-位移曲線，可得到各組試件的彈性剛度K、極限承載力Pmax、極限位移ΔPmax、屈服位移Δy、破壞位移Δf以及延性系數(shù)η等力學性能指標，如表2所示，其中：彈性剛度K取各組試件平均荷載-位移曲線的10%Pmax和40%Pmax兩點的割線斜率；Pmax及ΔPmax取自平均荷載-位移曲線上的峰值點；屈服位移Δy根據(jù)5%直徑平移法得到[18]；破壞位移Δf取荷載下降至80%Pmax時所對應的位移；延性系數(shù)η取破壞位移與屈服位移之比。

表2 單調加載試驗結果Table 2 Results for monotonic tests

圖4 單調加載試件的荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves under monotonic loading

國內外學者們也圍繞雙剪釘連接開展了一系列試驗研究，但大多采用木基結構板材和普通釘子分別作為中心夾板和連接件。在試件構造相似且試驗條件相同的情況下，本文中橫紋加載的竹膠板雙剪螺釘連接試件S-PB-12.5-PE、S-PB-15.5-PE 的極限承載力分別比文獻[4]中OSB 板雙剪釘連接試件DSN12.5-PE-50、DSN15.5-PE-50 高75.5%和77.5%，順紋加載竹膠板雙剪螺釘連試件S-PB-12.5-PA、S-PB-15.5-PA 的極限承載力分別比文獻[4]中試件DSN12.5-PE-50、DSN15.5-PE-50高出72.4%和81.7%。文獻[19]對以加拿大軟木板和圓釘制作的雙剪釘連接試件進行了單調和低周往復加載試驗，所得到的極限承載力不足本研究中竹膠板雙剪螺釘連接的一半。另外，與OSB雙剪螺釘連接試件S-OSB-15.5-PE 和S-OSB-15.5-PA 相比，竹膠板雙剪螺釘連接試件S-PB-15.5-PE和S-PB-15.5-PA 的極限承載力仍分別高出58.1%和49.3%。由此可見，竹膠板雙剪螺釘連接的承載能力顯著高于以常規(guī)木基結構板材和圓釘制作的雙剪釘連接，這主要得益于以下兩方面：1）竹膠板較高的硬度和強度有效避免了銷槽承壓破壞；2）自攻螺釘?shù)母呖拱涡阅芴嵘恕袄K索效應”[20]對承載力的貢獻。

2.2 低周往復加載

在低周往復加載試驗中，竹膠板雙剪螺釘連接的破壞模式以自攻螺釘?shù)臄嗔哑茐臑橹鳎衲z板和SPF 墻骨中僅存在輕微的壓潰現(xiàn)象。究其原因，一方面是因為在低周往復荷載作用下試件中的損傷更容易積累和發(fā)展，另一方面是由于加載制度中過多的循環(huán)次數(shù)使得自攻螺釘極易因彎曲疲勞而出現(xiàn)斷裂。現(xiàn)有的釘連接試驗研究[19,21]中也普遍存在類似的破壞現(xiàn)象，可見連接件的彎曲疲勞性能對連接節(jié)點在往復荷載下的力學性能有著不可忽視的影響。因此，建議將彎曲疲勞強度作為評價銷軸類連接件力學性能的一項重要指標。

圖5 低周往復加載試件的破壞形態(tài)Fig.5 Failures under cyclic loading

滯回曲線不僅反映了試件在往復加載過程中的剛度退化、強度退化及能量耗散特性，也為后續(xù)的損傷分析提供基礎數(shù)據(jù)。各組試件的平均滯回曲線及骨架曲線如圖6所示。依據(jù)與前述單調加載試驗中相同的方法，從骨架曲線中分別提取出正、負方向的彈性剛度K、極限承載力Pmax、極限位移ΔPmax、屈服位移Δy、破壞位移Δf以及延性系數(shù)η等力學性能指標，以各項指標的正、負向平均值作為分析依據(jù)，如表3所示。

圖6 低周反復加載試件的平均滯回曲線Fig.6 Average hysteretic curves under cyclic loading

表3 低周往復加載試驗結果Table 3 Results for cyclic tests

對比表2～3 可以看出，低周往復加載試件的極限承載力比單調加載試件降低了6.3%～34.2%，此外極限位移和延性系數(shù)也分別下降49.6%～73.4%和28.3%～67.6%，這主要是因為低周反復加載試件過早地發(fā)生了自攻螺釘疲勞斷裂破壞，以致竹膠板雙剪螺釘連接的承載能力和變形能力未能得到充分發(fā)揮。低周往復加載試件的彈性剛度是單調加載試件的2.3～3.7 倍，作者認為這可能與自攻螺釘在往復加載過程中的殘余變形有關。因為，彈性剛度反映了竹膠板雙剪螺釘連接在加載初期小變形階段的荷載-位移關系，而它對自攻螺釘、竹膠板與SPF 墻骨之間的接觸屬性極為敏感。

3 累積損傷分析

累積損傷指數(shù)可用于評估地震或沖擊荷載對構件或建筑物所造成的累積損傷。為此，采用Kraetzig 等[22]提出的基于能量的損傷模型對低周反復荷載作用下的竹膠板雙剪螺釘連接進行累積損傷分析，以便于后續(xù)進一步評估竹膠板夾板剪力墻在地震作用下的結構損傷。為表現(xiàn)首次超越破壞和小幅累積損傷的雙重作用[23]，Kraetzig 損傷模型中引入了主半循環(huán)（Primary half cycle）和從半循環(huán)FHC（Follower half cycle）的概念。以正向加載為例，在給定位移等級下，第一循環(huán)的正向加載階段稱為主半循環(huán)（PHC），到達峰值后卸載階段的部分稱為從半循環(huán)（FHC），如圖7所示；負向加載部分同理。Kraetzig 模型的正負損傷指數(shù)D+和D-分別根據(jù)公式（1）～（2）進行計算：

圖7 主半循環(huán)和從半循環(huán)Fig.7 PHC and FHC

根據(jù)公式（3）計算出各組試件的平均損傷指數(shù)，并繪制累積損傷曲線，如圖8所示。從圖8可以看出，各組竹膠板雙剪螺釘連接試件有著較為相似的損傷累積過程，具體描述為：在第4 循環(huán)之前，損傷指數(shù)極小，各組試件在此階段幾乎未發(fā)生損傷；隨后，各組試件的累積損傷指數(shù)曲線幾乎呈線性增長趨勢，局部壓潰、螺釘彎曲等損傷相繼發(fā)生；各組試件在第16 個循環(huán)（80%Δm）時發(fā)生失效，此時自攻螺釘發(fā)生疲勞剪斷破壞；試件失效后，累積損傷曲線理論上應無限趨近于1，但由于此時竹膠板與SPF 墻骨間仍存在造成較大摩擦力（螺釘端頭刮擦所致），以致后續(xù)加載循環(huán)中的損傷指數(shù)超過1。

圖8 各組試件的累積損傷指數(shù)Fig.8 Cumulative damage index of specimens

在低周反復加載過程中，竹膠板雙剪螺釘連接試件先后出現(xiàn)了竹膠板與木材的局部撕裂、自攻螺釘彎曲、自攻螺釘疲勞斷裂等試驗現(xiàn)象。綜合試驗現(xiàn)象和累積損傷分析結果，將竹膠板雙剪螺釘連接的損傷劃分為基本完好、輕微損傷、中度損傷、嚴重損傷和失效五種等級[24]，并建立損傷指數(shù)與觀測損傷之間的對應關系，如表4所示。

表4 竹膠板雙剪螺釘連接試件損傷指數(shù)與觀測損傷之間的對應關系Table 4 Relationship between damage index and observed damage of PSDSS connections

4 結 論

對6 組竹膠板雙剪螺釘連接進行了單調加載和低周反復加載試驗，分析了竹膠板厚度和加載方向變化對其破壞模式、彈性剛度、強度、延性系數(shù)等力學特性的影響，探究了損傷的累積規(guī)律，得到以下主要結論：

1）盡管竹膠板雙剪螺釘連接不能完全避免板邊撕裂和螺釘拔出破壞，但已充分利用了自攻螺釘?shù)母呖箯澓涂拱涡阅?，所表現(xiàn)出的極限承載力比由常規(guī)木基結構板材和圓釘制作的雙剪釘連接高72.4%以上，表明采用竹膠板和自攻螺釘來提升夾板剪力墻抗的側力性能是可行的。

2）增大竹膠板厚度有益于提升雙剪螺釘連接的極限承載能力，但對彈性剛度的影響并未表現(xiàn)出顯著規(guī)律。橫向加載試件的極限承載力比順紋加載時高17.2%～19.8%，對彈性剛度的影響不大。

3）在往復荷載作用下，竹膠板雙剪螺釘連接中的自攻螺釘易過早發(fā)生彎曲疲勞剪斷，以致其極限承載力、極限位移和延性系數(shù)分別比單調加載時低6.3%～34.2%、49.6%～73.4% 和28.3%～67.6%，故建議將彎曲疲勞強度作為評價銷軸類連接件力學性能的一項重要指標。

4）綜合試驗損傷觀測和累積損傷指數(shù)（D），將竹膠板雙剪螺釘連接的損傷劃分為5 個等級：基本完好（D＜0.10）、輕微損傷（0.10≤D＜0.20）、中度損傷（0.20 ≤D＜0.60）、嚴重損傷（0.60 ≤D＜0.80）和失效（D＞0.80）。

盡管本試驗研究中的竹膠板雙剪螺釘連接試件考慮了板厚和加載方向的變化，但其力學特性無法完全反映竹膠板夾板剪力墻的抗側力性能。因此，為進一步揭示竹膠板和自攻螺釘?shù)氖褂脤A板剪力墻抗側力性能的提升效果，后續(xù)還需開展足尺墻體的抗側力試驗和數(shù)值模擬研究。