緊固件數(shù)量對CLT鋼木連接節(jié)點性能的影響?

鐘淼麟 李 靜 強智森 胡憲睿

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641）

近年來，我國高度重視生態(tài)文明建設(shè)和節(jié)能減排，積極推動建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。隨著國內(nèi)林業(yè)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，木結(jié)構(gòu)建筑重新煥發(fā)生機，國內(nèi)外學(xué)者積極推動木結(jié)構(gòu)新結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展[1]。正交膠合木（以下簡稱CLT）是一種由至少三層實木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材在層與層之間正交組坯膠合而成的預(yù)制實心工程木板，因其具有較高的尺寸穩(wěn)定性和承載力，被廣泛應(yīng)用于重型木結(jié)構(gòu)的墻、板等構(gòu)件[2]。近年來CLT結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件性能得到了大量研究，盧布爾雅那大學(xué)（the University of Liubljana, Slovenia）對CLT墻體系統(tǒng)進行了單調(diào)加載和循環(huán)加載試驗以充分探究其結(jié)構(gòu)性能，該試驗包括改變CLT墻的錨固方式[3]、采用不同的豎向荷載與邊界條件[4]及不同的洞口尺寸[5]。由IVALSA（Institute of the National Research Council） 主導(dǎo)的SOFIE項目對CLT的結(jié)構(gòu)性能進行了全面且深入的研究，包括CLT墻體系統(tǒng)的抗側(cè)向力測試[6]、三層CLT足尺結(jié)構(gòu)振動臺試驗[7]和七層CLT足尺結(jié)構(gòu)振動臺試驗[8]。加拿大的FPInnovations也對CLT墻體的結(jié)構(gòu)性能進行了一系列研究[9-12]。這些研究表明，CLT結(jié)構(gòu)的變形主要產(chǎn)生于金屬連接節(jié)點的彎曲和滑移而不是木材的撕裂破壞。在CLT結(jié)構(gòu)中，一般采用抗拔件和角鋼使基礎(chǔ)與CLT墻、CLT墻與CLT板連成一個整體，這些連接節(jié)點均為耗能節(jié)點，決定了CLT結(jié)構(gòu)的整體耗能能力與抗震能力[13-15]。因此對該類型連接節(jié)點的力學(xué)性能研究成為了熱點。本文通過對以抗拔件、角鋼為連接件的CLT連接節(jié)點進行大量的單調(diào)與循環(huán)加載試驗[16-21]，分析其力學(xué)性能及破壞機制，為CLT結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供更多有效的改進方案。

目前關(guān)于CLT結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的研究中，角鋼連接件中的緊固件數(shù)量（如環(huán)紋釘）一般為12 個，并無相關(guān)研究說明緊固件數(shù)量對其力學(xué)性能的影響。如上所述，以角鋼為連接件的連接節(jié)點決定著CLT結(jié)構(gòu)的耗能能力[22-24]?；诖?，本文進行了以角鋼為連接件的CLT鋼木連接節(jié)點試驗，通過改變連接節(jié)點中緊固件數(shù)量，分別在平行于木紋方向和垂直于木紋方向（以CLT最外層層板紋路為準(zhǔn)）進行剪力單調(diào)加載試驗，分析緊固件數(shù)量對鋼木連接節(jié)點的力學(xué)性能如初始剛度、屈服強度、最大承載力、極限強度、延性等的影響，為今后研究鋼木連接節(jié)點對CLT結(jié)構(gòu)抗震性能的影響提供試驗基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗主要材料有：1）五層CLT層板：層板材料為歐洲云杉，等級C24，尺寸為450 mm×600 mm，板厚為140 mm（40-20-20-20-40），如圖1 所示；2）角鋼：尺寸為60 mm×160 mm×120 mm，厚度3 mm，由廈門固捷五金制品有限公司生產(chǎn)，如圖2 所示；3）螺栓：直徑為12 mm，等級8.8；4）緊固件：釘長為60 mm的環(huán)紋釘，環(huán)紋增強釘?shù)目拱瘟?，釘帽有利于增強延性，由辛普森公司（Simpson Strong-Tie）生產(chǎn)，如圖3 所示。

圖1 CLT層板Fig. 1 Cross-laminated timber

圖2 角鋼Fig. 2 Angle bracket

圖3 環(huán)紋釘Fig. 3 Annular-ringed shank nails

1.2 試驗裝置

試驗裝置由煙臺新天地試驗技術(shù)有限公司生產(chǎn)。如圖4 所示，CLT墻通過環(huán)紋釘與角鋼連接，而角鋼與鋼板通過4 個螺栓連接，每個CLT樣板均未進行預(yù)鉆孔。試驗裝置還包含電動伺服系統(tǒng)、DH3816N靜態(tài)應(yīng)變儀、位移傳感器。電動伺服系統(tǒng)用于控制試驗的加載過程，DH3816N靜態(tài)應(yīng)變儀用于采集在加載過程中的位移-力曲線數(shù)據(jù)，位移傳感器用于測量鋼木連接節(jié)點在剪力方向的位移，并在基礎(chǔ)鋼板上方安裝了4 個“L”型鋼板，在CLT板上方設(shè)置了滑動導(dǎo)軌以避免平面外彎矩對試驗的影響。

圖4 試驗裝置示意圖Fig. 4 Experimental setups

1.3 加載方案

本試驗采用位移控制的單調(diào)加載連續(xù)方式。根據(jù)EN 1382Timber Structures-Test methods-Withdrawal capacity of timber fasterners標(biāo)準(zhǔn)，控制實驗室相對濕度在（65±5）%、溫度為（20±2） ℃范圍內(nèi)。單調(diào)加載方案采用EN 26891Timber structures-Joints made with mechanical fasteners-General principles for thedetermination of strength and deformation characteristics(ISO 6891:1983)標(biāo)準(zhǔn)，通過CEN. EN 1995-1-1. Eurocode 5:Design of timber structures-Part 1-1: General-Common rules and rules for buildings中的計算模型估算試驗連接節(jié)點的最大承載力（Fest），用于確定在加載初期時卸載的點位0.40Fest，卸載至0.10Fest后繼續(xù)單調(diào)加載直至連接節(jié)點破壞，節(jié)點破壞狀態(tài)定義為節(jié)點最大承載力的80%。加載速率設(shè)置在0.05～0.2 mm/s范圍內(nèi)，控制整個單調(diào)加載過程所需時間不超過15 min。

1.4 試件說明

基于目前應(yīng)用于CLT結(jié)構(gòu)中角鋼緊固件數(shù)量基本為12 個，本試驗角鋼中設(shè)置數(shù)量為6、9、12、15、18個緊固件。所有連接節(jié)點在承擔(dān)剪力荷載下分別在平行于木紋方向和垂直于木紋方向進行單調(diào)加載試驗，每一類型為5 個試件，試件共計50 個。試件命名規(guī)則為：“S”代表平行于木紋方向，“P”代表垂直于木紋方向，“M”代表單調(diào)加載，“S”后面的數(shù)字代表緊固件數(shù)量，“M”后面的數(shù)字代表試件編號。如S9M2 表示緊固件為9 個、平行于木紋方向單調(diào)加載的第二個試件。

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞現(xiàn)象

分別對不同緊固件數(shù)量的鋼木連接節(jié)點在平行和垂直于木紋方向下進行剪力單調(diào)加載試驗。對于每一節(jié)點，在加載初期，試件均未出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，當(dāng)所受剪力荷載達到極限荷載約45%時，木材發(fā)出脆裂聲，此時連接節(jié)點處雖無可見裂縫，但可觀察到角鋼“L”形處翹起。不同類型的節(jié)點在達到極限荷載時的破壞現(xiàn)象有差異。如圖5 所示，在平行于木紋和垂直于木紋方向上，當(dāng)緊固件數(shù)量較少時，節(jié)點的主要變形源于環(huán)紋釘與木材銷槽的相互作用，角鋼變形較小；隨著緊固件數(shù)量的增加，所能承受的剪力荷載增大，通過螺栓連接至底部鋼板基座的角鋼底部由于受到約束限制，不能產(chǎn)生水平移動，而是向上傾斜，這由上部角鋼傳遞的拉力所致，基于上述原因，角鋼底部的“L”形處伸展程度越大，節(jié)點極限位移也相應(yīng)增大。

在平行于木紋方向，不管緊固件數(shù)量多少，CLT板均未出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象；在垂直于木紋方向，當(dāng)節(jié)點緊固件數(shù)量較少時，木基無破壞現(xiàn)象，而當(dāng)緊固件為15 個或18 個時，可以明顯看到CLT板最外層層板發(fā)生撕裂破壞，這是因為CLT局部層板由環(huán)紋釘傳遞至銷槽的壓力達到了銷槽承壓強度。由于角鋼上一側(cè)環(huán)紋釘嵌入木基，另一側(cè)環(huán)紋釘有拉伸趨勢，因此可觀察到角鋼產(chǎn)生一定的平面外扭轉(zhuǎn)變形。如圖5 g所示，在加載過程中，緊固件的破壞形態(tài)主要包括釘帽的彎剪破壞和環(huán)紋釘?shù)膹澢冃?，主要原因是角鋼孔洞直徑? mm，環(huán)紋釘直徑為4 mm，直徑相差1 mm，導(dǎo)致連接節(jié)點在加載前，每個環(huán)紋釘與角鋼的緊貼度有所不同，環(huán)紋釘在加載過程中受力不均，局部環(huán)紋釘所承受的剪力達到了其截面的抗剪承載力因而發(fā)生斷釘，而有些環(huán)紋釘出現(xiàn)2 個明顯的塑性鉸，有些環(huán)紋釘則基本無變形的現(xiàn)象。

圖5 鋼木連接節(jié)點破壞Fig. 5 Failure of steel-to-timber connections

2.2 荷載-位移曲線

每次試驗均記錄CLT板與基礎(chǔ)鋼板在剪力方向的相對位移，確定節(jié)點的荷載-位移曲線。圖6 和圖7 分別為節(jié)點在垂直于木紋方向和平行于木紋方向時，緊固件為18 個時的連接節(jié)點全部荷載-位移曲線。

圖6 垂直于木紋方向環(huán)紋釘為18 個時的鋼木連接節(jié)點荷載-位移曲線Fig. 6 The load-displacement curve of steel-to-timber connections perpendicular to the direction of the grain with the annular-ringed shank nails number of 18

圖7 平行于木紋方向環(huán)紋釘為18 個時的鋼木連接節(jié)點荷載-位移曲線Fig. 7 The load-displacement curve of steel-to-timber connections parallel to the direction of the grain with the annular-ringed shank nails number of 18

由圖可見，個別試件因孔徑差導(dǎo)致在加載初期時產(chǎn)生空載，出現(xiàn)一定的滑移現(xiàn)象；緊接著節(jié)點荷載與位移成線性增加，處于彈性工作狀態(tài)；隨著位移的增大，荷載與位移成非線性增加，此時可觀察到角鋼中靠近剪力加載一側(cè)的環(huán)紋釘被拔出一定長度并發(fā)生彎曲變形；在達到最大荷載后，因環(huán)紋釘受力不均，部分環(huán)紋釘釘帽首先達到載力極限狀態(tài)發(fā)生釘帽彎剪破壞，其余環(huán)紋釘則繼續(xù)承受剪力荷載。試件的荷載-位移曲線在破壞階段呈現(xiàn)周期性的上下波動。

2.3 節(jié)點性能分析

根 據(jù)EN 12512Timber Structures – Test methods –Cyclic testing of joints made with mechanical fasteners.Comité Européen de Normalisation的 標(biāo) 準(zhǔn) 程 序，采 用“方式b”對試驗數(shù)據(jù)進行分析，得出鋼木連接節(jié)點的相關(guān)力學(xué)性能如初始彈性模量（kser）、屈服荷載（Fy）、最大荷載（Fmax）、極限荷載（Fu）、屈服位移（Vy）、最大荷載對應(yīng)位移（Vmax）、極限位移（Vu）、延性比（Duct）等，每一類型連接節(jié)點的力學(xué)性能取其平均值（u）和變異系數(shù)COV[σ]。

2.3.1 節(jié)點性能共性分析

表1 和表2 所示分別為垂直于木紋方向和平行于木紋方向的鋼木連接節(jié)點力學(xué)性能。由表中數(shù)據(jù)可知，由于材料、試驗裝置和試驗操作具有一定的差異性，試驗結(jié)果具有一定的離散型，但其變異系數(shù)均小于0.15，說明數(shù)據(jù)可靠。隨著緊固件數(shù)量的增加，無論是垂直于木紋方向還是平行于木紋方向，連接節(jié)點的初始剛度、屈服荷載、最大荷載、極限荷載增大，其對應(yīng)的位移也相應(yīng)增大，如在垂直于木紋方向，緊固件為6、9、12、15、18 個時，連接節(jié)點的最大荷載分別為21.85、31.12、33.84、42.12、50.05 kN，其對應(yīng)的位移分別為13.43、17.59、16.68、20.35、21.98 mm；在 平 行于木紋方向，緊固件為6、9、12、15、18 個時，連接節(jié)點的最大荷載分別為23.97、36.79、39.88、46.99、54.38 kN，其對應(yīng)的位移分別為17.48、18.70、23.63、26.62、28.25 mm。連接節(jié)點的變形主要有環(huán)紋釘?shù)膹澕糇冃?、木材銷槽承壓變形、角鋼彎曲變形3 部分組成。在達到破壞時，每一類型的環(huán)紋釘、木材變形基本一致，但環(huán)紋釘數(shù)量越多，節(jié)點承受的荷載也越大，角鋼彎曲變形增大，對應(yīng)的位移也增大。這也使得節(jié)點的延性性能和耗能能力增大。在節(jié)點的延性比上，以垂直于木紋方向時為例，緊固件數(shù)量為6、9、12、15、18 個，對應(yīng)的延性比分別為1.65、1.74、2.13、2.16、2.19，延性比越大，能量耗散的能力也越強，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震能力也越強，因此在CLT設(shè)計時建議采用緊固件數(shù)量較多的連接節(jié)點以提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

2.3.2 節(jié)點性能差異分析

對比表1 和表2 數(shù)據(jù)，得出鋼木連接節(jié)點在垂直于木紋方向和平行于木紋方向力學(xué)性能差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）相同緊固件數(shù)量的節(jié)點垂直于木紋方向的初始剛度比平行于木紋方向的初始剛度大，但數(shù)值相差不大，緊固件數(shù)量為6、9、12、15、18個時分別相差9.5%、2.9%、0.7%、2.9%、4.1%，需注意的是，在CEN.EN 1995-1-1.Eurocode 5中，適用于實木或?qū)咏荒z合木等木制品的鋼木連接節(jié)點初始剛度計算方式是隨著緊固件的增加呈線性增加，從表中數(shù)據(jù)可知該計算方式并不適用于CLT連接節(jié)點。

2）相同緊固件數(shù)量的節(jié)點在平行于木紋方向的屈服強度、最大強度、極限強度大于垂直于木紋方向，緊固件數(shù)量為6、9、12、15、18個的節(jié)點最大強度分別相差8.84%、15.40%、15.14%、10.36%、7.96%，緊固件數(shù)量在9、12個時，兩者數(shù)值相差較大。在CEN. EN 1995-1-1.Eurocode 5中采用歐洲屈服理論計算鋼木節(jié)點的承載力，該標(biāo)準(zhǔn)建議在緊固件直徑小于8 mm時不考慮木紋方向的影響?；诖?，后續(xù)需完善CLT結(jié)構(gòu)基于承載力設(shè)計方法[25]中強度增大系數(shù)γRd的計算方式，以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)確性。

3）木材順紋受壓時，木纖維受壓屈曲，而在橫紋方向缺少纖維聯(lián)系，木材在順紋方向具有更強的塑形變形能力，因此平行于木紋方向的連接節(jié)點的屈服位移、最大荷載對應(yīng)位移、極限位移均大于垂直于木紋方向。如表1 和表2 所示，當(dāng)緊固件為18 個時，平行于木紋的節(jié)點極限位移為35.96 mm，垂直于木紋的節(jié)點極限位移為28.96 mm，兩者相差為7.00 mm。

表1 垂直于木紋方向的鋼木連接節(jié)點力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of steel-to-timber perpendicular to the grain direction

表2 平行于木紋方向的鋼木連接節(jié)點力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of steel-to-timber parallel to the grain direction

4）當(dāng)緊固件數(shù)量相同時，平行于木紋方向的節(jié)點延性比大于垂直于木紋方向的節(jié)點延性比，耗能能力更強。當(dāng)緊固件數(shù)量較小時，其對垂直于木紋方向的節(jié)點延性比影響較為顯著，當(dāng)緊固件數(shù)量大于12 個時，節(jié)點延性比趨于平緩；而緊固件數(shù)量在6～18 個時，其對平行于木紋方向的節(jié)點延性比影響均較為顯著。

3 結(jié)論

1）鋼木連接節(jié)點的主要破壞形式是環(huán)紋釘?shù)尼斆睆澕羝茐那揖植凯h(huán)紋釘形成塑性鉸；隨著緊固件數(shù)量的增加，角鋼“L”形處變形程度越大；在垂直于木紋方向，當(dāng)緊固件數(shù)量大于15 個時，可觀察到最外層CLT層板發(fā)生撕裂破壞。

2）無論是在垂直于木紋方向還是平行于木紋方向，CLT鋼木連接節(jié)點的初始剛度、屈服荷載、最大荷載、極限荷載及其對應(yīng)的位移均隨著緊固件的增加而增大。

3）在相同緊固件數(shù)量下，垂直于木紋的節(jié)點初始剛度大于平行于木紋方向的節(jié)點初始剛度；由于順紋具有較強的塑性變形能力，因此平行于木紋的節(jié)點屈服位移、最大強度對應(yīng)位移、極限位移均大于對應(yīng)垂直于木紋的節(jié)點。

4）緊固件數(shù)量對平行于木紋方向的節(jié)點影響顯著，且在相同緊固件數(shù)量下平行于木紋的節(jié)點延性比大于垂直于木紋的節(jié)點延性比，延性性能和耗能能力較強；緊固件數(shù)量越多，節(jié)點的延性比越大，在CLT結(jié)構(gòu)設(shè)計中建議采用緊固件數(shù)量多的連接節(jié)點以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。