一種膠合木構(gòu)件與鋼梁連接節(jié)點的受力性能試驗研究*

孫永良

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司 上海200092

引言

近年來，隨著人民大眾對于建筑個性化的審美需求，也得益于國內(nèi)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)的推廣，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在我國蓬勃發(fā)展［1］。然而，隨著結(jié)構(gòu)高度、跨度等要求的提高，木材本身各項異性的復(fù)雜本構(gòu)關(guān)系，以及受缺陷影響而較低的設(shè)計強(qiáng)度，均對純木結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步應(yīng)用造成了限制。另一方面，鋼結(jié)構(gòu)由于輕質(zhì)高強(qiáng)、延性較好以及易于裝配化施工等優(yōu)勢，多年來在我國得到了廣泛的應(yīng)用。故將木材與鋼材組合，形成鋼木混合結(jié)構(gòu)，不失為一種合理且經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方式。

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的一個突出特點是：“節(jié)點弱而構(gòu)件相對較強(qiáng)”。構(gòu)件“強(qiáng)”體現(xiàn)在“強(qiáng)重比”高［2］，而節(jié)點“弱”體現(xiàn)在連接部位剛度不大，這一問題在鋼木混合結(jié)構(gòu)中同樣值得重視。將木構(gòu)件與鋼構(gòu)件緊密地連接起來，提高節(jié)點的剛度是提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能及保證整體結(jié)構(gòu)安全的有效途徑。

銷式連接是當(dāng)前裝配式木結(jié)構(gòu)以及鋼木混合結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛及便利的連接形式［3］，且大量研究均集中于以螺栓為緊固件的節(jié)點形式上。研究表明，螺栓連接有兩大問題較為突出：1）偏大預(yù)鉆孔導(dǎo)致的初始滑移及初始剛度較低問題；2）橫紋受力引起脆性劈裂從而導(dǎo)致的延性較低問題。

對此，學(xué)者提出了不同的改進(jìn)措施來提升銷式連接的力學(xué)性能［4，5］。He［6］發(fā)明了一種預(yù)應(yīng)力鋼套管螺栓節(jié)點，通過試驗證明了該節(jié)點在初始剛度的提升上具有顯著效果。上述方式都有針對性地解決了銷式連接的偏大預(yù)鉆孔導(dǎo)致的問題。為了解決木節(jié)點中橫紋劈裂的問題，有關(guān)學(xué)者提出橫紋打入自攻螺釘或光圓螺桿的解決方法，并取得了不錯的效果［7，8］。

近年來，采用新型緊固件替代傳統(tǒng)螺栓，再配合鋼插板形成具有較高初始剛度、較大延性的連接形式，正逐漸成為當(dāng)前木-木或鋼-木連接最常用的方式［9］。其中，新型緊固件主要包括自攻螺釘、鋼銷等。這種新型連接的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面：1）與緊固件相同直徑的孔徑消除了初始孔隙帶來的初始滑移，從而保證了節(jié)點的初始剛度；2）新型緊固件通常采用“小直徑，多數(shù)量”的排布思路，提供充足受壓面積的同時保證緊固件更易變形，從而提升節(jié)點的延性。上述兩個方面具有針對性地解決了傳統(tǒng)螺栓連接的兩大關(guān)鍵不足。但針對某新型節(jié)點連接形式，其轉(zhuǎn)動性能、初始剛度、破壞模式及延性等力學(xué)性能及參數(shù)均無從參考，因此本文基于實際鋼木混合結(jié)構(gòu)工程案例，針對其中應(yīng)用的新型鋼-木連接節(jié)點進(jìn)行了擬靜力足尺試驗，旨在研究上述力學(xué)性能及參數(shù)，為工程設(shè)計提供參考。

1 工程背景

工程位于上海市臨港新區(qū)，為一座48m跨度的人行橋，為鋼木混合桁架橋結(jié)構(gòu)，見圖1。橋體的主要承重體系為位于橋面兩側(cè)的各1 榀鋼木桁架結(jié)構(gòu)。桁架上下弦為L形截面鋼構(gòu)件，桁架腹桿為布置在鋼弦桿內(nèi)外兩側(cè)的膠合木構(gòu)件。橋體上部平面也為桁架結(jié)構(gòu)，膠合木構(gòu)件腹桿布置在鋼弦桿的內(nèi)外兩側(cè)。所有膠合木腹桿均采用雙插板-鋼銷連接的方式與鋼弦桿連接，該連接處的鋼木混合節(jié)點的力學(xué)性能尤為關(guān)鍵。在一般鋼結(jié)構(gòu)或木結(jié)構(gòu)采用銷式連接（尤其是螺栓連接）的設(shè)計中，節(jié)點通常被處理為“鉸接”，即偏保守地認(rèn)為其不具備抗轉(zhuǎn)動能力，而事實上，相關(guān)研究指出，這種節(jié)點的抗轉(zhuǎn)動能力應(yīng)當(dāng)介于“固接”與“鉸接”之間，即應(yīng)視為“半剛性”節(jié)點［10］。本工程中，鋼木混合節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度將直接影響結(jié)構(gòu)設(shè)計時對節(jié)點剛度采用假定的合理性，而目前國內(nèi)尚缺乏該種結(jié)構(gòu)形式的工程實例以及這種節(jié)點形式的試驗數(shù)據(jù)供參考。

圖1 結(jié)構(gòu)概況Fig.1 Structure overview

值得強(qiáng)調(diào)的是，在橫向作用（例如風(fēng)、地震等）下，兩側(cè)豎直的木腹桿將分別處于“壓彎”及“拉彎”的復(fù)合受力狀態(tài)，且該受力狀態(tài)對鋼木節(jié)點的轉(zhuǎn)動性能有直接影響。因此，本文試驗考慮軸力與彎矩復(fù)合加載模式，考察節(jié)點在多向受力下的轉(zhuǎn)動性能。

2 試驗設(shè)計

2.1 試件概況

實際木腹桿分別位于L形截面鋼弦桿的內(nèi)側(cè)及外側(cè)兩個位置。同側(cè)木腹桿與上弦及下弦鋼構(gòu)件的連接方式相同，均為雙插板-鋼銷（3 列5 行）連接。據(jù)此設(shè)計了兩種試件形式，分別稱為“內(nèi)框”試件和“外框”試件，其構(gòu)件截面及節(jié)點做法均與實際結(jié)構(gòu)相同，見圖2。同時上下連接節(jié)點做法相同，節(jié)點剛度可認(rèn)為相同，則選取木腹桿的長度約為總高度的一半處，即為反彎點處?！巴饪颉痹嚰啊皟?nèi)框”試件各為3 個。

圖2 試件構(gòu)造及尺寸Fig.2 Detail of specimens

木構(gòu)件為膠合木，選用樹種為歐洲落葉松，全干相對密度580kg／m3，等級GL-28h，對應(yīng)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50005—2017）中TCT28 等級膠合木，抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為28MPa，順紋抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為24MPa。節(jié)點區(qū)緊固件選用STA-en系列光圓銷軸，長度為240mm，直徑為12mm，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為235MPa；節(jié)點區(qū)鋼插板為兩塊，厚度均為8mm，強(qiáng)度等級為Q345qC，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為345MPa。

值得注意的是，本試驗中節(jié)點區(qū)預(yù)鉆孔徑與緊固件直徑相同，均為12mm，旨在考察是否能夠通過消除孔內(nèi)間隙，避免常見螺栓類節(jié)點初始空蕩段的問題。

2.2 加載方案

節(jié)點在實際桁架結(jié)構(gòu)中同時承受軸力及彎矩，故分別設(shè)計了兩種加載裝置。裝置能夠通過兩種不同的布置方式達(dá)到對木構(gòu)件施加壓力與拉力的效果，同時通過側(cè)向作動器在木構(gòu)件上部施加側(cè)向力，從而模擬節(jié)點在實際結(jié)構(gòu)中兩種可能出現(xiàn)的工況，見圖3。

圖3 加載裝置示意Fig.3 Loading equipment

單調(diào)加載試驗參考美國試驗標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1761-88 采用單向勻速（5mm／min）位移控制加載方式，其加載制度如下：（1）采用千斤頂加載至指定軸力并維持；（2）側(cè)向作動器開始加載，加載速度為5mm／min；（3）當(dāng)試件發(fā)生明顯脆性破壞或試驗力降至80%峰值以下時，停止試驗，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

綜上，試件包含桿件布置及受力模式兩個參數(shù)，以下對試件進(jìn)行編號，并將初始軸力大小列于表中，見表1。

表1 試件編號及預(yù)加軸力Tab.1 Specimens number and pre-axial force

2.3 數(shù)據(jù)采集及處理

試驗共布置4 個拉線式位移計（LVDT1 ～LVDT4），記錄控制點處位移量，以便轉(zhuǎn)角、彎矩等物理量計算。針對內(nèi)框試件及外框試件，位移計與節(jié)點區(qū)銷軸群的相對關(guān)系見圖4。

圖4 位移測點布置Fig.4 Plan of displacement measure point

位移計LVDT1、LVDT2、LVDT3 測量節(jié)點區(qū)三點的側(cè)向變形，用于計算節(jié)點區(qū)轉(zhuǎn)角。其中，LVDT1 與底排銷軸處同一高度，LVDT2 與銷軸群幾何中心處同一高度，LVDT3 位于LVDT2 上部320mm 處，記各位移計測得的位移量為δ1、δ2、δ3，記轉(zhuǎn)動中心為C，利用最小二乘法確定C點位置，最后計算轉(zhuǎn)角θ。

同時，節(jié)點區(qū)彎矩應(yīng)考慮二階效應(yīng)。設(shè)置位移計LVDT4 與木構(gòu)件頂部耳板中心處于同一高度，用于記錄木構(gòu)件頂部側(cè)向位移，記為δ4，故節(jié)點區(qū)總彎矩依據(jù)下式計算：

式中：V表示側(cè)向加載試驗力；h表示側(cè)向加載力至轉(zhuǎn)動中心C的豎直距離；N表示軸力。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗現(xiàn)象及破壞模式

首先對木構(gòu)件進(jìn)行軸力加載，加載完畢后，測得木構(gòu)件整體下降或上升約10mm，可推斷節(jié)點區(qū)銷軸與銷槽孔已緊密貼合，其他裝置之間已無空隙，這一過程中木構(gòu)件沒有產(chǎn)生明顯裂紋，且沒有發(fā)出開裂聲音。

壓彎及拉彎試驗中，側(cè)向加載開始后至屈服點之前，未觀察到各試件出現(xiàn)明顯開裂；加載至屈服點后，試件內(nèi)部開始發(fā)出較小聲響，同時觀察到節(jié)點區(qū)靠近角部的銷軸附近，沿順紋方向開始出現(xiàn)裂紋，表明節(jié)點區(qū)開始出現(xiàn)內(nèi)部微裂紋，且內(nèi)力開始重分布，節(jié)點進(jìn)入塑性階段。

隨著加載持續(xù)進(jìn)行，轉(zhuǎn)角持續(xù)增大，節(jié)點區(qū)角部銷軸附近的裂紋逐漸擴(kuò)展至沿整列銷軸開展，表明節(jié)點的塑性持續(xù)發(fā)展。當(dāng)加載至極限承載力時，節(jié)點區(qū)發(fā)出較大的劈裂聲響，節(jié)點處一至兩條較大的劈裂裂紋延伸至節(jié)點區(qū)上部。

試件典型破壞現(xiàn)象見圖5。相比于壓彎試件，拉彎試件的破壞裂紋更加明顯，分析其主要原因為拉彎試件受到端距影響，在復(fù)雜的多向受力作用下，滿足規(guī)范最低要求的端距設(shè)計具有一定安全隱患。

圖5 典型試件節(jié)點區(qū)破壞現(xiàn)象Fig.5 Typical damage of specimens connection area

對比發(fā)現(xiàn)，拉彎試件破壞時，變形不僅限于銷軸群角部，中部銷槽變形同樣較大，亦產(chǎn)生劈裂裂紋。分析其主要原因為：隨著加載的進(jìn)行，對于壓彎加載試件，軸壓力逐漸減小，對于拉彎加載試件，軸拉力不斷增大，因此在加載末期，壓彎試件的軸力已較小，接近于純彎破壞，故裂紋出現(xiàn)于銷軸群角部，而拉彎試件的軸力與彎矩均處于較高水平，故靠近銷軸群中心的銷軸同樣受到較大的內(nèi)力作用。

試驗結(jié)束后，剖開節(jié)點區(qū)觀察，發(fā)現(xiàn)節(jié)點板無明顯變形，受力較大的銷軸發(fā)生了明顯的彎曲，見圖6。結(jié)合試件破壞時節(jié)點區(qū)的劈裂裂紋，可總結(jié)本試驗中，節(jié)點以銷軸產(chǎn)生塑性鉸為屈服模式，最終破壞伴隨木材的橫紋劈裂。

圖6 節(jié)點板及銷軸破壞現(xiàn)象Fig.6 Damage of connection plate and dowels

3.2 試驗曲線分析

試驗得到各節(jié)點力-位移加載曲線，依據(jù)2.3節(jié)所述方法換算為彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，見圖7。圖中，將軸力的實時變化曲線同步呈現(xiàn)。

圖7 各試件彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.7 Moment-rotation curve

對比壓彎試件及拉彎試件，發(fā)現(xiàn)加載過程中，壓彎試件的軸力不斷減小，拉彎試件的拉力不斷增大，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生與試驗的加載機(jī)制有關(guān)。具體來看，隨著側(cè)向作動器的加載，木構(gòu)件頂部的空間逐漸增大，故壓彎加載中軸壓力無法包含兩部分原因：1）節(jié)點在雙向變化受力狀態(tài)下，節(jié)點區(qū)應(yīng)力復(fù)雜，木材內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫導(dǎo)致承載力下降，應(yīng)力重分布后承載力得以回升；2）木構(gòu)件傾斜后，頂面與反力架橫梁的間距變大，千斤頂維持軸力具有一定滯后性。上述現(xiàn)象不影響節(jié)點的極限承載力大小，且由于已處于屈服階段，不影響節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度計算。

對比圖7a、b、c、d 發(fā)現(xiàn)，所有試件達(dá)到屈服點時的轉(zhuǎn)角變形與彎矩值接近。但對比圖7a 和7b，“壓彎-內(nèi)框”試件的峰值承載力明顯高于“壓彎-外框”試件。分析其原因：1）各試件節(jié)點區(qū)銷維持，而拉彎加載中，由于長螺桿的作用，拉力不斷增大。

觀察壓彎及拉彎試驗曲線，沒有出現(xiàn)初始滑移段，達(dá)到了節(jié)點設(shè)計及施工中消除空蕩段的設(shè)想。試驗曲線總體呈現(xiàn)出三個發(fā)展階段：彈性階段、塑性階段、破壞階段：1）各試件彎矩-轉(zhuǎn)角曲線于屈服點之前，彎矩與轉(zhuǎn)角基本呈現(xiàn)線性增長；2）進(jìn)入屈服階段后，曲線整體上升，但出現(xiàn)多次波動；3）在試驗力達(dá)到峰值后，試件進(jìn)入破壞階段，逐步喪失承載能力。

經(jīng)分析，認(rèn)為試驗曲線在屈服階段的多次波動軸排布、節(jié)點板構(gòu)造相同，故屈服點接近；2）加載至一定程度后，“壓彎-內(nèi)框”試件木構(gòu)件與鋼桿相互擠壓，故極限承載力明顯大于“壓彎-外框”試件。

節(jié)點的轉(zhuǎn)動性能包含承載力及剛度特性。對彎矩-轉(zhuǎn)角曲線進(jìn)行分析，確定“屈服點”，從而計算節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度。確定曲線屈服點時，依據(jù)適用性較強(qiáng)的“最遠(yuǎn)點法”［11］，將結(jié)構(gòu)的屈服點定義為“曲線上距離原點和峰值點連線最遠(yuǎn)的點”。節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度為屈服彎矩除以屈服轉(zhuǎn)角。

將各試件彎矩-轉(zhuǎn)角曲線中各特征點數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，見表2。

表2 各試件承載性能指標(biāo)Tab.2 Data of bearing capacities of specimens

壓彎及拉彎試件彎矩-轉(zhuǎn)角曲線完整地呈現(xiàn)了節(jié)點在加載全過程中的力學(xué)表現(xiàn)。不難發(fā)現(xiàn)，曲線達(dá)到屈服點后，斜率逐漸減小，表明節(jié)點進(jìn)入塑性，越過峰值后，試驗力隨著位移增大而緩慢減小，故有必要計算各試件的延性系數(shù)，從而定量反應(yīng)節(jié)點延性。該節(jié)點延性系數(shù)由破壞點轉(zhuǎn)角除以屈服點轉(zhuǎn)角而得，表達(dá)節(jié)點在進(jìn)入塑性后直至破壞前的變形能力。將各試件延性系數(shù)列于表2 末列。

依據(jù)計算結(jié)果，本試驗中，拉彎-內(nèi)框-01 試件延性系數(shù)較小，分析其原因：1）軸向拉力在試驗過程中逐漸增大，導(dǎo)致試件彎矩及軸力均逐步達(dá)到較高水平；2）試件本身及加工質(zhì)量具有離散性。其他試件的延性系數(shù)較大，均大于4，表明節(jié)點的延性較好，耗能能力強(qiáng)。

4 結(jié)論

1.采用鋼銷作為緊固件，并設(shè)置等直徑孔的設(shè)計，不增大施工難度，同時消除了螺栓類節(jié)點初始滑移段的問題，是一種值得借鑒的用于鋼-木節(jié)點的連接方式；

2.鋼插板-鋼銷節(jié)點的荷載-位移曲線可分為彈性階段、塑性階段及破壞階段三個部分；

3.試驗表明，鋼插板-鋼銷節(jié)點的延性較好，在加載從屈服至破壞之間，具有良好的變形能力，抗震性能優(yōu)異；

4.節(jié)點區(qū)考慮軸向拉力與彎矩耦合時，其端距構(gòu)造應(yīng)予以重視，以防止節(jié)點區(qū)的整體劈裂破壞。