花旗松膠合木銷槽順紋承壓性能 影響因素研究

螺栓連接具有良好的力學(xué)性能且易于裝配化施工，已成為現(xiàn)代膠合木結(jié)構(gòu)的主要連接形式。Itany等的研究表明木結(jié)構(gòu)的破壞80%源于節(jié)點(diǎn)破壞，因此節(jié)點(diǎn)連接的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前國(guó)際上廣泛采用Johansen提出的“屈服理論”來(lái)計(jì)算螺栓連接等銷類連接的承載力。祝恩淳等按上述“屈服理論”研究提出了我國(guó)GB50005—2017中銷連接的承載力計(jì)算方法。計(jì)算銷連接的承載力首先需確定銷槽的承壓強(qiáng)度。祝恩淳等在周曉強(qiáng)開(kāi)展的東北落葉松和樟子松的銷槽承壓試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上提出銷槽承壓強(qiáng)度計(jì)算模型按美國(guó)NDS標(biāo)準(zhǔn)采用，但缺少膠合木銷槽承壓性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在膠合木銷槽承壓性能研究方面，Bo-HanXu等開(kāi)展了膠合木銷槽承壓強(qiáng)度試驗(yàn)并進(jìn)行了數(shù)值模擬，Seri等研究了銷直徑和膠合木的制作方法對(duì)銷槽承壓強(qiáng)度的影響，EeroTuhkanen等研究了層板數(shù)量對(duì)膠合木和正交膠合木銷槽承壓強(qiáng)度的影響。劉柯珍對(duì)國(guó)產(chǎn)落葉松鋸材和膠合木進(jìn)行了銷槽承壓對(duì)比試驗(yàn)研究，徐心怡和馬貴進(jìn)等分別研究了不同荷載方向和濕度對(duì)膠合木銷槽承壓強(qiáng)度的影響。在試驗(yàn)方法上，目前世界上廣泛采用美國(guó)ASTMD5764和歐洲EN383兩種試驗(yàn)方法，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO10984-2在前兩種方法基礎(chǔ)上建立并做了改進(jìn)。Santos等通過(guò)海岸松木材銷槽承壓試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬，對(duì)比了EN383和ASTMD5764兩種試驗(yàn)方法的區(qū)別，結(jié)果表明兩種方法獲得的銷槽順紋承壓強(qiáng)度基本相同。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法方面，ASTMD5764和EN383分別提出了5%d（d為銷槽直徑）偏移法和5mm位移法2種。KeiSawata等按EN383的試驗(yàn)方法，分別采用8?mm,12?mm,16?mm,20?mm銷直徑對(duì)日本魚鱗云杉和庫(kù)頁(yè)冷杉進(jìn)行大量銷槽承壓試驗(yàn)，對(duì)比兩種方法確定的銷槽承壓強(qiáng)度的區(qū)別，結(jié)果表明兩種方法確定的銷槽順紋承壓強(qiáng)度很接近，且?guī)缀醪皇茕N直徑的影響。以上研究考慮了不同因素對(duì)膠合木銷槽順紋承壓性能的影響，進(jìn)一步對(duì)比ASTMD5764和EN383可知，二者在試件形式和試件尺寸方面的規(guī)定有明顯區(qū)別；而ISO10984-2標(biāo)準(zhǔn)包含了EN383的規(guī)定，但更靈活。對(duì)于膠合木，因受層板厚度的影響，試件厚度可能難以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。此外，膠合木銷槽受壓時(shí)，銷槽可平行或垂直層板的寬度設(shè)置，而目前的研究并未考慮以上因素的影響。本文通過(guò)膠合木銷槽順紋承壓試驗(yàn)，研究不同開(kāi)槽方式、試件尺寸（厚度、高度和寬度）和螺栓直徑等對(duì)銷槽順紋承壓性能的影響；對(duì)比不同方法確定銷槽順紋承壓強(qiáng)度的區(qū)別；通過(guò)對(duì)比理論計(jì)算模型與試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證膠合木銷槽順紋承壓強(qiáng)度的計(jì)算模型。1、試驗(yàn)材料和方法1.1試件情況試件材料采用花旗松同等組合膠合木，強(qiáng)度等級(jí)為TCT32。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了S1~S10共10組試件，考慮了開(kāi)槽方式、試件尺寸（厚度、高度和寬度）及螺栓直徑等因素的影響，每組5個(gè)試件。試件形式采用半孔試件，其設(shè)計(jì)示意如圖1所示，試件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，試件組S4為標(biāo)準(zhǔn)組試件。其中，開(kāi)槽方式根據(jù)銷槽與層板寬度的關(guān)系分為平行層板寬度（S1、S2組）和垂直層板寬度（S3~S10組）2種。試件厚度考慮不同層數(shù)膠合木的影響，試件寬度和高度分別考慮ISO10984-2標(biāo)準(zhǔn)和ASTMD5764標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別確定。螺栓直徑d結(jié)合工程應(yīng)用情況分別取16mm,18?mm,20?mm。圖1試件設(shè)計(jì)示意（箭頭方向?yàn)槟炯y方向）（a）S1組；（b）S2組；（c）S3~S10組表1試件設(shè)計(jì)參數(shù)每組5個(gè)試件，分別從5根不同的膠合木構(gòu)件上截取。加工時(shí)銷槽附近需避開(kāi)木節(jié)、腐朽等缺陷。銷槽開(kāi)孔直徑大于螺栓直徑2mm。采用8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓，試驗(yàn)時(shí)采用光滑圓桿部分在銷槽長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行加載。1.2試驗(yàn)方法按圖2所示的加載裝置進(jìn)行加載，荷載由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的表盤直接讀取。試件變形通過(guò)對(duì)稱布置在試件兩側(cè)的位移計(jì)測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀采集，螺栓的變形取位移計(jì)讀數(shù)的平均值。圖2試驗(yàn)裝置（a）裝置示意；（b）裝置實(shí)物先按預(yù)估破壞荷載的10%進(jìn)行預(yù)加載，正式加載按連續(xù)分級(jí)加載方式，使試件在5~10min內(nèi)破壞或達(dá)到最大變形值，當(dāng)試件出現(xiàn)明顯破壞或變形過(guò)大時(shí)停止加載。試驗(yàn)完成后，在銷槽附近切取約10mm厚的整截面無(wú)缺陷小試件，測(cè)量木材的含水率、氣干密度和絕干相對(duì)密度。2、試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1破壞模式銷槽順紋承壓試件破壞經(jīng)歷了3個(gè)階段：荷載較小時(shí)，銷槽下方木材處于彈性壓縮階段，變形不明顯；隨荷載增加，銷槽下方及附近木纖維發(fā)生壓縮變形發(fā)生細(xì)微響聲；荷載進(jìn)一步增大，銷槽附近木材的壓縮變形逐漸明顯，試件發(fā)出較明顯的木纖維撕裂聲，越接近破壞荷載撕裂聲越清脆且連續(xù)。除個(gè)別試件（S1-4）在臨近破壞荷載時(shí)連續(xù)發(fā)出清脆的木纖維撕裂聲直至螺栓完全嵌入銷槽內(nèi)而發(fā)生嵌入破壞（圖3a）外，其余試件在加載過(guò)程中槽孔下部或兩側(cè)陸續(xù)出現(xiàn)裂縫，隨螺栓嵌入裂縫發(fā)展加快，直至貫穿試件而發(fā)生劈裂破壞（圖3b、圖3c）。圖3試件的破壞模式（a）嵌入破壞；（b）劈裂破壞1；（c）劈裂破壞22.2荷載–位移曲線根據(jù)獲得的荷載和變形繪制各試件的荷載–位移曲線，圖4為各對(duì)照組試件的荷載–位移對(duì)比曲線（其中少部分試件因位移計(jì)安裝原因未獲得數(shù)據(jù)）。（a）（b）（c）（d）（e）圖4試件的荷載–位移曲線（a）不同開(kāi)槽方式對(duì)比；（b）不同試件厚度對(duì)比；（c）不同試件高度對(duì)比；（d）不同試件寬度對(duì)比；（e）不同螺栓直徑對(duì)比從圖4中可看出，各曲線的變化趨勢(shì)較為一致：荷載較小時(shí)，荷載–位移曲線為直線，試件處于彈性變形階段；當(dāng)荷載增加到比例極限荷載后，木材變形增長(zhǎng)加快而荷載增加減慢，曲線進(jìn)入相對(duì)平緩的彈塑性階段，直到曲線的最高點(diǎn)，即達(dá)到承載力極限狀態(tài)，然后進(jìn)入破壞階段，曲線開(kāi)始下降。圖4（b）（e）曲線因具有不同的銷槽承壓面積，使各試件組差別較大；圖（a）（c）（d）中試件銷槽承壓面積相同，曲線變化反映出開(kāi)槽方式和試件高度對(duì)銷槽承壓性能產(chǎn)生了一定的影響，而試件寬度的影響較小。2.3銷槽順紋承壓強(qiáng)度銷槽的承壓強(qiáng)度可根據(jù)荷載–位移曲線，分別取屈服荷載或最大荷載除以銷的投影面積獲得。屈服荷載fy,5%d按ASTMD5764規(guī)定的5%d（d為螺栓直徑）偏移法，取荷載–位移曲線的初始直線段沿位移軸方向偏移5%d位移與曲線相交所對(duì)應(yīng)的荷載。最大荷載fu,5mm按EN383規(guī)定的5?mm位移法確定，取荷載–位移曲線上5?mm位移處對(duì)應(yīng)的荷載值，若位移達(dá)到5?mm之前已達(dá)最大荷載，則取該荷載值。圖5表示以上2種方法確定荷載的示意圖。圖5屈服荷載和最大荷載取值示意本試驗(yàn)同時(shí)用烘干法測(cè)得試件木材的含水率在9.92%~12.68%之間，平均含水率為11.72%。試驗(yàn)測(cè)得的木材絕干相對(duì)密度見(jiàn)表2。表2試件木材的絕干相對(duì)密度分析表2可知，按5%d偏移法和5?mm位移法確定的銷槽順紋承壓強(qiáng)度較接近，后者略高，這與KeiSawata和MotoiYasumura的研究結(jié)果較為一致。與標(biāo)準(zhǔn)組S4相比，開(kāi)槽方式對(duì)銷槽順紋承壓強(qiáng)度影響較大，其次是試件高度h，試件厚度t和螺栓直徑d在一定條件下也有一定的影響，而試件寬度的影響較小。具體影響情況如下。2.3.1開(kāi)槽方式開(kāi)槽方式對(duì)銷槽順紋承壓強(qiáng)度影響較大，銷槽平行層板寬度（S1組和S2組）時(shí)銷槽順紋承壓強(qiáng)度降低較明顯，銷槽位于一塊層板（S2組）上時(shí)降低最多。與垂直層板寬度的S4組相比，S2組按5%d偏移法和5?mm位移法確定的銷槽順紋承壓強(qiáng)度分別降低了13.45%和12.29%，變異系數(shù)COV分別為4.40%和4.71%，從圖4（a）也可看出這種差別。原因可能是銷槽平行層板寬度時(shí)，銷槽的承壓主要靠銷槽下側(cè)單層或雙層層板受力，其性能受該層板性能的影響較大；而銷槽垂直層板寬度時(shí)幾塊層板共同承壓，層板組合減小了材料性能的變異性，并提高了材料的抗壓性能。2.3.2試件高度h試件組S4和S7分別按ISO10984-2和ASTMD5764的規(guī)定確定試件高度，試件高度減小，按5%d偏移法和5?mm位移法確定的銷槽順紋承壓強(qiáng)度分別增加了7.45%和9.14%，由于2組試件的銷槽承壓面積和破壞模式均相同，S7組試件銷槽承壓強(qiáng)度增加的原因可能與該組試件的木材絕干相對(duì)密度相對(duì)較大有關(guān)（表2）。2.3.3試件厚度t

試件組S3~S6采用不同層板數(shù)來(lái)改變?cè)嚰暮穸取3組試件采用2塊層板制作，厚度t（t=3.125d）滿足EN383的規(guī)定，銷槽的順紋承壓強(qiáng)度有一定的降低，可能是厚度減小時(shí)銷槽上的應(yīng)力分布不均勻所致。對(duì)比S4~S6組試件可知，試件厚度不小于ISO10984-2的規(guī)定（4~5d）時(shí)，銷槽的順紋承壓強(qiáng)度變化不明顯，說(shuō)明此時(shí)膠縫的影響并不明顯，這與EeroTuhkanen的研究結(jié)果較一致。2.3.4螺栓直徑d

S4,S9,S10組試件試驗(yàn)采用的螺栓直徑分別為16?mm,18?mm,20?mm。螺栓直徑大于18?mm后，按5%d偏移法確定的銷槽順紋承壓增加了5.41%，而按5?mm位移法確定的銷槽壓強(qiáng)度基本不變，這與Rammer在銷槽順紋承壓試驗(yàn)中得出的“較大螺栓直徑的銷槽承壓強(qiáng)度之間無(wú)顯著差異”的結(jié)論一致。3、銷槽順紋承壓強(qiáng)度計(jì)算模型對(duì)比3.1各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的理論計(jì)算模型3.1.1美國(guó)NDS標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)GB50005—2017標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算模型美國(guó)NDS標(biāo)準(zhǔn)按ASTMD5764的半孔試件方法進(jìn)行試驗(yàn)，按5%d偏移法確定銷槽承壓強(qiáng)度，通過(guò)試驗(yàn)研究建立的銷槽順紋承壓強(qiáng)度計(jì)算模型如下：fe,0,NDS/GB50005=77G（1）式中：fe,0為銷槽順紋承壓強(qiáng)度（N/mm2）；G為木材平均全干相對(duì)密度。我國(guó)GB50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于銷槽的承壓強(qiáng)度采用了與美國(guó)NDS標(biāo)準(zhǔn)相同的計(jì)算模型。3.1.2歐洲EC5標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算模型歐洲標(biāo)準(zhǔn)EC5基于EN383的全孔試件方法試驗(yàn)，采用5?mm位移法確定銷槽承壓強(qiáng)度，在大量試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上建立的木材銷槽順紋承壓強(qiáng)度計(jì)算模型如下：fe,0,EC5=0.082（1–0.01d）ρk

（2）式中：ρk為木材密度特征值，取木材氣干密度的5%分位值（kg/m3）；d為銷的直徑（mm）。3.1.3加拿大CSAO86標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算模型加拿大CSAO86標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的銷槽順紋承壓強(qiáng)度計(jì)算模型如下：fe,0,CSA=50G（1–0.01d）（3）3.2理論計(jì)算模型與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比根據(jù)以上計(jì)算模型可計(jì)算出各試件組的銷槽順紋承壓強(qiáng)度值，為更直觀地進(jìn)行對(duì)比，表3和圖6同時(shí)表示出了銷槽順紋承壓強(qiáng)度的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果。表3理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

N/mm2圖6理論公式與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比從表3和圖6可知，按加拿大CSA標(biāo)準(zhǔn)確定的銷槽順紋承壓強(qiáng)度明顯低于試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明CSA模型過(guò)于保守。按EC5標(biāo)準(zhǔn)的理論計(jì)算結(jié)果也低于按EN383規(guī)定的5?mm位移法確定的試驗(yàn)結(jié)果，但EC5的理論模型算得的是5%分位值，而試驗(yàn)結(jié)果是平均值，說(shuō)明EC5模型略保守。按NDS/GB50005標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算模型獲得的是銷槽承壓強(qiáng)度的平均值，除試件組S2外，其理論計(jì)算結(jié)果總體上與5%d偏移法確定的試驗(yàn)結(jié)果較接近，因S2組的銷槽位于單層層板上，情況較為特殊，實(shí)際并不常