張盛東，范新海，屈文俊

（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092）

內(nèi)嵌鋼板銷式木連接具有簡潔、美觀、可靠、抗火性能好等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于重型木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接中，其連接構(gòu)造如圖1a所示.內(nèi)嵌鋼板銷式連接根據(jù)內(nèi)嵌鋼板的數(shù)量分為內(nèi)嵌單塊和多塊鋼板銷式連接.Johansen最早給出了內(nèi)嵌單塊鋼板銷式連接節(jié)點(diǎn)在屈服破壞模式下承載力計(jì)算公式［1］；隨后文獻(xiàn)［2－5］對(duì)內(nèi)嵌單塊鋼板單銷和多銷連接節(jié)點(diǎn)的破壞模式、承載力計(jì)算公式和鋼板與木構(gòu)件間的相對(duì)滑移進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并建議了不同破壞模式下節(jié)點(diǎn)承載力和滑移剛度計(jì)算公式；Sj?din等［6］、Rammer等［7］則針對(duì)木材含水率對(duì)連接節(jié)點(diǎn)承載力的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究；徐德良等［8］對(duì)內(nèi)嵌單塊鋼板單個(gè)螺栓木連接的順紋受拉性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.在大跨、多（高）層木結(jié)構(gòu)中，要求連接節(jié)點(diǎn)具有較高的承載力和剛度，一般需在較大的木構(gòu)件中內(nèi)嵌多塊鋼板.Mischler［9］，Sawata等［10］等對(duì)內(nèi)嵌多塊鋼板單銷連接順紋受壓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明內(nèi)嵌鋼板銷式連接節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度隨鋼板數(shù)目的增加而增加.

圖1 內(nèi)嵌鋼板銷式連接示意和破壞實(shí)例Fig.1 Dowel－type timber connections with slotted－in steel plates and a failure example

但是近年來，國外有多起因采用內(nèi)嵌多塊鋼板銷式連接破壞而導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌的報(bào)道，如2003年丹麥的自行車競技場1／3的屋頂塌落，見圖1b.我國目前還未開展內(nèi)嵌多塊鋼板銷式連接力學(xué)性能研究，但該連接方式在實(shí)際工程中已有應(yīng)用，因此有必要對(duì)內(nèi)嵌多塊鋼板銷式連接進(jìn)行深入的研究.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本文所涉及的材料包括膠合木、鋼板和鋼銷.膠合木是由美國花旗松加工而成，實(shí)測木材含水率平均值為13%，密度平均值為534kg·m－3；鋼銷和鋼板均采用Q235級(jí)鋼材加工制作而成，實(shí)測鋼銷受拉屈服強(qiáng)度平均值為357MPa，極限強(qiáng)度平均值為478 MPa.

1.2 試件設(shè)計(jì)及加工

本文共進(jìn)行了11個(gè)內(nèi)嵌鋼板單銷木連接試件的順紋受壓試驗(yàn)，分為四組.木組件截面尺寸b×h＝210mm×350mm，長度l＝400mm，開槽寬度均為10mm，深度均為200mm，預(yù)鉆孔直徑等于鋼銷直徑d；鋼板尺寸均為長×寬＝250mm×200mm，厚度8mm，預(yù)鉆孔直徑比d大1mm；d分別為12，16，20mm，鋼銷長為250mm；鋼板端部離槽底距離50 mm.內(nèi)嵌三塊鋼板銷式連接試件，鋼板間木材厚度t2與鋼板外邊緣木材厚度t1之比分別為0.5，1.0，2.0；內(nèi)嵌兩塊鋼板銷式連接試件，t2／t1為2.0；內(nèi)嵌單塊鋼板銷式連接試件，鋼板位于木組件中心.試件詳圖及具體參數(shù)見圖2和表1.

圖2 內(nèi)嵌鋼板銷式連接試件幾何構(gòu)造（單位：mm）Fig.2 Configuration of specimens of dowel－type connection with slotted－in plates

1.3 加載方式、量測內(nèi)容和方法

本試驗(yàn)所加荷載為順紋受壓荷載，加載方式為勻速單調(diào)加載，荷載控制，試件在10min左右達(dá)到破壞，正式加載前先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載.試件中鋼板與木組件間相對(duì)滑移超過30mm或荷載下降到最大荷載50%時(shí)（實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，相對(duì)滑移超過15mm，荷載不能繼續(xù)增加）試驗(yàn)終止.除荷載外，試驗(yàn)時(shí)還量測鋼板與膠合木組件間的相對(duì)滑移，本試驗(yàn)的加載裝置如圖3所示.

表1 內(nèi)嵌鋼板銷式連接試件設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Summary of design parameters of specimens of dowel－type connection with slotted－in plates

圖3 試驗(yàn)加載裝置圖Fig.3 Loading layout of the tests

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞模式

四組試件破壞時(shí)都發(fā)生了木材銷槽承壓破壞，根據(jù)破壞時(shí)鋼銷是否發(fā)生彎曲和彎曲后形成塑性鉸的個(gè)數(shù)，本次試驗(yàn)內(nèi)嵌多塊鋼板木連接試件的破壞模式可歸為Sawata等［10］所給出六種破壞模式（見圖7）中的四種典型破壞模式，如圖4所示.

（1）試件破壞模式Ⅰ：鋼銷基本保持剛直，僅發(fā)生木材銷槽承壓破壞，如圖4a所示.C－3試件鋼銷直徑為20mm，鋼板外邊緣木材相對(duì)厚度t1／d為1.5，鋼板間木材相對(duì)厚度t2／d為3.0，其破壞屬于破壞模式Ⅰ.

（2）試件破壞模式Ⅱ：鋼銷在鋼板間木材中基本保持剛直，在鋼板外邊緣木材中發(fā)生彎曲但沒有形成塑性鉸，最終破壞時(shí)僅在外邊緣鋼板處形成2個(gè)塑性鉸，表現(xiàn)為鋼銷彎曲和木材銷槽承壓破壞同時(shí)發(fā)生，如圖4b所示.試件A組中A－2和A－3試件的d為12mm，t1／d分別為3.75和2.50，t2／d分別為3.75和5.00；B組試件的d為16mm，t1／d分別為3.75，2.80和1.88，t2／d分別為1.88，2.80和3.75；C組中C－1，C－2試件的d為20mm，t1／d分別為3.00和2.25，t2／d分別為1.50和2.25.以上試件的破壞屬于破壞模式Ⅱ.

圖4 典型的破壞形式Fig.4 Typical failure modes

（3）試件破壞模式Ⅲ：鋼銷在鋼板間木材中基本保持剛直，在鋼板外邊緣木材中發(fā)生彎曲并形成塑性鉸，最終破壞時(shí)分別在外邊緣鋼板處和邊緣木材中共形成4個(gè)塑性鉸，表現(xiàn)為鋼銷彎曲和木材銷槽承壓破壞同時(shí)發(fā)生，如圖4c所示.A－1試件的d為12mm，t1／d為5.0，t2／d為2.5，其試件破壞屬于破壞模式Ⅲ.

（4）試件破壞模式Ⅴ：鋼銷在鋼板間木材中彎曲并產(chǎn)生塑性鉸，在鋼板外邊緣木材中發(fā)生彎曲但沒有形成塑性鉸，最終破壞時(shí)分別在外邊緣鋼板處和鋼板間木材中共形成4個(gè)塑性鉸，表現(xiàn)為鋼銷彎曲和木材銷槽承壓破壞同時(shí)發(fā)生，如圖4d所示.D－2試件d為12mm，t1／d為3.75，t2／d為8.33，其試件破壞屬于破壞模式Ⅴ.

2.2 荷載與鋼板－木材間相對(duì)滑移

圖5分別給出了A，B，C，D四組試件的荷載—相對(duì)滑移曲線.由圖5可知，在其他條件相同的情況下，試件的承載力隨著t2增加而增大，而最大相對(duì)滑移值則隨著t2增加而減小.

圖5 不同試件的荷載—相對(duì)滑移曲線Fig.5 Load－slip curves of different specimens

根據(jù)試驗(yàn)所得荷載—相對(duì)滑移曲線可按ASTM D5652［11］建議的方法確定連接試件的屈服強(qiáng)度，即通過5%d偏移法評(píng)定.本文根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)將屈服強(qiáng)度定義為試件的承載力，極限強(qiáng)度則根據(jù)EN26891［12］建議的最大相對(duì)位移達(dá)到15mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值來確定.試驗(yàn)所獲得的連接試件屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度見表2.

表2 連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Load－carrying capacities of dowel－type connections

2.3 承載力影響因素分析

圖6給出了ns，t2與d對(duì)連接承載力影響的試驗(yàn)結(jié)果.承載力取表2中的屈服強(qiáng)度.

圖6 承載力影響因素分析Fig.6 Analysis of the effects of factors on the load－carrying capacities

從圖6a可以看出，內(nèi)嵌鋼板銷式連接節(jié)點(diǎn)承載力隨ns的增加而增大.從圖6b可以看出，內(nèi)嵌三塊鋼板銷式連接節(jié)點(diǎn)承載力隨t2／t1比值增大而增大.從圖6c可以看出，當(dāng)t2／t1＝0.5時(shí)，內(nèi)嵌鋼板銷式連接節(jié)點(diǎn)承載力隨d的增加先增大后降低；當(dāng)t2／t1＝1.0時(shí)，內(nèi)嵌鋼板銷式連接承載力隨d的增加而增大；當(dāng)t2／t1＝2.0時(shí)，內(nèi)嵌鋼板銷式連接節(jié)點(diǎn)的承載力隨d增加先降低后增大.

3 內(nèi)嵌多塊鋼板銷式連接承載力計(jì)算

3.1 承載力計(jì)算公式的推導(dǎo)

Sawata等［10］將內(nèi)嵌多塊鋼板（對(duì)稱）銷式連接分為六種屈服破壞模式，如圖7所示.

圖7 內(nèi)嵌多塊鋼板銷式連接破壞模式Fig.7 Failure modes for dowel－type connection with three slotted－in steel plates

圖8為內(nèi)嵌多塊鋼板銷式連接節(jié)點(diǎn)內(nèi)力分布圖和剪切面?zhèn)€數(shù)，本文根據(jù)文獻(xiàn)［13］建議的方法將內(nèi)嵌多塊鋼板銷式連接分解成1個(gè)內(nèi)嵌單塊鋼板（兩個(gè)A剪切面）連接節(jié)點(diǎn)加上（ns－1）個(gè)外夾鋼板（2（ns－1））連接節(jié)點(diǎn)，則內(nèi)嵌ns塊鋼板銷式連接承載力Ru為

式中：Ru，inter為內(nèi)嵌單塊鋼板雙剪連接節(jié)點(diǎn)承載力，Ru，out為外夾鋼板雙剪連接節(jié)點(diǎn)承載力，ns為鋼板數(shù)目.

Eurocode 5［14］基于Johansen［1］屈服理論給出了內(nèi)嵌單塊鋼板和外夾鋼板雙剪單銷木連接節(jié)點(diǎn)的破壞模式（如圖9所示）及相關(guān)承載力計(jì)算公式.每種破壞模式下每個(gè)剪切面的承載力計(jì)算公式為

破壞模式e的承載力

破壞模式f的承載力

破壞模式g的承載力

破壞模式h的承載力

破壞模式l的承載力

式中：My為鋼銷屈服彎矩；fh為木材銷槽承壓強(qiáng)度.

不同破壞模式下內(nèi)嵌多塊鋼板銷式木連接節(jié)點(diǎn)的承載力計(jì)算公式為

（1）破壞模式Ⅰ為內(nèi)嵌單塊鋼板破壞模式e和（ns－1）個(gè)外夾鋼板破壞模式h組合，則破壞模式Ⅰ承載力計(jì)算公式為

（2）破壞模式Ⅱ?yàn)閮?nèi)嵌單塊鋼板破壞模式f和（ns－1）個(gè)外夾鋼板破壞模式h組合，則破壞模式Ⅱ承載力計(jì)算公式為

（3）破壞模式Ⅲ為內(nèi)嵌單塊鋼板破壞模式g和（ns－1）個(gè)外夾鋼板破壞模式h組合，則破壞模式Ⅲ承載力計(jì)算公式為

（4）破壞模式Ⅳ為內(nèi)嵌單塊鋼板破壞模式e和（ns－1）個(gè)外夾鋼板破壞模式l組合，則破壞模式Ⅳ承載力計(jì)算公式為

（5）破壞模式Ⅴ為內(nèi)嵌單塊鋼板破壞模式f和（ns－1）個(gè)外夾鋼板破壞模式l組合，則破壞模式Ⅴ承載力計(jì)算公式為

（6）破壞模式Ⅵ為內(nèi)嵌單塊鋼板破壞模式g和（ns－1）個(gè)外夾鋼板破壞模式l組合，則破壞模式Ⅵ承載力計(jì)算公式為

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，連接節(jié)點(diǎn)的承載力值取根據(jù)公式（7）～（12）所得到計(jì)算值的最小值.

3.2 計(jì)算公式的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論計(jì)算公式的正確性，將理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3.

表3 試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比Tab.3 Comparison of test results with predicted results

從表3可以看出，A－3與C－1試件可能由于試驗(yàn)方法和試件加工誤差造成承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值不吻合，其余試件承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值符合較好，故建議的公式可用于內(nèi)嵌多塊鋼板銷式連接承載力計(jì)算.

4 結(jié)論

（1）內(nèi)嵌鋼板銷式木連接的破壞模式分別與t1／d和t2／d有關(guān).

（2）內(nèi)嵌鋼板銷式木連接節(jié)點(diǎn)的承載力與ns，t2／t1，d有關(guān)，且隨ns，t2／t1比值增加而增大.

（3）可以將內(nèi)嵌ns鋼板銷式連接分解為內(nèi)嵌單塊鋼板銷式連接和（ns－1）個(gè)外夾鋼板銷式連接，采用疊加原理來計(jì)算內(nèi)嵌鋼板銷式連接節(jié)點(diǎn)承載力，計(jì)算值與試驗(yàn)值符合較好.

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