郝 丹，王佳陽，付 帥，陳澤華，董浩然，楊小軍

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037)

單板層積材作為一種新型木建筑結(jié)構(gòu)用材，具有良好的釘接、抗彎等性能，被廣泛用做木結(jié)構(gòu)托梁、桁架、梁柱等。我國將單板層積材用作建筑結(jié)構(gòu)材料多數(shù)依賴于國外進(jìn)口，材料成本較大，不利于木結(jié)構(gòu)建筑的推廣和發(fā)展[1]。速生楊木作為我國主要人工林用材，分布廣，蓄積量大，但由于速生楊木材質(zhì)松軟、密度低、尺寸穩(wěn)定性能差等缺點(diǎn)，使得其主要應(yīng)用于包裝、建筑裝飾等非結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，楊木的價值未能得到充分體現(xiàn)[2-3]。為實(shí)現(xiàn)楊木高值化利用，可將速生楊木通過旋切成單板來生產(chǎn)結(jié)構(gòu)用及非結(jié)構(gòu)用單板層積材。

節(jié)點(diǎn)連接是木結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)一般采用榫卯連接，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)很少使用，取而代之的是更加標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)格化的金屬連接件[4]。在諸多連接件中，以平滑銷和螺紋銷為代表的銷具有優(yōu)良的軸向承載力和安全可靠性，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件連接。對連接件進(jìn)行設(shè)計時，銷槽承壓性能是評價銷連接的技術(shù)指標(biāo)之一[5]。國外關(guān)于銷槽承壓性能的研究較多[6-7]，JOHANSON[6]提出的銷連接“屈服理論”，被引入美國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(National Design Specification，NDS)[7]中，用于螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載性能研究，而我國的《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[8]強(qiáng)調(diào)銷連接強(qiáng)度僅與螺栓直徑和順紋抗壓強(qiáng)度有關(guān)，給節(jié)點(diǎn)的連接設(shè)計提供了一定的參考價值[9]。然而，木建筑所處的濕環(huán)境易使構(gòu)件節(jié)點(diǎn)松動，連接件銹蝕；同時，木材本身受濕環(huán)境的影響也會產(chǎn)生開裂變形，降低節(jié)點(diǎn)連接的強(qiáng)度以及剛度，嚴(yán)重影響了木結(jié)構(gòu)連接承載的安全性。對于高濕環(huán)境下的承載力研究，尤其是國產(chǎn)單板層積材，國內(nèi)尚未見報道[10]。鑒于此，以楊木單板層積材為對象，采用不同直徑的平滑銷和螺紋銷，對楊木單板層積材進(jìn)行單調(diào)加載試驗(yàn)，研究其在高濕環(huán)境下平滑銷及螺紋銷承壓性能，并將試驗(yàn)實(shí)測值與國外規(guī)范理論預(yù)測值進(jìn)行比對，以期為楊木單板層積材的結(jié)構(gòu)化利用提供參考依據(jù)，對拓寬國產(chǎn)材應(yīng)用領(lǐng)域及促進(jìn)國產(chǎn)材高值化利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的單板層積材由楊木單板膠合而成，單板厚度為3 mm，使用的膠黏劑為水性異氰酸酯膠黏劑，單板層積材規(guī)格為1 000 mm×100 mm×30 mm，平均密度為0.59 g· cm-3，平均含水率為13%。試驗(yàn)用銷有兩種類型，一種為平滑銷，由Q235鋼制成，規(guī)格分別為直徑6、10和16 mm；另一種為螺紋銷，同美固自攻螺釘釘桿，直徑為6 mm，螺旋狀。

1.2 試件制作

參照ASTMD5674-97a[11]規(guī)范，試件設(shè)計尺寸為100mm×100mm×30mm，為準(zhǔn)確模擬平滑銷和螺紋銷槽承壓狀態(tài)，制作過程如下：將2塊鋸解后的單板層積材準(zhǔn)備鉆孔的側(cè)面對齊貼緊，為保證槽孔位于兩試件之間且垂直于試件表面，用U型夾具夾緊后，利用臺鉆進(jìn)行鉆孔后反向擰出，在兩塊單板層積材試件的兩側(cè)邊形成相同的半圓孔[12-13]，試件結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)共18組，每組試件6個，試驗(yàn)設(shè)計如表1所示。

(a)橫紋Perpendicular grain(b)順紋Parallel grain

表1 試件分組及參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

試件高濕處理方法：將加工好的試件分別放入溫度為50 ℃的恒溫恒濕箱中進(jìn)行模擬環(huán)境處理48 h，保持溫度恒定，將濕度分別設(shè)置為65%、80%和95%。

測試方法：參照ASTMD 5674-97a[11]的半孔法試驗(yàn)法，將高濕處理后的試件，置于島津力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，以3 mm· min-1的速度進(jìn)行單調(diào)加載測試。當(dāng)試件發(fā)生破壞或銷釘完全嵌入時，停止試驗(yàn)，觀察并記錄各個濕度以及不同類型的銷加載下單板層積材的破壞特征。

計算方法：以5%直徑偏移法確定單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度的屈服荷載，如圖2所示，其中，極限荷載Fu為荷載-位移曲線上的最大值(kN)，F(xiàn)y為屈服荷載(kN)，D為直徑(mm)，初始剛度K1由曲線初始直線斜率求得。

圖2 初始剛度和屈服荷載的取值方法

銷槽承壓強(qiáng)度計算公式為：

(1)

式中：Fe為單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度(MPa)；D為銷釘直徑(mm)；T為試件厚度(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 銷槽承壓破壞特征

高濕環(huán)境下，單板層積材銷槽承壓破壞特征與銷直徑大小和紋理方向有關(guān)，與濕度和銷類型無關(guān)，按照紋理方向和銷直徑的不同，出現(xiàn)以下4種破壞特征，如圖3所示。破壞模式Ι為橫紋銷槽承壓時，使用直徑6 mm的平滑銷或螺紋銷時，試件半圓孔周圍未見明顯壓潰破壞，而在兩側(cè)處產(chǎn)生齒形裂紋，如圖3(a)；破壞模式Ⅱ?yàn)橹睆?0或16 mm平滑銷時，試件半圓孔下方應(yīng)力集中，出現(xiàn)擠壓變形，同時在兩側(cè)產(chǎn)生齒形裂紋，如圖3(b)所示。

順紋銷槽承壓時，破壞模式Ⅲ表現(xiàn)為試件沿著銷槽承壓方向產(chǎn)生變形，當(dāng)試件直徑為6 mm時，銷完全嵌入試件中，試件無明顯破壞，如圖3(c)；當(dāng)試件直徑為10或16 mm平滑銷時，出現(xiàn)破壞模式Ⅳ，表現(xiàn)為半圓孔下方開裂，裂縫沿縱向撕裂，單板層積材出現(xiàn)劈裂，試件發(fā)生破壞，如圖3(d)所示。

2.2 銷槽承壓荷載-位移曲線

當(dāng)濕度由65%增加到80%和95%時，單板層積材銷槽承壓荷載-位移曲線如圖4所示。在加載初期，銷與試件之間存在空隙，曲線呈現(xiàn)非線性增長；隨著荷載的增加，空隙消除，承載力不斷增加，曲線呈現(xiàn)線性增長，比較圖4(a)和(b)可知，此階段橫紋持續(xù)時間比順紋較短；荷載增加，試件承壓區(qū)逐漸密實(shí)，試件進(jìn)入屈服階段。橫紋方向試件達(dá)到屈服荷載后，承載力仍不斷增加。順紋試件達(dá)到屈服荷載后，曲線增長緩慢，隨著荷載增加，裂縫產(chǎn)生，位移迅速增加，而曲線逐漸趨于平緩，隨之試件破壞，承載力下降。

在濕度為95%時，不同厚度的單板層積材銷槽承壓荷載-位移曲線變化趨勢如圖5所示，隨直徑的增加，曲線形式基本保持不變，同圖4相似，大致經(jīng)過線性增長、屈服階段和破壞階段3個過程。

(a)橫紋 Perpendicular grain (b)順紋Parallel grain

(a)橫紋 Perpendicular grain (b)順紋 Parallel grain

2.3 高濕環(huán)境對單板層積材銷槽承壓性能的影響

濕度對單板層積材橫紋與順紋方向銷槽承壓強(qiáng)度和初始剛度的影響如圖6所示。從紋理方向來看，順紋的銷槽承壓強(qiáng)度均高于橫紋的承壓強(qiáng)度[圖6(a)]，是由于順紋的抗壓強(qiáng)度高于橫紋的抗壓強(qiáng)度。濕度對順紋方向影響較大，橫紋方向影響較小。濕度越高，順紋方向承壓強(qiáng)度下降更為顯著，當(dāng)濕度由65%升高到80%時，承壓強(qiáng)度下降了16%，濕度從80%升高到95%時，承壓強(qiáng)度下降了25%。從圖6(b)可以看出，順紋方向初始剛度在濕度為95%時下降幅度較大，為30%。通過研究濕度對單板層積材銷槽承壓性能的影響發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)材料具有干縮濕脹性，在高濕環(huán)境下，單板層積材吸濕膨脹，受潮后材質(zhì)松軟，導(dǎo)致其銷槽承壓強(qiáng)度和初始剛度均發(fā)生不同程度的下降。

2.4 銷類型對單板層積材銷槽承壓性能的影響

順紋方向下，銷類型與單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度和初始剛度的關(guān)系如圖7所示。圖7(a)可以看出，銷槽承壓強(qiáng)度隨濕度增大而減小，且下降幅度相近。同一高濕環(huán)境下，螺紋銷的承壓強(qiáng)度小于平滑銷。初始剛度隨濕度的變化[圖7(b)]也呈現(xiàn)此趨勢，濕度越大，螺紋銷與平滑銷初始剛度差異增大。平滑銷表面光滑，接觸面為平滑銷桿，應(yīng)力分布較為均勻。螺紋銷呈螺旋狀，銷與試件間的接觸以凹凸的螺旋面為主，應(yīng)力集中分布于斜螺紋處，同時，斜螺紋對單板層積材層板有破壞，同等荷載作用下，螺紋銷破壞更明顯，導(dǎo)致銷槽承壓強(qiáng)度小于平滑銷?？梢姡N表面與單板層積材接觸情況直接決定其銷槽承壓性能，平滑銷明顯優(yōu)于螺紋銷。

2.5 銷直徑對單板層積材銷槽承壓性能的影響

銷直徑與單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度和初始剛度的關(guān)系如圖8所示。從圖8(a)可以看出，無論直徑多大，順紋銷槽承壓強(qiáng)度均高于橫紋銷槽。橫紋方向，銷槽承壓強(qiáng)度隨著直徑的增大而減小，尤其當(dāng)直徑從10 mm增大至16 mm時，銷槽承壓強(qiáng)度下降更為明顯，下降幅度為24%；順紋方向，銷槽承壓強(qiáng)度隨直徑的增大，整體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。從圖8(b)可以看出，順紋方向，初始剛度隨直徑的增大，整體呈現(xiàn)先略微下降后上升的趨勢。橫紋方向，初始剛度隨直徑的增大呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢，但總體增長趨勢不明顯。

關(guān)于銷直徑對銷槽承壓性能的影響，目前沒有統(tǒng)一的結(jié)論。HWANGetal[14]認(rèn)為順紋銷槽承壓強(qiáng)度隨直徑的增大而降低，由佳等[15]對國產(chǎn)紅松進(jìn)行銷槽承壓試驗(yàn)得出，橫紋方向承壓強(qiáng)度隨直徑的增大而減小，順紋方向則不受直徑影響。通過此次研究發(fā)現(xiàn)，單板層積材橫紋方向隨直徑的增大而減小，觀察整個試件的破壞特征可知，大直徑的銷剛度較大，應(yīng)力集中在試件整個受壓區(qū)，變形發(fā)生在試件上，導(dǎo)致單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度減小。順紋方向在直徑為16 mm時承壓強(qiáng)度增大，推測原因可能是直徑大的銷剛度較大，向下傳遞的荷載較大，同等變形程度上，承壓強(qiáng)度與初始剛度值增大。

2.6 不同規(guī)范銷槽承壓強(qiáng)度預(yù)測值與實(shí)測值比較

國際上關(guān)于銷釘類連接計算方法，主要有歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范Eurocode 5[16]、NDS[7]、加拿大木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范CSA[17]。根據(jù)不同的木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范計算方法，濕度為95%狀態(tài)下楊木單板層積材強(qiáng)度的預(yù)測值如表2所示。

從表2可知，Eurocode 5和NDS對高濕環(huán)境下單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度有一定的預(yù)測能力，尤其是Eurocode 5的計算方法誤差較小，橫紋誤差范圍為-2.42%～-16.23%，順紋誤差范圍為8.54%～16.11%，可能是由于Eurocode 5在橫紋與順紋方向均考慮了全干密度與銷直徑影響因素，能夠較為準(zhǔn)確地反映高濕環(huán)境下單板層積材承壓強(qiáng)度值。然而，無論哪種計算方法，均未考慮環(huán)境濕度的影響。因此，若想更準(zhǔn)確地預(yù)測高濕環(huán)境下的銷槽承壓強(qiáng)度，還需進(jìn)一步試驗(yàn)，同時考慮環(huán)境濕度、銷直徑和銷類型對單板層積材的影響，建立相應(yīng)的理論計算模型。

3 小結(jié)

銷槽承壓性能是評價楊木單板層積材結(jié)構(gòu)化利用的技術(shù)指標(biāo)，環(huán)境濕度是影響其承載性能的重要因素。濕度對楊木單板層積材銷槽承壓順紋方向影響較大，濕度越大，承壓強(qiáng)度和初始剛度均減小，濕度為95%時，下降幅度最大，分別為25%和30%。銷表面狀態(tài)影響單板層積材承壓性能，平滑銷優(yōu)于螺紋銷，隨著平滑銷直徑增大，橫紋方向承壓強(qiáng)度減小，初始剛度先增大后趨于穩(wěn)定。通過比較不同的木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范計算方法，高濕環(huán)境下單板層積材銷槽承壓強(qiáng)度的預(yù)測值宜采用Eurocode 5[16]進(jìn)行計算。對于高濕環(huán)境下單板層積材銷槽承壓性能的改善以及計算模型的建立，后續(xù)將進(jìn)行更深入地研究。