陳愛軍,牛 東,王智豐,王解軍

(中南林業(yè)科技大學 土木工程學院,湖南 長沙 410004)

膠合木作為一種綠色環(huán)保的建筑用材，它具有受力合理、和諧美觀、強度高、缺陷分散等優(yōu)點[1-2]，而被廣泛應用于住宅、橋梁等多個領域[3-4]。如杭州香積寺的大雄寶殿和南京紫東國際創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)綠幕大門的主要承重結(jié)構(gòu)都是膠合木結(jié)構(gòu)的典型建筑，張家界至花垣高速張家界服務區(qū)木結(jié)構(gòu)人行天橋，上部承重結(jié)構(gòu)均采用膠合木。但是由于木材受天然尺寸的限制，既不像混凝土可澆筑連接，也不像鋼材可焊接連接，所以設計出性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)合理的連接件，實現(xiàn)膠合木梁的接長，從而提高膠合木的利用率、推動膠合木在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑及橋梁中的應用變得至關重要[5-6]。國內(nèi)外學者從不同角度對金屬連接膠合木梁的受力性能進行了研究，如：HAYASHI[7]、陳恩靈[8]、何敏娟[9]、HE[10]、徐天琦[11]等。但是對鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的研究還較少[12-13]。本文采用三分點試驗方法，通過改變螺栓順紋間距、螺栓并、錯列布置方式及拼接的兩段梁是否來源于同一根膠合木等參數(shù)對鋼夾板-螺栓連接膠合木梁抗彎性能的影響進行探討，為鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的設計和應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗梁設計與制作

參考國內(nèi)外的相關試驗方法及標準，試件的跨高比不小于18時，可忽略剪切對構(gòu)件變形的影響，因而本試驗采用跨高比為18的梁，試驗梁尺寸為2 500 mm×60 mm×127 mm。為了研究螺栓順紋間距、螺栓并列、錯列布置方式及拼接的2根梁是否來源于同一根膠合木對梁的承載力、變形能力及破壞形態(tài)產(chǎn)生的影響。因此，共設計制作了13組(1組純膠合木梁，12組鋼夾板-螺栓連接膠合木梁)，每組3根，共39根梁。

根據(jù)文獻[14]中對構(gòu)件尺寸的要求。各試驗梁的螺栓順紋端距取50 mm、橫紋端距取20 mm，具體尺寸如表1所示。其中B表示純膠合木梁，B60、B80、B100分別表示螺栓并列布置且螺栓間的順紋間距為60、80、100 mm。C60、C80、C100分別表示螺栓錯列布置且螺栓間的順紋間距為60、80、100 mm。螺栓并、錯列布置示意圖如圖1所示。所有鋼夾板-螺栓連接膠合木梁螺栓總數(shù)均為3×6=18個。

表1 試驗梁設計參數(shù)表Table 1 Table of design parameters for test beams編號鋼板尺寸/mm螺栓順紋間距/mm螺栓排列方式B———B606×127×44060并列B806×127×52080并列B1006×127×600100并列B60(Y)6×127×44060并列B80(Y)6×127×52080并列B100(Y)6×127×600100并列C606×127×50060錯列C806×127×60080錯列C1006×127×700100錯列C60(Y)6×127×50060錯列C80(Y)6×127×60080錯列C100(Y)6×127×700100錯列注:試件編號帶有(Y)表示此梁為拼接的兩段梁來源于同一根膠合木。其他均是隨機取的兩段梁。

(a) 螺栓并列布置

(b) 螺栓錯列布置

1.2 試驗梁材料

對6個尺寸為20 mm×20 mm×20 mm的落葉松試件進行含水率和密度測定試驗，得到本次試驗梁膠合木的平均氣干密度為0.74 g/cm3、平均含水率為11.26%。同時對膠合木試件分別進行了順紋抗壓、抗拉和抗彎試驗，對鋼板進行抗拉試驗，將試驗數(shù)據(jù)加以整理，得到膠合木的抗拉強度為84.09 MPa，抗壓強度為36.49 MPa，抗彎彈性模量9 984 MPa，鋼板的抗拉強度310 MPa。

本次試驗采用8.8級公稱直徑為6 mm的帶墊片普通鋼螺栓，材料性能數(shù)據(jù)由生產(chǎn)廠商提供，其極限抗拉強度為600 MPa，屈服強度為580 MPa。

1.3 試驗加載與測點布置

本次試驗加載裝置見圖2，采用三分點加載方式進行加載。同時，在加載頭與試驗梁接觸處使用鋼板(60 mm×60 mm×6 mm)以避免加載頭使膠合木梁產(chǎn)生局部擠壓破壞。試驗過程采用單調(diào)分級加載，即：0～12 kN，每級荷載步為2 kN，加到12 kN以后：每級荷載步為1 kN，直至試驗梁破壞。

圖2 試驗加載裝置

本次試驗的撓度測點布置如圖2所示。在試驗梁的跨中、支座和四分點處均安裝位移計。應變測點如圖3所示，在左側(cè)純彎段的木梁上距鋼夾板端部20mm處沿梁高方向等間距布置5個應變片、在右側(cè)純彎段的木梁上距鋼夾板端部20 mm處的梁頂和梁底各布置1個應變片；在跨中截面的鋼板上沿梁高方向等距布置3個應變片。

(a) 膠合木梁應變測點布置

(b) 鋼夾板應變測點布置

2 試驗現(xiàn)象

2.1 破壞形態(tài)

對于純膠合木梁，當荷載加載到12.0 kN時，開始聽到細微的木梁開裂聲響，此時跨中撓度達到18 mm，之后繼續(xù)施加荷載，當荷載加載到18.3 kN時，開始發(fā)出較大開裂聲，跨中撓度達到30.67 mm，當荷載加載到22.8 kN時，木梁跨中沿梁下緣有沿順紋方向貫穿裂縫出現(xiàn)并且底部突然斷裂，破壞形式表現(xiàn)為脆性受拉破壞,見圖4。

圖4 純膠合木梁試驗現(xiàn)象

螺栓并列布置試驗梁組鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的螺栓并列布置，其破壞形態(tài)如圖5所示。

對于試驗梁B60，當荷載加載至4.0 kN時，開始聽到第一聲響聲，當荷載加至6.2 kN時，開始聽到輕微開裂聲，荷載加載至12.9 kN時發(fā)出連續(xù)劈裂聲。當荷載加載至20.1 kN時，梁被破壞，裂縫沿梁底部一排螺孔連線貫穿開裂，被連接的兩個膠合木梁之間發(fā)生明顯的相對轉(zhuǎn)動。

對于試驗梁B80和B100，前期變化過程與B60大體相似，B80最終破壞荷載為21.8 kN，破壞形態(tài)也為梁底部一排螺栓孔連線貫穿開裂破壞。B100最終破壞荷載為23.8 kN，破壞形態(tài)為梁底部一排螺栓孔連線位置產(chǎn)生貫穿開裂的裂縫同時梁底部也產(chǎn)生了垂直于順紋方向的貫穿裂縫。

(a)B60 (b)B80 (c)B100

(d)B60(Y) (e)B80(Y) (f)B100(Y)

試驗梁B60(Y)、B80(Y)和B100(Y)的破壞形態(tài)與B60、B80和B100基本類似，其極限荷載分別為19.3、21.4、24.0 kN。

螺栓錯列布置試驗梁組鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的螺栓錯列布置，其破壞形態(tài)如圖6所示。

(a)C60 (b)C80 (c)C100

(d)C60(Y) (e)C80(Y) (f)C100(Y)

對于試驗梁C60，當荷載加載至5.4 kN時，開始聽到第一聲響聲，當荷載加至5.8 kN時，開始聽到細微開裂聲，當荷載加載至9.5 kN時發(fā)出連續(xù)劈裂聲。當荷載加至20 kN時，梁發(fā)生脆性破壞，裂縫沿梁底部螺孔連線貫穿開裂，被連接的兩個膠合木梁之間發(fā)生明顯的相對轉(zhuǎn)動。 C80、C100前期變化過程及最終破壞形態(tài)與C60也基本一致，均為螺栓孔連線位置產(chǎn)生貫穿裂縫。C80最終破壞荷載為22.8 kN，C100最終破壞荷載為23.1 kN。其中C80試件由于螺孔旁邊存在木節(jié)，沿順紋開裂的裂縫繞過木節(jié)開裂。

試驗梁C60(Y)、C80(Y)和C100(Y)的破壞形態(tài)與C60、C80和C100也基本類似，其極限荷載分別為18.6、21.4、23.6 kN。

2.2 螺栓破壞模式

為便于表述，對螺栓及螺栓孔進行編號(如圖7所示)。從如圖8(a)～(f)所示的試驗梁破壞后對應梁上螺栓破壞狀況可以看出：試驗梁在靠近梁的下緣一排螺栓均有不同程度的彎曲破壞，而梁的上緣與中間這兩排螺栓較少發(fā)生彎曲情況。從每組試驗梁中挑選出彎曲破壞程度最大的螺栓(如表2所示)進行比較，發(fā)現(xiàn)隨著螺栓順紋間距的減小，其彎曲破壞程度最大的螺栓的彎曲程度也在增大。

同樣，不同位置的螺栓孔變形程度也不同，即當螺栓發(fā)生較大彎曲變形時，所對應的螺栓孔也發(fā)生較大的變形。并且，從圖8(g)～(h)所示螺栓孔的破壞情況來看，其變形軌跡為曲線，受擠壓方向是不斷改變的。所以，螺栓孔并不是受到單一方向的擠壓而發(fā)生變形，在整個加載過程中，螺栓孔受到的擠壓方向隨荷載增加而不斷發(fā)生變化。這充分說明，在加載過程中，膠合木梁段并不是繞某一固定的中心轉(zhuǎn)動，這個轉(zhuǎn)動中心是隨著試驗荷載的增加而改變，從而表現(xiàn)出螺栓受力方向的變化。

圖7 螺栓及螺孔位置編號Figure 7 Location and number of bolts and holes

(a)B60 (b)B80 (c)B100

(d)C60 (e)C80 (f)C100

(g)B80 (h)C80

表2 彎曲破壞程度最大螺栓位置Table 2 Maximum bending of bolt position試件編號J60J80J100C60C80C100彎曲破壞程度最大螺栓編號Z9Y9Y9Z9Z9Z9

3 結(jié)果分析

3.1 承載力分析

表3為試驗梁的極限荷載、破壞時對應的撓度測試結(jié)果。由表3可知，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁螺栓采用并列、錯列布置與拼接兩段梁是否來源于同一根膠合木對梁極限承載力及極限變形影響不大。

隨著螺栓順紋間距的增加，梁的極限承載力有所提高，說明螺栓順紋間距增大可以有效抑制木纖維受拉裂縫的開展。隨著螺栓順紋間距的增大，梁的破壞形式由鋼夾板連接處破壞轉(zhuǎn)換為梁底部受拉破壞。與純膠合木梁相比，螺栓順紋間距為100 mm的試驗梁極限承載力提高了4%，而螺栓順紋間距60、80 mm的梁極限承載力比純木梁小，是因為螺栓順紋間距小會使木梁局部纖維的損傷范圍發(fā)生重疊，從而使膠合木的破壞嚴重。

表3 各試驗組梁極限荷載及撓度Table 3 Ultimate load and deflection of beams in each test group組別破壞荷載/kN跨中左側(cè)撓度/mm跨中右側(cè)撓度/mmB22.838.7138.71J6019.155.3453.36J8021.556.6757.71J10023.758.6857.28C6019.156.6756.7C8021.956.2255.99C10023.552.0352.17J60(Y)19.453.4154.22J80(Y)21.358.3457.73J100(Y)24.058.0358.61C60(Y)18.654.1654.89C80(Y)21.454.9954.28C100(Y)23.656.3757.09

3.2 荷載-撓度關系曲線

由于各試驗組3根梁荷載-撓度曲線比較接近，為方便表述和對比分析，從每組3根試驗梁中任取一根的試驗數(shù)據(jù)繪制其荷載-撓度曲線(如圖9所示)。

由圖9(a)可知，在受力初期隨著螺栓順紋間距的增加，曲線的斜率值逐漸增加，即剛夾板-螺栓連接膠合木梁的剛度隨螺栓順紋間距的增加而增大。相比于純膠合梁，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的斜率在前期有所提升，說明鋼夾板-螺栓連接件對梁的剛度有提高作用，但隨著荷載的增大，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的曲線斜率開始小于純膠合木梁，即剛度開始小于純膠合木梁的剛度，這是因為隨著荷載的增大，螺栓開始逐漸擠壓孔壁，孔壁發(fā)生變形所致。

圖9(b)、(c)、(d)的荷載-位移曲線趨勢與圖9(a)相似，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁在受荷前期使梁的剛度提高，并且隨著螺栓順紋間距的增加，梁的剛度也會增大。但是到一定程度，由于膠合木需要打孔，破壞了梁下緣的整體性，使得鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的剛度小于純膠合梁。

(a) 并列組

(b) 錯列組

(c) 并列(Y)組

(d) 錯列(Y)組

3.3 荷載-應變關系曲線

同樣，從各試驗組3根梁隨機挑選一根梁的數(shù)據(jù)繪制其純彎段荷載-應變關系曲線(如圖10所示為膠合木沿梁高等距布置的5個應變片的測試數(shù)據(jù))。圖中坐標軸左半部分是受壓區(qū)，應變?yōu)樨?，右半部分是受拉區(qū)，應變?yōu)檎?/p>

(a)純膠合木梁 (b)B60 (c)B80 (d)B100

(e)C60 (f)C80 (g)C100

由圖10可知，從加載開始至梁破壞。沿梁截面高度等距布置的5個應變片的應變值隨著荷載的增大而呈線性增長。純膠合木梁應變分布基本對稱，破壞時，梁頂?shù)膲簯冎禐?.54×10-3με；在使用鋼夾板后，膠合木的受拉區(qū)應變幾乎沒變，受壓區(qū)減小。

鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的荷載-應變曲線與螺栓采用并列、錯列布置關系不大。與純膠合木梁作比較，增加鋼夾板后，膠合木的受拉區(qū)幾乎沒變，受壓區(qū)減小。

4 結(jié)論

通過對鋼夾板-螺栓連接膠合木梁抗彎性能靜載試驗結(jié)果與分析，得出以下結(jié)論：

a.與純膠合木梁相比，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁并列螺栓順紋間距為100 mm時，極限承載能力較純膠合木梁提高4%，并列螺栓順紋間距為60、80 mm時，極限承載能力比純膠合木梁小。并列螺栓順紋間距60、80、100 mm的鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的極限變形相對于普通膠合木分別提高了40.4%、47.7%、49.8%。隨著螺栓順紋間距的增大，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的極限承載能力也會有所提高。

b.鋼夾板-螺栓連接膠合木梁受荷后，前期剛度大于純膠合木梁，隨著荷載的增大，后期剛度小于純膠合木梁，前期剛度隨著順紋螺栓間距的增大而增大。螺栓并列錯列布置與拼接的兩根梁是否來源于同一根膠合木，對鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的受彎性能影響較小。

c.純膠合木梁破壞模式為梁底受拉破壞，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的破壞模式主要有梁底膠合木受拉破壞、層板間撕裂破壞和鋼夾板連接件內(nèi)膠合木拉裂破壞3種情況。彎曲程度最大的螺栓位置都位于梁底靠近跨中位置，且其彎曲程度隨螺栓順紋間距的增大而減小。

d.本文僅對鋼夾板-螺栓連接膠合木簡支梁在靜力荷載作用下的抗彎性能進行了研究，但實際工程中受到受力環(huán)境的影響會出現(xiàn)剪力作用的情況，所以有待進一步開展鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的長期受力性能的研究。