何敏娟 張棋飛

同濟大學建筑工程系 上海 200092

引言

正交膠合木（cross-laminated timber，CLT）是一種至少由三層層板按正交方向膠合組坯而成的工程木，具有剛度大、強度高以及平面正交方向力學性能相近等優(yōu)點，適用于樓板、剪力墻等構件。CLT這種高性能工程木的發(fā)展，改變了傳統(tǒng)木結構只適用于低層住宅的狀況，使建設多高層木結構成為可能［1］。

CLT問世以來，國內(nèi)外學者對CLT剪力墻進行了系列研究。在意大利國家研究委員會林木研究所（CNR-IVALSA）和日本防災科學技術研究所（NIED）合作主持的SOFIE項目中，系統(tǒng)地研究了CLT剪力墻［2］及其結構體系［3］的抗側性能。結果表明：CLT結構的破壞多集中于墻板與墻板、墻板與樓板或基礎間的連接區(qū)域；抗剪件的布置及力學性能直接影響CLT剪力墻結構的抗側能力。為進一步推動木結構在多高層建筑領域的應用，業(yè)內(nèi)還開始探索了高性能、高效率的木混合結構的性能，如CLT-鋼或混凝土混合結構充分利用了CLT輕質(zhì)高強、裝配化程度高等優(yōu)點而使混合結構的承載能力更高。但是，木混合結構的抗側能力同樣十分依賴于木與鋼或混凝土連接節(jié)點的力學性能，因此連接件的力學性能受到了很多研究人員的重視。Hassanieh等［4］對CLT樓板-鋼梁連接節(jié)點開展了研究，對兩者間采用不同緊固件下的抗剪性能進行了試驗，提出了CLT樓板-鋼梁連接節(jié)點的抗剪承載力簡化公式。Ataei等［5］對CLT-鋼組合梁層間連接的剪切滯回性能進行了試驗研究，對比了自攻螺釘和螺栓連接對節(jié)點抗剪承載力的影響，并建立了該類節(jié)點的抗剪計算的數(shù)值模型。Yang等［6］基于單向推出試驗分析了栓桿直徑、螺栓間距及木材厚度對中國國產(chǎn)落葉松-鋼連接節(jié)點力學性能的影響規(guī)律，并采用指數(shù)模型對該類節(jié)點的荷載位移曲線進行了擬合。

為進一步提高CLT-鋼混合結構中CLT墻與樓面鋼梁的連接性能，充分發(fā)揮CLT強度高的優(yōu)勢，本文采用螺栓連接CLT剪力墻與其下鋼梁，在螺栓桿中施加預應力來壓緊剪力墻端部與鋼梁頂部的接觸面，從而依靠摩擦來傳遞剪力，并通過試驗來確定該連接節(jié)點的抗滑移性能。

1 CLT墻與下部鋼梁的抗剪連接方法

1.1 CLT墻與鋼梁的螺栓連接方法

CLT剪力墻與下部鋼梁傳統(tǒng)連接方式如圖1所示。剪力墻受側向力作用，墻底兩側用抗拔連接件與下部鋼梁連接，傳遞拉力；墻體中間用鋼抗剪件與下部鋼梁連接，傳遞剪力，因連接方式簡單，得到較多應用。但該類連接的承載力相對較低，往往成為墻體承載力的控制因素。為提高節(jié)點抗剪承載力，往往會安裝很多個抗剪件，有時將整個板都布滿。為提高CLT墻與底部鋼梁連接的承載能力，本文提出了用預應力螺栓的連接方式，如圖2所示。CLT墻與底部鋼梁在兩側采用長預應力筋連接，傳遞拉力；在中間采用預應力螺栓連接，傳遞剪力。

圖1 傳統(tǒng)CLT墻與鋼梁連接Fig.1 Traditional connections between CLT wall and steel beam

圖2 CLT墻與鋼梁預應力螺栓連接Fig.2 Pretensioned bolt connections between CLT wall and steel beam

1.2 預應力螺栓抗剪連接細部

本文主要研究CLT墻與樓面鋼梁采用預應力螺栓連接的具體構造。如圖3所示，在CLT墻板底部開螺栓孔，螺栓從中穿過與下部鋼梁翼緣連接，在鋼梁翼緣下方和CLT墻上的操作孔操作，對螺栓施加預應力。CLT墻體承受側向力時，通過CLT墻底與鋼梁翼緣表面摩擦抵抗剪力。

圖3 預應力螺栓連接Fig.3 Pretensioned bolt connections

2 試驗設計

2.1 試驗簡介

本文試驗目的就是通過加載，了解預應力螺栓連接下CLT剪力墻與鋼板間的抗摩擦性能。為便于加載，試件設計成鋼板與兩側CLT墻板用預應力螺栓連成一體，如圖4所示，這樣對稱加載與變形，不會引起試件側傾。加載時，固定CLT板，對鋼板施力，通過測量預應力值、接觸面上最大抗滑移承載力，來確定CLT與鋼板間的抗滑移能力。

圖4 試件設計Fig.4 Specimen design

2.2 試驗材料

試驗中選取的CLT材料為云杉-松-冷杉（SPF），層板所用材料為IIIc等級規(guī)格材，單層層板厚度35mm，密度為457kg／mm3。試驗在萬能試驗機上進行，鋼板在豎向進行加載，故試驗如圖5所示，與圖4相比轉(zhuǎn)了90°。CLT和鋼墊板尺寸分別根據(jù)端面承壓及螺栓孔壁承壓能力確定，鋼墊板尺寸為h×b×t=90mm×70mm×20mm（厚度），保證試件達最大滑移承載力時CLT端面不壓壞、螺栓孔壁不發(fā)生承壓破壞。鋼板材質(zhì)為Q235B鋼，表面未經(jīng)特殊處理，CLT、鋼板采用兩根8.8級M16螺栓連接，栓桿上串聯(lián)力傳感器，以測定螺栓桿內(nèi)預應力值。

圖5 試件尺寸（單位：mm）Fig.5 Specimen size（unit：mm）

2.3 試驗布置

試件采用電液伺服加載系統(tǒng)，豎向作動器最大行程為250mm，能提供的最大壓力為500kN。液壓千斤頂加載端剛性無轉(zhuǎn)動，荷載由加載頭直接傳遞至鋼板，力傳感器實時監(jiān)測螺栓桿內(nèi)預應力值，加載如圖6所示。

圖6 試驗加載示意Fig.6 Test configuration

試件預應力分為10kN、20kN、40kN、60kN、80kN及120kN六種狀況，每種預應力狀況包含三個試件。試件命名規(guī)則為：PB xx-n，其中xx為兩根螺栓桿中總的預應力值（單位kN），n為相同預應力下的試件編號，n=1、2、3。

2.4 加載制度

試驗加載制度采用歐洲規(guī)范（BSEN 26891—1991）［7］所推薦的適用于確定木結構連接件強度及變形的方法，如圖7所示。試件加載分兩階段。第一階段為力Fu控制，加載段與卸載段速率均為0.2Fu／min，首先從0加載至0.4Fu，保持30s，再下降至0.1Fu，維持30s，接著荷載線性增加至0.7Fu。第二階段的力從0.7Fu開始，采用位移du控制，加載速率vd為2mm／min，直至試件發(fā)生滑移破壞。

圖7 加載制度Fig.7 Load protocol

Fu為試件預估極限承載力，按式（1）估計：

式中：μ為CLT墻-鋼板接觸面靜摩擦系數(shù)；P為所施加的總預應力值。

孫曉峰等［8］給出了兩層預應力剪力墻在往復加載下的靜摩擦系數(shù)0.43，考慮到剪力墻處于搖擺狀態(tài)，峰值摩擦力被低估，故本試驗采取的靜摩擦系數(shù)預估值為0.5。

3 試驗現(xiàn)象

3.1 失效模式

試件可能破壞模式有CLT端面的承壓破壞、CLT螺栓孔壁的承壓破壞以及鋼板相對于CLT的滑移，試件尺寸設計時避免了前兩種破壞模式，因此試驗中僅觀察到CLT與鋼板間滑移的失效模式，如圖8所示。

圖8 鋼板滑移Fig.8 Slip of steel plate

加載完成后，卸去預應力螺栓，CLT與鋼板的滑移面如圖9所示。CLT端部螺栓孔壁未發(fā)現(xiàn)木材壓潰，鋼板長圓孔邊緣無擠壓變形，接觸面上除斜向的擦痕外，未觀測到木材壓潰或裂縫。結果表明，螺栓桿在加載過程中僅起提供預應力的作用，不參與抗剪。

圖9 CLT與鋼板滑移面Fig.9 Slip surface between CLT and steel plate

3.2 預應力損失

試驗時栓桿中預應力會發(fā)生損失，預應力損失可以分為兩個階段。第一階段為預應力施加后至加載開始前，該階段的預應力損失主要是由于螺母的松動。為避免第一階段預應力損失過多，將螺栓桿超張拉至目標值的1.05倍，栓桿預應力數(shù)值穩(wěn)定之后再開始進行加載。第二階段為加載開始之后，以試件PB60-1為例進行分析。PB60-1試驗加載時的力-滑移相關曲線如圖10所示，螺栓中預應力實測值用虛線示于圖中。

從圖10可以看出，加載后預應力損失主要集中在兩處，第一處為卸載段，荷載重加載至0.4Fu后，栓桿張拉力出現(xiàn)了下滑。第二處為滑移點，螺栓桿預應力跳躍式下降，預應力損失值約占總預應力值的5%。

圖10 PB60-1力-滑移曲線Fig.10 PB60-1 force-slip curve

4 承載力

4.1 最大靜摩擦力

各組試件在不同預應力狀況下的力-滑移曲線如圖11所示。曲線上滑移增加而力變小的那個點定義為摩擦面開始滑移，稱為“滑移點”。

圖11中PB10組無明顯滑移點，該組的滑移點采用歐洲規(guī)范（BS EN 12512：2001）［9］中確定屈服荷載的方法定義，通過0.1Fu至0.4Fu兩點連線，定義傾角為α，以斜率為1／6tanα作與單調(diào)加載曲線相切的直線，兩條線的交點定義為滑移點。除PB10組以外，其余各試件測得的靜摩擦力達到最大值之后均下降，因此選取力-滑移曲線第一個力極值點作為試件滑移點，對應的荷載為最大靜摩擦力。

圖11 力-滑移曲線Fig.11 Force-slip curve

同一預應力水平下的力-滑移曲線離散程度較小。荷載低于0.7Fu時，各試件的力-滑移曲線基本重合，高于0.7Fu時，同組試件的力-滑移曲線出現(xiàn)不同程度的波動。0.1Fu至0.4Fu之間存在初次加載、卸載、重加載三段曲線，三段曲線基本重合，結果表明，在0.1Fu～0.4Fu作用下該連接節(jié)點可以視為低損傷甚至無損。

4.2 靜摩擦系數(shù)

不同預應力狀況下，靜摩擦系數(shù)均值見表2。

表2 靜摩擦系數(shù)均值Tab.2 Mean value of static friction coefficient

各試件栓桿張拉力實測值與最大靜摩擦力見表1。表中栓桿張拉力實測值為加載開始前30s力傳感器測得數(shù)據(jù)的平均值。

表1 各試件預應力實測值和最大靜摩擦力Tab.1 Pretension force measured values and maximum static friction force

從表1可見，最大靜摩擦力與預應力呈正相關。同一預應力水平下，靜摩擦力數(shù)值接近。

靜摩擦系數(shù)均值均高于0.5，波動范圍在0.51與0.58之間。在預應力低于40kN的情況下，靜摩擦系數(shù)隨著預應力值的增加而變大，在預應力為40kN時得到峰值0.58，之后隨預應力的增加而減小，最終趨于穩(wěn)定。試驗可見，CLT與鋼梁預應力螺栓連接下的靜摩擦系數(shù)不小于0.5。

5 結論

本文對CLT墻-樓面鋼梁在預應力螺栓連接下進行了不同預應力時的抗滑移性能試驗，通過試驗可得到如下結論：

1.依靠合理的試件設計，可以避免木材的局部壓潰及銷槽承壓破壞。

2.螺栓桿僅承擔張拉力，剪力由CLT-鋼接觸面摩擦力抵抗，加載完成后，除CLT和鋼板各自接觸面存在擦痕外，其余未觀測到破壞，該種螺栓連接具有明顯低損傷性。

3.預應力螺栓會發(fā)生預應力損失。加載前，可通過超張拉來避免栓桿預應力損失；加載開始之后，滑移點附近存在預應力損失，損失值約占總預應力值的5%。

4.隨著預應力的增大，最大靜摩擦系數(shù)先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定；CLT-鋼預應力螺栓連接件下的最大靜摩擦系數(shù)不小于0.5。