葉靈鵬, 鄭曉清, 林 巍, 朱浩川

(1 浙江大學建筑設計研究院有限公司，杭州 310028；2 浙江大學平衡建筑研究中心，杭州 310028)

0 引言

木材是一種綠色環(huán)保的可再生材料,膠合木產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應用于各類大型建筑項目,作為梁、柱、墻等建筑構件［1］。螺栓-鋼填板連接是膠合木結構中常用的連接方式,該連接方式簡單,施工方便。但是,由于螺栓孔周圍應力狀態(tài)復雜,這種節(jié)點很容易在螺栓孔附近出現(xiàn)裂縫［2-3］。一些實際工程中,膠合木梁由于受潮濕脹、膠層老化等原因也會出現(xiàn)裂縫。若不采取有效合理的加固措施對既有帶裂縫的膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點進行處理,可能造成節(jié)點失效導致結構倒塌。因此,對既有帶裂縫的膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點的加固措施進行研究是具有實際工程意義與價值的。

國內(nèi)外對膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點開展了許多研究。徐德良等［4］、奚愛峰等［5］、張鶴嵐和張雷明［6］對軸向力作用下的木結構螺栓-鋼填板連接節(jié)點的承載性能進行研究,研究結果表明,木結構螺栓-鋼填板連接節(jié)點的破壞模式包括銷槽破壞和螺栓彎曲破壞,節(jié)點的軸向承載力隨著側材厚度、螺栓數(shù)量增加而增加;延性隨著側材厚度增加而增加,隨著螺栓數(shù)量的增加而減小。之后,有學者開始研究螺栓-鋼填板連接節(jié)點的抗彎性能。王明謙等［7-8］對膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點的轉動性能進行研究,研究表明,膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點性能主要取決于螺栓和螺孔周邊木材的承壓性能,且節(jié)點初期的螺孔間隙和后期木材橫紋裂縫會導致節(jié)點剛度顯著下降,木材橫紋劈裂是節(jié)點的主要破壞模式,節(jié)點的受彎承載力和延性隨著彎剪比的增加而降低。李征等［9］通過單調(diào)加載試驗研究木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點在彎剪復合作用下的轉動性能,并提出了節(jié)點在彎剪復合作用下的極限承載力和節(jié)點剛度的計算方法,同時提出了彎矩-轉角曲線的理論預測模型。陳麗等［10］采用粘性區(qū)模型研究了膠合木梁柱內(nèi)嵌鋼板-螺栓連接節(jié)點在單調(diào)荷載作用下的力學行為和開裂位移,結果表明,粘性區(qū)模型在模擬膠合木梁柱節(jié)點的力學行為和開裂位移方面具有很好的適用性。針對膠合木梁柱螺栓-鋼填板連接節(jié)點容易出現(xiàn)裂縫的問題,有學者提出了增強措施對節(jié)點進行增強。劉慧芬和何敏娟［11］運用自攻螺釘來加強螺栓-鋼填板節(jié)點,發(fā)現(xiàn)隨著自攻螺釘個數(shù)增加、直徑增大,節(jié)點的承載力、破壞轉角、延性系數(shù)以及節(jié)點總耗能增大。冷予冰等［12］用內(nèi)貼重組竹和外包鋼板等措施對膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點進行增強,結果表明,內(nèi)貼重組竹和外包鋼板可以有效提高節(jié)點的抗劈裂性能,彎矩和對應轉角均有所提高。張邁麗［13］運用摩擦耗能裝置加固帶裂縫的膠合木螺栓-鋼填板節(jié)點,發(fā)現(xiàn)加固后節(jié)點的承載力、剛度和延性等均有提升。

目前針對完好膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點性能及其增強措施的研究較多,但大多數(shù)未考慮膠合木梁帶裂縫的狀態(tài),帶裂縫等缺陷的膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點的加固研究較少。因此,針對由于外力作用或者環(huán)境影響而出現(xiàn)裂縫的既有膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點,本文運用鋼箍、碳纖維布或者自攻螺釘加固,在已有試驗的基礎上建立膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點有限元模型,考慮裂縫影響,研究加固節(jié)點的抗彎性能,分析節(jié)點破壞模式、承載力、剛度和延性等,為實際工程中出現(xiàn)裂縫的膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點的加固或者應急處理提供參考。

1 有限元模型及驗證

1.1 模型建立

本文運用非線性有限元軟件ABAQUS分析膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點的受力性能,選取文獻[7]的S1組試件進行有限元模擬與驗證。試件幾何尺寸如圖 1所示。鋼填板厚12mm,螺栓直徑20mm,螺栓邊距70mm,膠合木梁和膠合木柱之間留有5mm間隙。試驗將梁柱節(jié)點旋轉90°放置于試驗平臺上,設置鋼梁和螺栓對柱端進行固定,在試件與反力架間放置鋼塊限制木柱水平位移。在梁自由端設置夾具與電液伺服作動器相連以施加水平位移并限制面外變形。

木材為各向異性材料,順紋方向強度和彈性模量均大于橫紋方向。本文考慮木材各向異性以準確模擬節(jié)點力學性能,在ABAUQS中用彈性工程常數(shù)來實現(xiàn)材料各向異性,用各向異性HILL屈服準則來考慮木材塑性,木材與碳纖維布的主要材料參數(shù)如表 1［14-15］所示。木材的順紋抗壓屈服強度取16MPa,橫紋抗壓屈服強度為5.63MPa。鋼填板彈性模量為2.06×105N/mm2,屈服強度為390MPa;螺栓彈性模量為2.06×105N/mm2,屈服強度為780MPa,均采用理想彈塑性材料本構。通過銷軸承壓模型來考慮節(jié)點制造過程中預鉆孔對螺孔周圍木材產(chǎn)生的初始損傷,銷軸承壓模型的材料力學性能參數(shù)參照文獻[16]取值。

節(jié)點有限元模型如圖 2所示。模型采用結構化網(wǎng)格劃分,木材、螺栓和鋼板的單元用三維實體單元C3D8R,網(wǎng)格尺寸范圍為15～40mm。鋼板與木材、螺栓與木材、螺栓與鋼板之間設置接觸對,考慮摩擦和擠壓作用,摩擦系數(shù)取0.3。根據(jù)試驗約束條件,在柱兩端約束三個方向的位移。

表1 木材和碳纖維布的主要材料參數(shù)［14-15］

本文有限元模型不考慮木材裂縫的開展以及由于裂縫開展導致的承載力下降段,同時也不考慮由于初始的螺栓和螺栓孔壁縫隙導致的節(jié)點零剛度段。本文采用最大拉應力理論來判斷木材橫紋劈裂破壞,當最大拉伸主應力超過木材的橫紋抗壓強度時,節(jié)點發(fā)生木材橫紋劈裂破壞,木材橫紋抗壓強度取2.12MPa［7］。

1.2 有限元模型驗證

圖 3為節(jié)點彎矩-轉角曲線的模擬結果和試驗結果對比?？梢园l(fā)現(xiàn),有限元模擬的彎矩-轉角曲線和試驗彎矩-轉角曲線吻合良好。圖 4為膠合木梁的最大主應力云圖。由圖4可得,在單調(diào)荷載作用下,木梁一側受壓,另一側在螺栓孔附近產(chǎn)生較大的拉應力,容易引起木材橫紋裂縫。圖 5為膠合木梁螺栓孔和螺栓的變形情況,由圖可得,螺栓孔發(fā)生較大的局壓變形,梁螺栓以及柱螺栓均產(chǎn)生一定的彎曲變形。綜上,本文有限元模型模擬結果與試驗結果基本吻合,驗證了有限元模型的準確性與有效性。

2 帶橫紋裂縫膠合木梁柱節(jié)點加固方案

膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點在彎矩作用下或者外界環(huán)境長期影響下,容易出現(xiàn)橫紋裂縫。實際工程中膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點出現(xiàn)橫紋裂縫后,應采取合理的措施進行加固。本文分別采用鋼箍、碳纖維布和自攻螺釘對帶橫紋裂縫的膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點進行加固,通過鋼箍、碳纖維布或者自攻螺釘來約束節(jié)點以限制橫紋裂縫開展,恢復節(jié)點承載能力和轉動剛度。節(jié)點加固示意圖如圖6所示。

鋼箍加固方案在節(jié)點上增設了三道寬50mm、厚度為3mm的鋼箍,鋼箍與螺栓中心間距95mm。碳纖維布加固方案在節(jié)點上設置了三道碳纖維環(huán)箍,碳纖維布的寬度分別為110mm、130mm和90mm,由3層厚0.333mm的碳纖維布粘貼而成。自攻螺釘加固方案在節(jié)點上增加了8根自攻螺釘,自攻螺釘直徑6mm、長130mm,方向垂直于木梁順紋方向。

3 加固節(jié)點受力性能分析及對比

基于前文有限元模型,在節(jié)點范圍內(nèi)設置1mm寬的縫隙來模擬裂縫,分析帶橫紋裂縫的膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點加固前后的抗彎性能,裂縫預留示意圖如圖 7所示。不考慮結構膠對裂縫兩側的粘結修復作用,僅考慮變形后裂縫兩側面的接觸作用。

碳纖維是一種各向異性材料,其主要材料參數(shù)如表 1所示。碳纖維的抗拉強度取2 800MPa,模擬時采用ABAQUS中的連續(xù)實體殼單元CSS8模擬,該單元可以很好地適用于薄板結構,單元邊長為15mm。不考慮碳纖維布和木材之間的粘結滑移,用Tie約束將兩者綁定在一塊。鋼箍的材料參數(shù)取值同鋼填板,考慮鋼箍與木材之間的接觸。自攻螺釘?shù)膹椥阅Ａ咳?.06×105N/mm2,強度取值為400MPa,自攻螺釘螺紋與木材之間可以很好地錨固,因此本文認為自攻螺釘和木材之間沒有滑移,通過Embed約束將自攻螺釘內(nèi)置于膠合木內(nèi)。需要注意的是,實際加載后期自攻螺釘與木材之間會發(fā)生相對滑移,這需要進一步研究。

3.1 應力與變形情況對比分析

圖 8為未加固和采用不同加固措施的節(jié)點膠合木梁柱的最大主應力云圖?？梢钥闯?在單調(diào)荷載作用下,膠合木梁基本呈現(xiàn)一側受壓,另一側受拉的狀態(tài)。通過對比可以發(fā)現(xiàn),加固后的節(jié)點,膠合木梁的受壓區(qū)范圍要大于未加固的節(jié)點,采用不同加固措施的節(jié)點的膠合木梁受壓區(qū)范圍基本一致,基本布滿圖8中右側裂縫的右側部分,而未加固的節(jié)點,相應的受壓區(qū)范圍僅約為圖8中不同加固措施的節(jié)點右側裂縫的右側部分的1/2。這在一定程度上說明,加固后的節(jié)點裂縫兩側的木材協(xié)同受力情況改善,整體性明顯優(yōu)于未加固的節(jié)點。通過對比圖 8和圖 4中的云圖,也可以發(fā)現(xiàn),加固后的節(jié)點木梁的最大主壓應力分布情況與原完好節(jié)點的最大主壓應力分布基本一致,也進一步說明加固后節(jié)點的整體性明顯改善。

受拉一側在螺栓孔附近產(chǎn)生較大的拉應力,從拉應力分布可以看出,實際上裂縫可能會沿著順紋向有一定的發(fā)展,而且加固節(jié)點的最大主拉應力分布情況與原完好節(jié)點的最大主拉應力分布情況也基本一致。

圖 9為不同加固部件的應力云圖?？梢园l(fā)現(xiàn),在單調(diào)荷載作用下,環(huán)繞的鋼箍和碳纖維布大部分區(qū)域主要受到拉應力作用。鋼箍的最大拉應力約185.0MPa,發(fā)生在鋼填板與鋼箍擠壓處,小于鋼材屈服應力。碳纖維布的最大拉應力約1 265MPa,主要是由于節(jié)點轉動后,鋼填板和碳纖維布發(fā)生擠壓導致,實際情況中可能導致碳纖維布與木材之間的粘結失效,裂縫附近的碳纖維布最大主拉應力基本在350MPa以下,遠小于碳纖維布的抗拉強度值。自攻螺釘在裂縫附近區(qū)域的應力較大,達到了屈服強度400MPa。同時,部分自攻螺釘發(fā)生了明顯的彎曲變形,這是梁裂縫兩側發(fā)生了相對的錯動變形所導致。

另外,通過圖 8對比可以明顯發(fā)現(xiàn),加固節(jié)點的裂縫開展情況明顯好于未加固節(jié)點。當達到極限承載力時,未加固節(jié)點的裂縫最大寬度達到約61mm,而采用鋼箍加固的節(jié)點裂縫最大寬度開展到約8mm,采用碳纖維布加固的節(jié)點裂縫最大寬度僅開展到約2.8mm,采用自攻螺釘加固的節(jié)點,最大裂縫寬度約2.1mm。帶橫紋裂縫的節(jié)點加固后,在受彎情況下,可以有效限制裂縫開展,增強結構整體性,提高節(jié)點剛度和承載力。

3.2 受力性能對比

圖 10為不同節(jié)點的彎矩-轉角曲線,表 2為不同節(jié)點的初始剛度和最大彎矩及對應的轉角數(shù)據(jù)。從圖 10和表 2可以發(fā)現(xiàn),完好節(jié)點的最大彎矩約38.8kN·m,未加固的帶橫紋裂縫的膠合木梁柱節(jié)點的最大彎矩僅約22.5kN·m,相比于完好節(jié)點減少了約42.0%,承載力大幅減小。采用鋼箍、碳纖維布和自攻螺釘加固的節(jié)點的最大彎矩分別為37.0、39.5kN·m和38.8kN·m,分別為完好節(jié)點承載力的95.4%、101.8%和100.0%,節(jié)點的承載力基本恢復。相比于未加固的節(jié)點,采用鋼箍、碳纖維布和自攻螺釘加固的節(jié)點的承載力分別增加了64.4%、75.6%和72.4%,承載力明顯提高。

完好節(jié)點的最大轉角約0.16rad,未加固的帶橫紋裂縫的膠合木梁柱節(jié)點的最大轉角約0.11rad,減少了約31.3%?？梢园l(fā)現(xiàn),用碳纖維布和自攻螺釘加固的節(jié)點的最大轉角分別達到0.18rad和0.21rad,比完好節(jié)點分別增加約12.5%和31.3%,節(jié)點的延性有所增強。需要注意的是,本文不考慮碳纖維布和木材之間的粘結滑移,實際情況可能存在粘結失效的問題,這有待進一步的研究。

另外,從表 2可以看出,未加固節(jié)點的初始剛度最小,比完好節(jié)點小約10.9%。相比于未加固節(jié)點,鋼箍、碳纖維布和自攻螺釘加固節(jié)點的剛度分別增加了約9.9%、15.2%和12.3%。加固后的節(jié)點剛度有所恢復,甚至高于完好節(jié)點。圖10曲線中之所以存在一個剛度突變的拐點(15kN·m左右),是因為隨著節(jié)點轉動角度增加,木梁與木柱之間的初始縫隙擠壓接觸限制節(jié)點轉動,節(jié)點轉動剛度增加。

表2 節(jié)點性能數(shù)據(jù)

圖1 試件幾何尺寸［7］

圖2 節(jié)點有限元模型

圖3 節(jié)點有限元與試驗彎矩-轉角曲線對比

圖4 膠合木梁最大主應力云圖/MPa

圖5 膠合木梁螺栓孔和螺栓變形云圖/mm

圖6 節(jié)點加固示意圖

圖7 預留裂縫示意圖

圖8 未加固和不同加固措施節(jié)點的膠合木梁柱最大主應力云圖/MPa

圖9 不同加固部件的應力云圖/MPa

圖10 不同節(jié)點的彎矩-轉角曲線

圖11 節(jié)點滯回曲線對比

3.3 節(jié)點滯回性能對比

圖 11為不同節(jié)點的滯回曲線對比?？梢钥闯?相較于未加固節(jié)點,加固節(jié)點的初始剛度更大,滯回曲線更飽滿,承載力更高,與單調(diào)荷載作用下的結果一致。完好節(jié)點和加固節(jié)點的滯回曲線基本重合,說明加固節(jié)點在往復荷載作用下的初始剛度、耗能性能和承載力可有效恢復。膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點滯回曲線存在較為明顯的零剛度段,這是螺栓孔擠壓變形后螺栓與螺栓孔壁之間出現(xiàn)間隙所導致。

圖12為膠合木梁的等效塑性應變云圖。從圖12可看出,塑性應變主要集中在膠合木梁螺栓孔附近,螺栓孔發(fā)生較大的擠壓變形。未加固節(jié)點在裂縫末端也出現(xiàn)較為明顯的塑性應變,說明裂縫會進一步開展。在往復荷載作用下,裂縫兩邊的螺栓孔的擠壓變形形狀對稱,未加固節(jié)點由于缺少約束,裂縫兩邊的木材變形較大,實際情況中可能出現(xiàn)劈裂或者脆斷現(xiàn)象。圖13為膠合木梁中螺栓的Mises應力云圖。從圖13可以看出,螺栓的最大應力發(fā)生在中間與鋼填板接觸位置,所有節(jié)點螺栓的最大應力均小于780MPa,未發(fā)生屈服。

圖12 不同節(jié)點膠合木梁塑性應變云圖

圖13 不同節(jié)點膠合木梁中螺栓Mises應力云圖/MPa

3.4 不同加固方案對比

根據(jù)前面的分析可知,鋼箍、碳纖維布和自攻螺釘都可以有效限制橫紋裂縫開展。單調(diào)荷載作用下,自攻螺釘加固節(jié)點的裂縫開展寬度約2.1mm,分別為鋼箍和碳纖維布加固節(jié)點的26.3%和75.0%,相比之下,自攻螺釘可更有效地限制裂縫開展。

另外,采用鋼箍、碳纖維布和自攻螺釘加固的帶橫紋裂縫膠合木梁柱節(jié)點的承載力和剛度都可有效恢復。三者相比,碳纖維布加固節(jié)點承載力分別超過鋼箍和自攻螺釘加固節(jié)點承載力的6.8%和1.8%,剛度則分別超過4.8%和2.6%。在承載力和剛度恢復方面,三種加固方法相似。延性方面,鋼箍、碳纖維布和自攻螺釘加固節(jié)點的極限轉角分別為0.14、0.18rad和0.21rad,自攻螺釘加固節(jié)點延性優(yōu)于另外兩種加固方法。

在滯回性能方面,三種加固方案的滯回曲線相似,圖14為不同加固節(jié)點的累積循環(huán)耗能-轉角曲線?？梢钥闯?鋼箍加固節(jié)點耗能能力最好,其累積耗能為5.89kN·m·rad,比碳纖維布和自攻螺釘加固節(jié)點分別高約3.0%和5.7%。

圖14 累積循環(huán)耗能-轉角曲線

通過綜合對比,三種帶橫紋裂縫膠合木梁柱節(jié)點的加固方案均可有效恢復節(jié)點承載力和剛度,三者承載力、剛度和耗能能力相差不大,因為主要的破壞模式為螺栓孔的破壞。自攻螺釘加固節(jié)點裂縫開展寬度較小且延性較好,其加固施工便捷,對構件外觀影響小。綜上,實際工程中可優(yōu)先采用自攻螺釘加固。

4 結論

(1)相比于完好節(jié)點,帶裂縫的膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點的承載力、剛度和延性都出現(xiàn)不同程度削弱,其中承載力和剛度分別下降了42.0%、10.9%,最大轉角減少了31.3%。因此對于帶裂縫的膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點應該采取合理的措施進行加固。

(2)采用碳纖維布、鋼箍或自攻螺釘對帶裂縫的膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點進行加固可有效恢復節(jié)點的承載力和剛度,限制已有裂縫的開展。相比于未加固的開裂節(jié)點,加固節(jié)點的承載力可提高約64.4%～75.6%,剛度可提高約9.9%～15.2%;相比于原完好節(jié)點,加固節(jié)點的承載力可恢復到原來的95.4%～101.8%。

(3)采用碳纖維布、鋼箍或自攻螺釘加固的帶裂縫膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點的滯回性能可有效恢復,構件的延性和耗能能力與完好節(jié)點基本一致。加固節(jié)點的破壞模式主要是螺栓孔的破壞。