现代竹结构螺栓和螺钉连接节点研究现状

研究背景

Research background

我国位于世界竹子分布中心,竹资源极其丰富,有 39 个竹属,占全世界 70 余个木本竹属的一半以上,有 500 余种竹类,占全世界 1200 多种竹类的近一半。我国早期就有用原竹建造房屋的历史,如湖南湘西的吊脚楼、西南傣族的“干阑式”竹楼等。竹子作为一种天然绿色环保材料,可以就地取材,大大降低建造成本。随着科学技术的进步,以及国家绿色环保、低碳节能等可持续发展政策的推动,全生命周期均可实现与生态环境协调共存的竹结构是未来的发展方向之一。

1 竹结构材的研究和应用

原竹本身存在的局限限制了其在现代建筑结构中的应用: 1) 原竹建造的房屋随机性大,主要由于原竹直径和长度本身的随机性和不规则性,导致原竹建造房屋所采用的各构件尺寸随机性大,因而房屋的详细建造尺寸以及建造水平等随机性大,技术含量低; 2) 原竹内中空,自身的直径和长度有限且不规则,使用范围有限; 3) 原竹因其随机性和不规则性,无法进行标准化、工厂化大批量加工生产;4) 原竹的各向异性造成节点复杂。为了解决原竹随机性、离散性大等问题,相关学者研发出工程竹材,对工程竹材的相关性能展开研究,并将其应用于建筑结构中。

目前广泛用于建筑结构中的工程竹材主要有两大类,一类是重组竹,一类是胶合竹。重组竹是将竹材加工碾碎成竹丝束,经干燥后浸胶,再干燥到要求含水率,铺放在模具中,经高温高压热固化而成的型材。重组竹的物理力学性能均较木材优良,能够满足结构用材力学性能的要求,广泛用于建筑结构中。胶合竹是对竹材胶合工程材料的统称,用于建筑结构的主要是竹集成材和格鲁斑胶合竹(Glubam)。竹集成材是一种单向平行胶合竹材(又称为竹层积材),将竹子剖成竹篾,干燥后浸胶再干燥后,将竹篾按同一方向排列层叠组坯胶合而成。它具有很高的纵向强度和刚度,且目前可获得较厚尺寸达 300 mm 的板坯,根据需要可裁成不同尺寸。竹集成材不论是力学性能还是可加工尺寸方面,均适合用作梁柱等受力构件。Glubam 是一种双向竹纤维胶合竹,特点在于不同的受力构件可采用不同的纤维配比,充分发挥材料的力学性能。增加纵、横纤维的比例,有利于提高 Glubam 的强度和材料的利用率,但不合理的比例会导致 Glubam 板的变形较大,横向性能较弱。目前研究中应用最多的Glubam 板纵向纤维量与横向纤维量之比为 4∶1,被广泛用于梁、柱、墙骨架、桁架等结构体系。

工程竹材作为建筑材料具有多个优势: 1)原材料竹材属于短周期可再生资源,一般 3 ~ 4 年便可用于建筑材料,且生态环保; 2) 竹材的能耗低,建造相同面积的建筑物,竹子的能耗是木材能耗的 1/3,是混凝土能耗的 1/8,是钢铁能耗的 1/50; 3) 竹材具有良好的固碳能力,从原材生长到产品成型,其碳排放值为负,且其固碳能力明显强于木材,而传统的水泥、钢材和铝材的碳排放量远远高于竹材和木材;4) 工程竹材力学性能优良,高于一般木材。基于上述优势,工程竹材应用于现代建筑结构中,有利于推动我国绿色建筑的发展。

2004 年,在国际竹藤组织、中国林业科学研究所和中国建筑科学研究院的合作下,在云南的屏边小学建造了第一所以工程竹材作为建筑结构材的竹材校舍。随后,工程竹材就不断应用于建筑结构中,主要建筑结构应用如图 1 所示。2006—2007年,第一次在北京昌平南口建造了框架结构的全竹结构示范房;2008 年,经南京林业大学张齐生院士和东南大学吕志涛院士牵头,采用重组竹等现代工程竹材,在南京林业大学建造了一栋 2 层竹楼,作为现代竹结构抗震安居示范房,为汶川地震后村镇住宅的重建提供了一个可供选择的良好方案;同一时期,江西飞宇竹业股份有限公司在江西奉新县建造了一座竹重组材别墅;2009 年,采用肖岩课题组自主研发的 Glubam 胶合竹和工程竹结构建造施工技术,在湖南大学建造了首座现代竹结构别墅;同一时期,在湖南省耒阳市又成功建造了蔡伦竹海公园别墅;2010 年,在国际竹藤组织的资助下,在北京紫竹院公园建成了一座竹结构示范房,用于竹产品展示和茶室;2012 年,武汉华中科技大学采用竹胶合材建成了“石榴居”;2014 年,江西贵竹有限公司在沙特建造了一栋 2 层竹集成材别墅;2016 年,湖南大学采用工程竹结构建造完成邵阳县旗杆岭农庄工程;2017 年,南京林业大学在白马小区采用竹集成材成功建造一栋三层示范房;同一时期,国际竹藤中心成功完成福建永安竹质装配式房屋示范工程的建造;2019 年,润竹绿建公司采用重组竹材在河北尚义建造了一座竹屋别墅。虽然目前竹材工程的应用不断提多,但由于工程竹结构的规范标准相对较少,导致工程竹的建筑结构推广应用在一定程度上受到制约,因此,需要建立工程竹领域的相关规范标准,从而进一步促进工程竹材在建筑结构领域的广泛推广应用,形成理论指导实践、实践再提升理论的良性循环。

a—北京南口全竹示范房; b—南京林大 2 层竹楼; c—奉新重组材别墅; d—湖南大学胶合竹别墅; e—湖南耒阳蔡伦竹海公园别墅;f—北京紫竹院别墅; g—武汉华科大“石榴居”; h—沙特竹集成材别墅; i—邵阳县旗杆岭农庄工程;j—南京林大三层示范房; k—福建永安竹质装配式房屋; l—尚义竹屋。

图 1 工程竹的建筑结构应用

2 螺栓连接的研究

费本华等对主侧材均为竹结构材的螺栓连接件的承载力和破坏模式进行了静载试验研究,结果表明,连接结构具有较高的强度、刚度和很好的延性,采用美国 NDS 设计标准中“5% 偏移法”计算单个螺栓承载力,作为设计标准是合理的。多螺栓连接中由于螺栓受力不均需引入折减系数,本研究中的折减系数为 95% 且破坏模式为主板、夹板和螺栓同时达到其极限承载力的理想破坏模式,因此试件具有很好的整体受力特征。

为进一步研究主侧材均为工程竹材的螺栓连接性能,杨瑞珍通过对胶合竹螺栓连接件的承载能力和破坏形态进行试验研究(图 2),得到了与费本华相同的研究结果。

a—中间主材厚 28 mm; b—中间主材厚 56 mm。

图 2 胶合竹螺栓连接节点 mm

周爱萍等通过对重组竹-钢填板螺栓节点进行试验研究(图 3),结果表明:侧材厚度增大,节点承载力、延性系数均增大,破坏模式由单纯的销槽承压破坏变为同时发生螺栓受弯屈服和销槽承压破坏;当两边侧材总厚度与螺栓直径之比(厚径比)为5 时,处于两种破坏模式的临界点;与侧材厚度的影响相同,螺栓端距增大,节点承载力增大,存在临界端距为 7 d (d 为螺栓直径)。将试验结果与中美规范节点承载力计算结果对比分析,发现 GB50005—2003《木结构设计规范》和美国木结构规范 ANSI/AF&PA NDS-2012 的计算结果偏于保守,误差较大。

a—侧视图; b—正视图。

图 3 重组竹钢填板螺栓连接节点

王辰熙通过对钢填板胶合竹螺栓连接进行试验,进一步探究厚径比、螺栓顺纹端距、横纹边距、间距等构造因素对节点力学性能的影响,并提出钢填板胶合竹多螺栓连接节点的承载力计算公式。

相关学者也对工程竹钢夹板螺栓连接节点进行了相关的研究,如 Yang 等对钢夹板-glubam 单螺栓连接试件进行了试验。结果表明:顺纹试件均发生剪切屈服,横纹试件发生净截面拉断,端距是决定顺纹连接承载力的决定性因素,而边距对横纹连接的承载力影响更大,并且顺纹连接比横纹连接具有更高的承载强度和延性。同时采用“5% 偏移法”计算螺栓连接的屈服荷载,并根据试验数据分析得出了螺栓连接承载力的计算公式。

钟永等对竹层积材钢夹板螺栓节点进行承压试验和 ABAQUS 有限元模拟研究,试验与有限元结果吻合良好,并分析了竹层积材厚度和螺栓直径对节点刚度、屈服荷载和破坏形式等力学性能的影响。

崔兆彦等对重组竹钢夹板螺栓连接进行受拉试验(图 4),进一步得出:随螺栓直径、端距和间距增加,螺栓连接承载力增加,当试件厚径比为5.0 ~ 5.7 时,螺栓连接破坏形态为单铰屈服模式,厚径比为 8.0 ~ 10.0 时为双铰屈服模式,此结论与周爱萍等的研究结论不同。笔者分析原因认为主要是由于螺栓连接节点的形式不同造成的。将试验结果与 GB 50005—2003、《木结构设计手册》和 Eurocode 5 计算公式的计算结果对比发现,国内规范计算结果较为保守,Eurocode 5 计算公式具有更好的适用性。

图 4 重组竹钢夹板螺栓连接节点受拉试验

在以上研究基础上,李霞镇等通过试验对重组竹钢夹板单螺栓连接受压承载力进行理论分析(图 5),得到节点承载力受螺栓直径、主构件厚度和端距三因素共同影响,Foschi 理论模型能够较为全面地反映节点整个受力过程。采用 GB 50005—2017《木结构设计标准》和 Eurocode 5 得到的计算值与试验值之间均存在一定安全富余空间,但采用 GB 50005—2017 的计算误差相对 Eurocode 5 较小,可以较好地预测重组竹-钢夹板螺栓连接的承载力。此结论与崔兆彦等的研究不同,笔者认为主要原因是 GB 50005—2017 在 GB 50005—2003 的基础上对螺栓节点承载力计算公式做了修正,使2017 版更适用于不同材质、不同强度等级的构件组合而成的连接节点,且 Eurocode 5 的承载力计算考虑了“绳索效应”,导致误差偏大,因而 GB 50005—2017相比 GB 50005—2003 和 Eurocode 5,能较好地预测重组竹-钢夹板螺栓连接的承载能力。

a—正视图; b—侧视图。

注: e 为端距; d 为螺栓直径; c 为构件厚度。

图 5 重组竹钢夹板螺栓连接节点受压试验

相关学者对不同种类的螺栓连接形式进行了一定的研究,包括工程竹材螺栓连接、钢填板螺栓连接以及钢夹板螺栓连接等,考虑了螺栓直径、螺栓端距、螺栓行距、螺栓间距等构造要求,以及钢填板或钢夹板厚度等多个影响参数,研究得到了不同参数对螺栓连接力学性能及破坏模式的影响规律,并通过将国内外木结构设计规范得到的计算值与试验值进行对比分析,探究了不同木结构设计规范对工程竹结构螺栓连接的适用性。虽然在一定程度上木结构设计规范可以预测工程竹结构的承载力,但是采用木结构相关规范预测工程竹结构螺栓连接的承载力存在较大的误差,分析认为虽然竹材与木材有一定的相似性,但是二者在宏观和微观构造上均存在本质的差异。由于目前工程竹结构的相关规范相对较少,因此有待对工程竹结构做进一步研究,尽快制定符合工程竹结构的相关规范标准,从而指导其工程设计和应用。

3 梁柱螺栓节点的研究

李玉顺等对钢-竹组合结构梁柱边节点进行了拟静力试验研究,节点采用钢套筒、T 型钢连接件和螺栓以实现组合梁柱之间的连接(图 6),得到了梁柱节点的耗能系数、延性系数等抗震性能指标,在此基础上进行节点区连接件理论转角计算方法分析,得出螺栓强度等级和根数对节点核心区的剪切变形和组合梁柱节点的极限承载力影响不大,但节点区钢套筒焊脚尺寸和加劲肋的设置变化对节点转动刚度和抗震性能指标影响显著。在此基础上,为进一步研究此节点对钢-竹组合框架结构抗震性能的影响,李玉顺等建立 6 榀 2 层钢-竹组合框架数值模型,对其进行了地震作用下的有限元分析,结果表明:其滞回曲线饱满,抗震性能突出,提高节点处螺栓的强度和设置加劲肋能显著提高钢-竹组合框架的抗震性能。

图 6 钢-竹组合梁柱边节点

Huang 等对钢-竹组合梁柱连接节点做了进一步研究,提出了一种新型的钢-竹组合框架半刚性连接的耗能装置(图 7)。通过对不同耗能板长厚比的连接节点进行循环加载试验,发现框架的损坏可以限制在耗能板处,且具有足够的初始刚度、强度和延性,并提出了连接承载能力的简化公式,与试验结果吻合较好。在此研究基础上,Wang 等提出了该节点的恢复力模型,并通过有限元模拟验证其有效性;为进一步验证该耗能节点的抗震性能,对 5层 3 跨钢-竹组合结构框架在地震作用下的时程分析进行了数值模拟。

图 7 钢-工程竹组合结构耗能节点

根据实际工程中的应用,冯立等选取具有代表性的螺栓连接胶合竹梁柱框架试件(图 8),通过试验研究梁贯通式螺栓连接节点的抗剪承载力性能。结果表明,节点螺杆群中的螺杆受力不均,节点的破坏模式主要是胶合竹的撕裂,在构造合理的条件下,受力较小的螺杆也可参与抗震耗能。同时根据 GB 50005—2003 以及美国规范 ANSI/AF&PANDS-2012 计算出胶合竹螺栓节点抗剪承载力,将其与试验结果对比,发现计算值均偏于保守。

图 8 胶合竹结构梁柱螺栓连接节点

在多螺栓连接受剪性能研究的基础上,冷予冰提出多螺栓连接在弯矩和剪力共同作用下受力性能的研究,设计了钢填板螺栓节点和外包钢板螺栓节点两种工程竹梁柱节点(图 9),通过试验对比分析得出,采用外包钢板螺栓连接有利于增强节点的抗侧性能。

a—钢模板螺栓节点; b—外包钢板螺栓节点。

图 9 胶合竹梁柱节点

以上研究的梁柱螺栓节点很好地解决了梁柱的连接,但不能同时解决柱柱连接的问题。周军文等设计了一种既可以完成梁柱构件连接,又可实现柱子竖向连接贯通的新型装配式节点(图 10),通过试验研究节点力学性能的影响因素及规律。结果表明:增加节点梁翼缘钢板厚度既可以提高承载力,又可以增加节点的转动能力;增加柱套钢板的厚度可以提高节点的承载力和初始转动刚度。在对节点静载试验研究的基础上,周军文等又进行了循环荷载试验,研究不同柱套钢板厚度对节点地震作用力学性能的影响,发现柱套钢板越厚,节点的承载力和刚度越大,但耗能能力变差。

a—节点分解; b—节点连接。

图 10 新型装配式梁柱节点

综上,学者们对不同形式的梁柱螺栓连接节点进行了相关研究,分别探究了梁柱节点静力性能和抗震性能的影响因素,以及不同因素对节点破坏模式的影响规律,结果表明,不同形式的节点通过控制影响参数均具备较好的抗震性能。但目前关于梁柱螺栓连接节点的承载力理论研究相对较少,现有研究中依据木结构规范得到的承载力计算值均与试验值存在误差。因此,未来可考虑对相关的梁柱螺栓节点进行深入的理论研究,得到适用于工程竹材梁柱螺栓连接节点承载力的统一的标准计算方法,从而指导相关梁柱螺栓连接节点的工程设计,有利于其在实际工程中的推广应用。

4 螺栓连接的研究

螺钉连接是工程竹材连接的基本形式之一,承受的荷载可分为两个方向:垂直于螺钉杆的侧向剪力以及平行于螺钉杆的拔出力,因此握钉力和侧剪承载力是衡量螺钉连接节点性能的两个基本强度指标。

李吉庆等通过对竹集成材的 3 种螺钉连接进行试验(图 11),研究得出螺钉种类对螺钉的握钉力影响较小,减小导孔直径、提高拧入深度能显著提高螺钉连接强度,并建议螺钉导孔直径为螺钉公称直径的 80% ~ 90% 较合适。在此基础上,刘学莘等采用相同的参数和试验方法,对重组竹的握钉力进行了试验研究,得到相同的结论,并建议重组竹的导孔直径可设为螺钉公称直径的 75%。张恒旺也做了进一步研究并得到相同结论,但建议导孔直径取螺钉直径的 70%,同时提出顺纹方向的握钉力比横纹方向的差,握钉力随着拆装次数的增加而降低。

图 11 竹集成材螺钉连接

Chen 等通过试验研究重组竹螺钉连接的握钉力,如图 12 所示。研究得出:螺杆直径、螺杆类型和加载速率对握钉力没有显著影响,随着导孔直径的增大,握钉力减小,并建议导孔直径为螺钉公称直径的 60% ~ 85%。

图 12 重组竹材螺钉连接

郑维等对竹胶板覆面剪力墙中钉连接的承载性能进行试验(图 13),其中,墙骨采用工程木材,竹胶板作为覆面板。研究发现:横纹加载的极限承载力略高于顺纹加载的,竹胶板厚度和板端距的变化对竹胶板覆面钉连接力学性能的影响不大;采用自攻螺钉的竹胶板覆面钉连接的弹性刚度和极限承载力约为采用普通圆钉、钢射钉时的 4 ~ 5 倍,大大提高了竹胶板覆面剪力墙的抗侧力性能。在此研究的基础上,又增加一侧墙骨,对墙骨-竹胶板-墙骨形式的竹胶板双剪螺钉连接的承载性能进行了试验研究,得到其承载力与单剪相同的结论,并提出我国 GB 50005—2017 预测的双剪螺钉连接的屈服模式有较好的准确性,但计算的极限承载力偏低。

a—顺纹加载; b—横纹加载。

图 13 竹胶板覆面剪力墙中钉连接

Li 等对冷弯薄壁型钢框架剪力墙与工程竹板覆面板钉连接进行试验(图 14),结果表明:随螺钉直径的增加,连接试件的刚度和峰值载荷均增加,但延性系数变化不大;随螺钉端距的增加,峰值荷载增大,但刚度和延性系数变化不大;随加载速率的增加,弹性刚度、峰值荷载和延性均减小;并提出工程竹板具有良好的力学性能,可以作为冷弯薄壁型钢框架剪力墙结构的有效覆面板。

a—试验加载装置; b—加载示意。

图 14 冷弯薄壁型钢框架剪力墙与工程竹板覆面板钉连接

与上述研究中主侧材的选取不同,Sinha 等将竹集成材作为框架主材,刨花板(OSB 板)作为护面板,通过试验研究了竹集成材-OSB 板螺钉连接的侧向承载力。结果表明,屈服前平行于竹集成材墙骨纤维方向加载试件的承载力,比垂直于纤维方向加载的高。

陈国等对主侧材全部采用竹集成材钉节点做了进一步试验,如图 15 所示,研究钉连接构造要求对钉节点承载性能和破坏模式的影响,结果表明:钉节点的力学性能主要取决于端距和中距,而边距和行距的影响较小;钉子构造要求的布置对破坏模式影响显著,当满足最小容许要求时,以销槽承压破坏模式为主,表现出较好的延性特征;并提出 Folz模型能较好地反映钉节点在各个受力阶段的荷载-位移本构关系,而基于 Foschi 和 Hassanieh 模型预测的弹塑性阶段的钉节点荷载-本构关系结果偏于保守。

图 15 竹集成材钉节点

综上所述,相关学者已对工程竹螺钉连接进行了少量的研究,目前研究中根据螺钉受力方向的不同,可以分为螺钉抗拔连接和螺钉抗剪连接两种。关于螺钉抗拔连接,现有研究考虑了螺钉直径、螺钉种类、导孔直径、螺钉锚固深度和拧入方向等多个因素,主要探究了不同因素对螺钉抗拔连接握钉力的影响规律,不同学者根据各自的研究结果分别给出了导孔直径建议值的取值。现有关于螺钉抗剪连接的研究多集中在竹材剪力墙覆面板的螺钉连接方面,研究结果表明,螺钉抗剪连接的承载性能和破坏模式主要受螺钉特性、螺钉端距等构造要求和加载方向的影响,并给出了螺钉连接相关构造要求的建议取值。

进一步分析上述研究认为,目前螺钉连接研究存在一定的不足。首先,现有研究中所用的螺钉直径通常较小,并且现有的螺钉抗拔连接多属于家具领域的研究,螺钉直径一般小于 6 mm 且锚固深度在 30 mm 以下,少见螺钉直径 6 mm 以上及锚固深度 30 mm 以上螺钉连接的研究;其次,螺钉抗剪连接多集中在竹材剪力墙覆面板的螺钉连接方面,少见钢夹板或钢填板工程竹材连接形式的研究,并且未见梁柱结构螺钉连接节点的研究;另外,目前相对缺少相关的工程竹结构规范,现有研究中对螺钉连接抗拔承载力和抗剪承载力理论计算方法的深入研究也甚少。因此,未来有待对工程竹螺钉连接进行深入研究,通过理论分析得到承载力计算方法,并尽快制定相关的工程竹结构设计规范。