钢木组合结构自攻螺钉单剪节点试验研究

研究背景

Research background

木材是我国使用历史最为悠久的建材之一,有较好的亲和力同时兼具良好的保温隔热性能。我国“十四五”目标中2060 年将实现“碳中和”,木结构的大量合理应用将为这一目标添砖加瓦。然而,我国现阶段国产木材的使用率较低,大量木建材依赖进口,同时天然木存在初始缺陷,顺横纹差异大等不利因素。考虑到钢材产量大,强度高、性质稳定,在构件层面将钢材与木材两者组合可兼具现代和人文气息,目前钢木组合结构在传统框架结构、组合楼盖屋盖体系、大跨度结构、木结构改造加固等领域有着广阔的应用前景。在构件层面的研发与设计中,销轴类(螺栓或螺钉)连接,胶接连接(环氧树脂等结构胶)是最常见的钢木连接形式。但因结构胶存在耐久性等问题,栓钉类连接目前的使用更为广泛。

为获得栓钉类节点的承载力、界面滑移等特性,国内外现有的试验研究主要以推出试验、梁的弯曲试验为主。Valipour等对钢木组合楼板节点 进行了推出试验,节点材质为混凝土或工程木结 构(LVL,CLT)搭配钢材,连接件为方头螺钉或螺 栓,结果表明连接节点的承载力符合设计要求。

本文的研究重点是探究采用燕尾(钻尾)自攻 螺钉连接薄壁钢材与木材的连接节点的抗剪性能。 因推出试验时薄壁钢材受压易屈曲并且不易焊 接,难以探究单个螺钉的抗剪性能。部分学者进 行了单剪节点的研究,同时参考了轻型木与轻 钢体系相关钉节点的研究应用,设计了单钉单剪节 点,考虑材料离散性,设计了多组重复试验。试验中木材选取了规格材,对各类可能使用该类节点的结构有更强的普适性。钢木自攻螺钉抗剪性能和理论分析的研究成果对薄壁钢木组合结构、钢木连接接头、木结构加固有一定的意义。

1 自攻螺钉连接节点抗剪试验

1.1 试件设计

选取的木材均为 2×4 规格材,尺寸为 40 mm×90 mm×230 mm。在距离端部约 90 mm 处,通过台钻钻入 18 mm 销轴孔,便于和夹具连接。钢板为Q235B,厚度为 0.8~ 2.5 mm,由激光车床制作 4 个 M8 螺栓孔,与钢板夹具相连。试件打孔的尺寸间距按欧洲木结构规范 EC5 设计,具体尺寸见图 1。材料加工完毕后,通过电钻打孔、钻入、锁紧,完成试件安装。规格材按 GB 50005—2017《木结构设计规范》中目测分级的方法选取,避免有明显木节、斜纹、髓质的木材,在试件加工前进行抛光处理、并在高温下(100 ℃ 左右)持续烘干一周,保证所有木材含水率在 16%以下。部分试件实物见图 2。

图 1　 试件尺寸　 mm

图 2　 部分试件实物

试件分组见表 1,单调试件共 84 个,分为 S-1、S-2、标准组 3 个整体组,共有试件组 11 个。各对照组只改变单一参数,以进行参数化试验。为探究各个树种木材的响应,S-1 试件组结合标准组对比了 5 种不同树种下的连接节点,分别是新西兰辐射松、花旗松、杨木、杉木、樟子松。其中花旗松和樟子松是我国常见的结构材,杉木、辐射松属于速生树种,是潜在的新型建材。S-2 试件组对不同钉参数下的木材进行了试验,以探究连接节点的钉尺寸敏感性,主要的变量为钉的长度、种类、直径,S-25 探究双钉节点的响应;S-26 对横纹钢木钉节点进行了试验研究。所用自攻自钻螺钉为轻钢结构及轻型木结构中常见的燕尾(钻尾)螺钉,顶部有橡胶垫圈,为六方头或十字沉槽螺栓头,如图 3 所示。

表 1　 试验分组

图 3　 试验用自攻螺钉

1.2 材性试验

对所用木材、自攻螺钉的抗弯、抗剪强度进行了试验,参考 GB 50005—2017、GB 1928—91《木材物理力学实验方法总则》获取了试验所用木材的各物理参数,各方向的弹性模量、抗压强度,参考 GJB 715.24A—2002《紧固件试验方法单剪》对钉紧固件进行单面抗剪试验,平均剪切力为7.78 kN。木材材性试验数据见表 2,材性试验过程见图 4a~ c。同时进行了钢材的材性试验(图 4d),实测钢板厚度为 1.81 mm,弹性模量为 212 GPa,屈服强度为 307.5 MPa,极限强度为 423.0 MPa。

表 2　 材性试验结果      MPa

a—木材抗压强度测量;b—木材弹性模量测量;c—自攻螺钉剪切试验;d—钢材材性试验。

图 4　 材性试验

1.3 试验仪器

试验在天津大学试验室进行,试验加载仪器选用 PA-100 微机控制电液伺服疲劳试验机,可实现单调加载和循环加载。MTS 力-位移传感器分辨率不低于 ±0.001 mm,力传感器精度不低于满量程的 ±0.5%,良好的精度保证了试验的顺利进行。试件通过特制夹具与试验机相连,夹具的设计保证试件紧密连接,无干扰性滑移且在连接处不发生变形,即受力与加载图式一致,试验装置示意及实物如图 5所示。单调加载制度参考 ASTM D1761-12 中木材紧固件试验方法,单调加载速率为 0.042 mm/s。

a—装置示意;b—实物。

图 5　 试验装置

2 试验结果

2.1 试验现象和破坏模式

试件组的破坏模式有较为明显的规律性:主要有 钉在连接界面被剪断、钉被拔出节点进而失效两种破坏模式,部分被剪断试件同时螺钉也有一定程度的拔出。大部分试件中木材钉孔附近发生了明显破坏。

钉剪断的各类试件(除 S-23、S-26 的试件组):加载初期,木材与钉杆接触,木受压侧孔壁内部逐渐致密化,荷载-位移曲线表出滑移,初始滑移结束后,连接处钉逐渐持力,连接界面处钢木紧密贴合,随后,部分试件待荷载-位移曲线发生明显转折时,钉帽倾斜,木材发出轻微的响声,随之进入强化或屈服阶段,最终试件接近破坏时,钉在连接界面处断裂一个小口,发出沉闷的响声,随后整个全截面被剪断,伴有较大响声;部分试件全程荷载-位移曲线没有明显转折,钉剪断时有明显的一声巨响(S-11、S-14),断面处有较小的不平整的断口,断口之外截面较为光滑,周围木材出现少量堆积,见图 6a。

钉拔出的试件:加载初期有一定的滑移,持荷后钉帽逐渐倾斜,部分试件(S-23)钢板孔壁发生塑性变形,且变形逐渐增大,荷载-位移曲线经历屈服段后,自攻钉缓缓拔出;部分试件钢板孔壁无明显变形,木材孔壁随钉的拔出出现较大的损伤,见图 6b。

横纹钉节点(S-26)以木材横纹受拉破坏为主,随荷载的增加,裂纹不断开展,最终发展为贯穿全截面的裂缝,试件脆性破坏,见图 6c,实际结构中应尽量避免横纹钉连接节点。

a—钉剪断;b—钉拔出;c—木材横纹拉裂。

图 6　 破坏模式

2.2 荷载-位移曲线

在 S-1 组各个试件的木材中,花旗松、樟子松 的木纹致密,属于多年长成的木材,杉木、辐射松、杨木的木纹较为稀疏,质地较软,属于速生树种。在单 调荷载下各个树种去除滑移后的荷载、位移见表 3、荷载-位移曲线如图 7 所示,其中屈服位移 Δ _y 的确定参考了规范 ASTM D1761-12 中木材紧固件试验方法,极限位移 Δ _u 为节点自攻螺钉发生脆性断裂的位移或承载力下降为峰值的 80% 所对应的位移,延性系数 μ 为极限位移与屈服位移的比值,即 μ = Δ _u / Δ _y ,变异系数 c _v 由式(1)确定。

式中: σ 为极限荷载或极限位移的标准差; u 为极限荷载或极限位移的均值。

表 3　 S-1 试件组与标准组的试验数据

a—S-00;b—S-11;c—S-12;d—S-13;e—S-14。

图 7　 S-1 组荷载-位移曲线

由图 8 可知:改变钉种类( 试件 S-21)、直径(试件 S-22) 对连接节点的荷载-位移曲线影响较大,表明连接节点的抗剪性能对钉尺寸有着显著的敏感性;十字沉头钉的抗弯强度明显小于标准组的六方头自攻螺钉,表明钉的抗剪或抗弯强度是影响剪切性能的关键因素。钉长度(嵌入深度的变化)将改变节点的破坏模式,当钉长度为 30 mm 时,S-23 试件表现为拔出破坏;当钉长度大于 60 mm(S-00、S-24)后,以钉杆剪断为主,且提升嵌入长度对承载力无明显的提升,图中的双钉节点(S-25)的荷载-位移曲线对承载力进行了减半,默认每个钉分担相同的荷载,初始刚度和峰值承载力均小于单钉节点(S-00),体现了一定的群钉效应。S-2 组试件各试验数据见表 4。

a—S-1 组试件;b—S-2 组试件。

图 8　 平均荷载-位移曲线

表 4　 S-2 组试验数据

S-1 和 S-2 两组试件的平均荷载-位移曲线见图 8。各个树种下连接节点的荷载-位移曲线表现出相同的趋势,峰值承载力集中在 2.75 ~ 3.75 kN 之间,S-14(樟子松)和 S-11(花旗松)有较高的初始刚度和极限承载力。由表 3 可知,各个试件的变异系数均在 20% 以下,其中极限承载力最高的 S-14(樟子松)比最低的 S-12(杉木)明显增大(增大 33%)。极限位移和屈服位移则相反,试件的平均屈 服位移为 5 ~ 7.5 mm,平均极限位移为 10 ~ 15 mm,

延性系数为 1.7 ~ 2.5。由荷载位-移曲线图 8 可知,杉木(S-12)、辐射松(S-00)有较为明显的屈服-下降段,樟子松(S-14)则大部分处于弹性阶段,曲线未表现出明显的非线性。

S-11(花旗松)、S-14(樟子松)展现了较小的钉孔变形,在荷载-位移曲线(图 8)上对应的初始刚度较大,极限位移较小,S-13(杨木)、S-00(辐射松)、S-12(杉木)则表现出了较大的钉孔变形及极限位移。S-13 杨木和 S-12 杉木的自攻螺钉有所拔出。

此外,由图 8b、表 4 可知:各个树种下的钉连接节点表现出的荷载-位移性能和树种的顺纹抗压强度以及弹性模量有明显的相关性,表明抗压强度、弹性模量与木材销槽抗压强度有较为明显的相关关系。

2.3 割线刚度

割线刚度是评价栓钉连接节点滑移状态的重要指标,选取了原点的割线(切线)刚度 K ₀ 、承载力达到 20%时的割线刚度 K ₂₀ ,承载力达到 40%时的割线刚度 K ₄₀ 、承载力达到 80%的割线刚度 K ₈₀ 共四个刚度指标评价钢木自攻螺钉连接节点的滑移。割线刚度按式(2)计算,试件各割线刚度变化情况如图 9所示,具体值见表 5。

式中:  F 为试验承载力;  Δ 为对应位移。

图 9　 割线刚度

表 5　 割线刚度       N/mm

由图 9 可知,不同试验分组的钢木自攻螺钉连接节点的割线刚度随加载历程的变化趋势较为一致,在 Yang 等的研究中有类似的刚度演变趋势。在达到极限承载力的 40%之前,刚度退化较少,甚至部分试件的刚度较加载初期有所上升,承载力达 到 80%后,刚度退化明显;不同树种间刚度大小与极限承载力大小的趋势一致,花旗松、樟子松试件有 较高的割线刚度,杉木的各个阶段割线刚度在 300 ~ 350 N/mm 间。