胶合木构件顺纹受压及钉连接增强性能试验研究

王 倩 周先雁 刘泽亚

(中南林业科技大学， 长沙 410004)

胶合木构件顺纹受压及钉连接增强性能试验研究

王 倩*周先雁 刘泽亚

(中南林业科技大学， 长沙 410004)

现代木结构主要由构件与连接件组成。为研究木构件顺纹受压性能，对落叶松胶合木构件进行顺纹受压性能试验，归纳其破坏类型，计算顺纹抗压强度并推导应力—应变经验公式。此外，针对钉连接件在握钉力作用下出现的脆性破坏，采用玻璃纤维增强钉连接件，提高局部节点强度及安全性。试验结果表明：落叶松顺纹受压破坏为塑性破坏，极限强度为43.03 MPa；三层玻璃纤维增强钉连接件极限应力为60.7 MPa，其增强钉连接既经济又安全。

胶合木构件, 顺纹受压, 钉连接, 增强性能

1 引 言

现代木结构以其环保节能、美观舒适、抗震性能优越等特点广泛应用于北美、北欧及日本[1-3]。但我国引进现代木结构不久，研究工作刚刚起步，特别是尚未深入研究木构件与金属连接件的受力性能[4-6]。现代木结构中柱、桁架均为重要的承压构件。与其他材料不同的是，木材的顺纹与横纹力学性能相差很大，通常选取其顺纹方向进行承压设计。因此本文首先进行落叶松胶合木顺纹轴压试验，归纳其破坏形态，计算顺纹抗压强度并推导应力—应变经验公式。

其次，针对现代木结构钉连接件在握钉力作用下出现的脆性破坏，采用高强度、高韧性的玻璃纤维，以环氧树脂粘贴在节点范围的两侧进行钉连接的加固，提高局部节点强度及安全性。通过加固钉连接与普通钉连接在荷载作用下的对比试验，对比研究加固钉连接与普通钉连接节点的承载力。

2 落叶松胶合木柱顺纹抗压试验

无论混凝土结构、钢材结构还是木结构，柱、桁架均为重要的承压构件。尤其在现代木结构的梁柱体系、桁架体系中，承压构件是否牢固是结构安全与否的重要指标。与其他材料不同的是，木材的顺纹与横纹力学性能相差很大，通常选取其顺纹方向进行承压设计。本节主要对落叶松胶合木顺纹抗压力学性能进行讨论。

2.1 试验仪器及材料

试验仪器：电子游标卡尺、型号为YAW-3000A的微机控电液伺服压力试验机。

试验材料：5组落叶松胶合木试件，每组5个，尺寸为137 mm×137 mm×500 mm、105 mm×105 mm×500 mm、137 mm×137 mm×700 mm、120 mm×105 mm×700 m、120 mm×105 mm×1 100 mm,密度为0.64 g/cm3，含水率为11%～12%。

2.2 试验方法

顺纹受压试验按其受力方式分为轴心受压、偏心受压。本文仅进行轴心受压试验。根据《木结构试验方法标准》(GB/T 50329—2002)[7]，将试件置于300 kN万能试验机上(满足液压机施加压力面的面积大于试件截面面积的条件)，以2 mm/min的速率单调匀速加载，观察试验机上的荷载—变形曲线，直至试件破坏停止加载。

2.3 试验结果与分析

2.3.1 破坏过程及形态

根据《木结构试验方法标准》[7]轴心压杆试验方柱及附录B，长柱试件长度不应小于边宽的6倍，当最大长度受试验机条件的限制时，其长细比宜达到150，试验柱的截面边宽不宜小于100 mm。短柱试件的高度不应大于截面宽度的6倍，截面边宽不宜小于60 mm。通过对落叶松胶合木长柱与短柱进行顺纹轴压试验，比较两者的受压过程发现：短柱的破坏属于强度破坏，当落叶松锯材屈服后，整个试件很快就屈服，试件破坏时，未发生明显的弯曲、扭转。长柱、中长柱的破坏属于失稳破坏，柱的强度远远小于材料强度，在柱破坏时，组成柱的落叶松锯材的强度未被充分利用，试件发生弯曲，如图1所示。

落叶松胶合木短柱发生强度破坏的过程中，初始加载阶段，试件表面无褶皱，也未发生侧向变形；当荷载达到极限荷载90%左右时，荷载的增长速度变慢，同时可以听到声响，试件中间横截面开始出现裂纹；随着荷载达到承载能力，构件破坏失效，但未出现侧向弯曲变形现象。

图1 破坏形态

落叶松胶合木长柱发生失稳破坏过程中,初始加载阶段与强度破坏一样，试件表面无明显变化；当荷载达到极限荷载的80%左右时，荷载增长幅度变小，试件一侧出现压屈的褶皱，另一侧出现裂缝，试件向一侧弯曲；随着荷载继续增大，构件弯曲变形愈明显，最后失稳破坏。

2.3.2 应力—应变曲线

荷载加载初始阶段，压应力与压应变呈线性关系增长，表现为直线上升；当荷载接近破坏荷载时,试件进入屈服阶段，表现为落叶松胶合木试件表面开始出现褶皱；随着荷载的继续增大，压应变增大的速度变慢，出现异响，这是由于此时落叶松胶合木试件进入屈服阶段导致承载力下降；当荷载达到破坏荷载时，试件发生塑性破坏且伴随着较大的声响。应力—应变曲线见图2。

图2 落叶松胶合木轴压应力—应变曲线

与木材的抗拉脆性破坏相比最大的特点就是塑性破坏尺寸效应不明显，但是长细比有细微影响，表1列出短柱承载力强度。

表1 极限承载能力

Table 1 Ultimate bearing capacity

2.3.3 经验公式

从破坏曲线看出，落叶松胶合木构件的破坏遵循木材破坏的规律，与近似双折线模型相近。已有研究表明[9],双折线模型是通过试验得到水杉和樟子松的顺纹拉、压应力—应变曲线，其默认受压时塑性阶段具有等效弹性模量，大小为mEw，其中,m即为试件受压本构曲线下降段斜率与材料弹性模量Ew的比值。

但是由于加载初期存在较大的变形，且胶合木相对于锯材存在指接、胶缝等因素的影响，若全部近似折线不合适，因此，本节考虑初始位移，将采集的试验数据进行回归分析，利用统计方法建立应力与应变之间的回归方程，得出落叶松胶合木构件顺纹受压的经验公式:

σ=14.51(ε-0.0035)

(1)

式中,E=14.51GPa,与本研究2.5.1静弹性模量E=14.48GPa相比,在取值范围内相吻合。

试验数据与回归方程拟合图形如图3所示。

双折线模型未考虑屈服阶段，并将每个阶段按线性考虑，本文拟合塑性阶段应力—应变关系时分析了屈服阶段，并按非线性考虑，试验数据与回归方程拟合图形如图4所示。

采用与弹性阶段相同的回归方法，得到塑性阶段经验方程：

图3 落叶松轴压弹性阶段拟合曲线

图4 落叶松轴压塑性阶段拟合曲线

(2)

当ε=0.0114时，σ达到最大。

(3)

即

(4)

式中，E1位弹性阶段弹性模量；ε0为弹性比例极限应变；σ0为弹性比例极限应力,σ0=E1ε0。

3 钉连接增强性能试验

3.1 试验材料与方法

选用本文2.1物理及力学参数一致的落叶松胶合木制作厚度为35 mm的主板与厚度为25 mm厚的侧板。由于与木材接触时，螺纹钉比圆钉产生更大的摩擦力，且不易拔出。因此采用直径×长度为3.75 mm×90 mm的螺纹钉。此外，侧板上粘贴电阻应变片记录极限应变。

本试验对象为普通钉连接与增强钉连接。按《木结构试验方法标准》[7]，并参考《木结构设计规范》(GB 50005—2003)[8]。在进行普通钉连接受压性能试验前，先在主板与侧板上打一个孔，使得孔洞直径(3.85 mm)稍大于螺钉直径，再将螺纹钉置入孔内连接主板与侧板，紧固螺纹钉制作成普通钉连接，试件形式如图5所示。然后采用万能试验机进行单调匀速加载，直至钉连接件破坏，记录极限应力值。

制作增强钉连接件时，采用高强度、高韧性的玻璃纤维，以环氧树脂粘贴在节点范围的两侧。采用与普通钉连接加载相同的方法进行三组连接件的增强性能试验。根据粘贴的玻璃纤维层数分为三组平行试验，且每组5个试件，如表2所示。

表2 试验方案

Table 2 Test scheme

3.2 试验结果与分析

A组试件破坏时螺丝钉未屈服、侧板劈裂且裂缝较大、主板无开裂现象但出现细纹，属于脆性破坏。B，C，D三组试件破坏时螺丝钉也未屈服、侧板开裂但裂缝较小，主板无开裂现象，为塑性破坏。

取每组5个试件的平均值，4组试件的总测试结果及玻璃纤维层数对连接件增强性能的影响见图6。

如图6所示，以落叶松胶合木为主、侧板的普通钉连接极限应力为38.3 MPa(A组),增强钉连接极限应力分别为52.9 MPa、60.7 MPa、67.5 MPa。计算玻璃纤维层数对强度提高的程度得出：B组为38%、C组为58%、D组为76%。可见玻璃纤维对钉连接增强效果显著；随着粘贴层数的增加，增强效果变大，增强效果幅度变小。在三组增强试验组中，C组试件极限应力大于本文2.2中测得的落叶松胶合木顺纹轴压极限承载力，满足强节点弱构件的设计要求，因此工程应用中建议采用三层进行增强既经济又安全。

图5 钉连接试件示意图

图6 钉连接件试件极限应力

4 结 论

本文通过对落叶松胶合木顺纹轴压试验及钉连接增强性能试验，从构件与连接件两个方面对现代木结构性能进行了初步探讨，试验结果如下：

(1) 落叶松胶合木顺纹抗压属于塑性破坏，极限应力为41.2 MPa，经验公式所得曲线与试验曲线能很好吻合。

(2) 玻璃纤维对钉连接增强效果显著；随着粘贴层数的增加，增强效果变大，增强效果幅度变小。

(3) 粘贴三层玻璃纤维增强的钉连接件极限应力大于构件的顺纹轴压极限承载力，满足强节点弱构件的设计要求，建议工程应用中采用三层进行增强，既经济又安全。

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Design specification of timber structure[S]. GB 50005—2003 Beijing: China Architecture and Industry Press,2003.(in Chinese)

Experimental Research on Rift Grain Compression Property of Glulam Members and Reinforced Property of Nailed Connections

WANG Qian*ZHOU Xianyan LIU Zeya

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

Modern timber structure consists of members and connections. In order to study the mechanical property of timber members, the larch glued-laminated (glulam) was adopted. The experiment of rift grain compression is conducted to learn failure forms and compression stress of the larch glulam. Meanwhile the property of glass fiber reinforce plastic(GFRP) reinforced nailed connection was also studied. It is turned out that the larch glulam under the rift grain compression behave as the characteristics of plastic failure, and the rift grain compression stress is 43.03 MPa. The ultimate stress of three layer of GFRP reinforced nailed connection is 60.7MPa, and it can be good to apply in civil engineering.

glulam members, rift grain compression, nailed connections, reinforced property

2013-05-17

国家林业公益性行业科研专项资助(201304504)；湖南省研究生科研创新项目(CX2012B334)；中南林业科技大学研究生创新基金(2010sx07)

*联系作者，Email：yecry@126.com