基于螺栓连接的木-轻集料混凝土构件剪切研究

胡亚风， 魏 洋, 王 彤， 赵龙龙

(南京林业大学 土木工程学院，南京210037)

基于螺栓连接的木-轻集料混凝土构件剪切研究

胡亚风， 魏 洋, 王 彤， 赵龙龙

(南京林业大学 土木工程学院，南京210037)

为研究螺栓连接件连接的木-轻集料混凝土试件抵抗推出剪切的能力，设计了32组96个螺栓连接件连接的木-轻集料混凝土试件，采用电液伺服万能试验机及TDS数据采集仪等设备进行了静载推出试验。结果表明：螺栓型剪力连接件的螺栓多于2根后，剪切破坏模式属于脆性破坏；螺栓根数相同时，LC20等级的轻集料混凝土连接件推出变形延性系数大；考虑试件极限位移、极限承载力性能，使用2根φ8 mm或φ10 mm直径的螺栓及LC30等级的轻集料混凝土时，综合性能最佳。试验成果对木材与轻集料混凝土复合结构的设计、应用等提供一定的参考价值。

螺栓连接件； 木材； 轻集料混凝土； 复合连接件； 荷载-滑移关系

0 引 言

木材是世界主要工业的原材料之一，也是其中唯一能再生的资源；只要科学经营、合理采伐，木材就取之不尽，用之不竭[1]。近年来，木结构的研究与应用伴随着高效胶黏剂的发展有了长足的进步，已从天然木材结构发展到平行、层叠、定向木片胶合木结构[2]；木材加工制作实现工厂机械化流水线生产，木与木连接方式从传统螺栓、钉连接演化发展到冲压齿板连接[3-4]及充分考虑胶入钢材的变形特性等[5]，极大地拓展了木基复合材料在建筑领域的应用。木材与轻集料混凝土的密度较小，成型后的组合结构(构件)质量轻、安装也方便。但是，当前关于木-轻集料混凝土组合的相关研究不多，而木-混凝土组合作为一种结构技术，开始在已有楼面体系或者新结构的防火、增加强度或增大刚度工程中得到应用。如Gerard[6]针对预应力木-混凝土复合结构连接件耐火性能进行了研究；O′Neill[7]研究了木-混凝土复合地板在火灾中的力学演化特征；Fragiacomo等[8]研究了木-混凝土组合梁的长期行为，并对组合梁长期性能提供了简化的评价方法，同时，该团队对木-混组合楼板与预制混凝土的时变行为[9]以及组合楼板在长期荷载作用下的剪力件连接性能[10]进行了系统的研究；通常，它以钢质材料作为连接件植入到被复合的木材和混凝土材料中，这样，复合结构体系在承受剪切或弯曲作用时，连接件能够提供足够的剪应力和拉应力，并且连接件也起到抵抗混凝土裂缝的开展的作用[11]。这些钢质连接件分为：柔性连接件(包括钉、螺钉、螺栓)和刚性连接件(主要是带孔的钢板)。木-混凝土组合结构具有较大的单位承载能力，弹性、韧性好，能承受冲击和震动作用[12-17]，木与混凝土用可靠的剪力件连接[18-19]共同作用，承载能力是传统木结构的3倍，抗弯刚度是传统木结构的6倍。

本文分别设计了布置1根、2根和3根螺栓情形的木-轻集料混凝土连接件，通过试验研究了推出过程中试件的极限变形、极限承载力及延性系数等。

1 试 验

当前，我国木材市场提供的松木以俄罗斯进口的樟子松最为常见。通过碳化、防腐等加工，木材在力学性能和结构尺寸上能够适应现代工程结构的建设需要。本试验用樟子松型材的顺纹抗拉强度137.2 MPa，抗弯强度86 MPa，弹性模量12.5 GPa，优于一般结构用的杉木和阔叶类木材的强度。试验用轻集料混凝土采用湖北宜昌产的0.6～20 mm连续级配页岩陶粒和赣江产II区中砂组成的砂轻集料，水泥为海螺牌P·II型硅酸盐水泥，减水剂为JM-8聚羧酸型等原材料拌制而成。试验用螺栓为江苏泰州产奥氏体304不锈钢螺栓，其拉伸强度为720 MPa，弹性模量195.3 GPa。剪切试验用木材从定制的木梁上截取，长度为360 mm，截面为140 mm×70 mm，含水率控制在15%左右。试验采用推出剪切的方法，通过改变轻集料混凝土强度、螺栓直径及螺栓排列间距等因素(见表1)，共设计了32组96个试件，每个试件由1块木板和2块轻集料混凝土板组成，木板位于中间位置，轻集料混凝土板对称布置于木板的两侧，并与木板通过螺栓连接件连接(见图1)。

表1 试件参数表

(a) 1根螺栓

(b) 2根螺栓

(c) 3根螺栓

图1 剪力连接件尺寸及螺栓布置 (mm)

表1中各类连接件在木-轻集料混凝土的界面处布置的螺栓等级为70级，螺栓通过钻孔植筋(即钻孔孔径比螺栓直径小1 mm，后机械楔入的方法把螺栓穿入木材中)，其中螺栓埋入轻集料混凝土深度为50 mm。剪力连接件的主要制作过程如图2所示，其参数尺寸见表1。试验所用轻集料混凝土立方体28 d抗压强度分别是：LC20型22.21 MPa和LC30型30.3 MPa。

剪切试验加载装置采用电液伺服压力试验机，首先预压2～5 kN，检查位移、力信号在TDS采集仪上是否正常；剪切试验采用位移控制，加载速度为1 mm/min，接近破坏时改为0.5 mm/min直到试件完全剪裂失稳破坏。试验过程中记录木-轻集料混凝土连接件上、中、下3处界面的荷载-滑移关系、限承载力与推出变形、试件加载和破坏过程中的形态等，位移测量计布置于木与混凝土的界面处，每个试件布置6个电测位移计，分别测量试件竹材的上部(距离上边缘50 mm)、中部、底端(距离底边缘50 mm)与轻集料混凝土界面的相对滑移变形量(见图3 )，位移计的底座统一固定于50 mm厚的钢板上。

(a) 连接用螺栓

(b) 连接件浇筑前的情景

(c) 连接件浇筑成型(部分)

图2 剪力连接件制作主要过程

(a) 试验加载装置

(b) 测量装置布置示意图

图3(b)中标识的1和2为测量连接件上边缘的电测位移计，3和4为测量连接件下边缘的电测位移计(布置在另一面)，5和6为测量连接件中部的电测位移计

图3 测量与加载装置

2 试验结果

2.1 破坏模式

对于1根螺栓连接(编号A、D、G)的试件，当荷载值不超过极限荷载时，轻集料混凝土外观无明显裂缝。到达极限荷载后，随着塑性变形的增大，在轻集料混凝土的中间部位(螺栓位置)首先出现细微的横向裂纹，不久产生竖向裂纹，竖纹方向近似垂直于螺栓。继续加载，横向裂纹变宽，竖向裂纹逐渐往上往木材与轻集料混凝土界面处延伸，往下向支座外侧边缘处延伸。随着荷载的持续，木材与轻集料混凝土的上、下边缘发生了显著的竖向相对位移(见图4(a))，试件侧面无轻集料混凝土块剥落等破坏现象，未发现木材与轻集料混凝土有分离现象，整个推出试验过程没有发生剧烈的破坏反应，破坏模式属于延性破坏。

对于2根螺栓连接(编号B、E、H)试件，当荷载值不超过极限荷载的40%时，整个试件的外观无显著变化，木材与轻集料混凝土的黏结界面几乎无竖向的相对位移。当荷载加载至极限荷载的80%时，试件的轻集料混凝土在螺栓连接件处分别出现横向裂纹，随着荷载的增加，下边的横向裂缝逐渐延伸，并且轻集料混凝土出现贯穿两道横向裂纹的斜裂纹，斜裂纹和横向裂纹组合成一个楔形向混凝土外边缘延伸并稳定下来，最终试件由于轻集料混凝土在支座部分的破坏而失稳破坏(见图4(b))。从受力机理上分析，试件的破坏是由于轻集料混凝土受螺栓剪应力效应而产生主拉应力，引起轻集料混凝土斜剪破坏，破坏过程发展迅速，破坏模式属于脆性破坏。

(a) 1根螺栓

(b) 2根螺栓

(c) 3根螺栓

图4 试件典型剪切破坏形态

对于3根螺栓连接的(编号C、F)试件，试件破坏始于螺栓连接件处轻集料混凝土部分的斜裂缝开展。斜裂缝扩展随荷载增大而发展迅猛，在加载的后期，试件的木材与轻集料混凝土发生明显的垂直分离现象(见图4(c))，其破坏机理是轻集料混凝土中螺栓排列紧密，由于推出剪切应力与垂直界面方向的拉应力共同作用，且剪切应力为主导控制作用力，这样在螺栓深入混凝土深度只有50 mm，其深度对斜裂缝开展未能起到有效的约束作用，因此，破坏模式也是剪切脆性破坏。

2.2 荷载-滑移曲线

根据32组(96根)木-轻集料混凝土螺栓接件复合剪切试件的剪切试验结果，当在试件中使用1根、2根及3根螺栓的情况下：① 从图5的(a)～(c)、(d)～(f)及(g)～(h)分别可以看出，减小螺栓间距并且提高轻集料混凝土的强度等级，能较大地提高连木-轻集料混凝土螺栓接件的抗剪能力(极限承载力从30 kN增加到50 kN)；② 从图5的(a)～(h)中还可以看出，LC20强度等级轻集料混凝土抗剪连接件，在没有螺母的情况下，会出现抗剪极限承载力会比有螺母的连接件承载力低的现象；对于LC30强度等级轻集料混凝土抗剪连接件，当使用1根、3根螺栓时，无螺母的连接件承载力比有螺母的连接件承载力大，当使用2根螺栓时情况恰好相反。

对于螺栓直径相同，根数不同情形下的剪切连接件：① 如图5的(a)～(c)所示，使用直径8 mm的螺栓复合连接件试验：在抗剪切能力方面，2根螺栓的剪切件承载力即可达极值，其中，螺栓根数对LC20等级的轻集料混凝土复合剪切件承载力影响不大，而对LC30等级的轻集料混凝土复合剪切件承载力显著提高；在抗推出变形方面，螺栓根数增加，最大承载力处的推出变形也减小，并且随轻集料混凝土强度等级高，变形减小的趋势更加显著。② 如图5的(d)～(f)所示，使用直径10 mm的螺栓复合连接件推出试验：螺栓根数增加，LC20轻集料混凝土复合剪切连接件的承载能力逐步提高现象；而LC30轻集料混凝土复合剪切连接件，当螺栓根数达两根时，剪切连接件的承载能力已经不在增加。在推出位移方面，LC30型轻集料混凝土的连接件比LC20型轻集料混凝土的连接件抗剪切推出变形大，且有螺母的试件抗变形能力也强。③ 如图5的(g)～(h)所示，使用直径12 mm的螺栓后，复合连接件推出过程中：当使用1根螺栓时，混凝土强度的增大对连接件的抗极限推出承载力基本没有影响，当螺栓为2根时，承载能力随混凝土强度的增加而显著增大。在抗推出变形方面，使用直径12 mm的螺栓后，复合连接件在极限承载力处的推出位移基本上在(7±1)mm之间。

对于螺栓根数相同，而直径不同的剪力连接件，可以得出如下结论：① 如图5中(a)、(d)和(g)所示，当只有1根螺栓时，复合连接件的极限承载能力随螺栓直径的增加基本没有变化，维持在30 kN左右；但是在螺栓直径增大的过程中，推出位移变化量与混凝土强度相关，其中，LC20型混凝土推出位移逐步降低，LC30型混凝土推出位移则先稍稍增加，再显著降低。② 如图5中(b)、(e)和(h)所示，当使用2根螺栓后，随着螺栓直径的增大，对于LC20型混凝土，推出承载能力先增加再减小，推出位移变化量也有相同的规律；而对于LC30型混凝土，推出承载能力基本没有变化，φ8 mm，φ10 mm螺栓连接件的推出位移约为10 mm，φ12 mm螺栓连接件的推出位移则只有6 mm。③ 如图5中(c)、(f)所示，当复合连接件使用3根同直径的螺栓后，当螺栓直径从φ8 mm变成φ10 mm，对于LC20型混凝土的复合剪切件，抗推出承载能力增加10 kN，推出变形量降低2 mm；对于LC30型混凝土的复合剪切件，抗承载能力没有显著变化，但是推出变形量升高2 mm。

2.3 结果分析

从图5可以看出，带螺母的链接件制作的试件在推出过程中承载能力比没有螺母时要好一些。以下着重分析、研究木材与LC20、LC30轻集料混凝土带螺母的螺栓连接件试件的试验情况；主要试验结果见表2。

(a) 1根φ8 mm螺栓

(b) 2根φ8 mm螺栓

(c) 3根φ8 mm螺栓

(d) 1根φ10 mm螺栓

(e) 2根φ10 mm螺栓

(f) 3根φ10 mm螺栓

(g) 1根φ12 mm螺栓

(h) 2根φ12 mm螺栓

图5 荷载-滑移量关系图

注：图中LC20Y，LC20N，LC30Y，LC30N含义：LC20、LC30为20 MPa和30 MPa等级的轻集料混凝土；Y，N表示螺栓有螺母和无螺母。各点数据为平行3个试件的均值

表2 带螺母螺栓连接件的试件推出试验结果

由表2可见，LC20等级的轻集料混凝土螺栓连接件，推出试验极限承载力在25.98～49.21 kN，对应极限位移在5.57～12.14 mm；而LC30等级的轻集料混凝土螺栓连接件，推出试验极限承载力在27.36～61.61 kN，对应极限位移在4.92～15.68 mm。LC20轻集料混凝土，螺栓间距为150 mm采用φ12 mm螺栓连接件的试件极限承载力最低，LC30轻集料混凝土，螺栓间距为150 mm，采用φ8 mm螺栓连接件的试件极限承载力最高。对比极限位移，使用1根φ8 mm螺栓型连接件的极限位移高达15.68 mm，使用3根φ10 mm螺栓型连接件的极限位移仅仅4.92 mm，极限位移相差近3倍；从延性系数分析来看，LC20轻集料混凝土，螺栓间距>150 mm，采用φ10 mm螺栓连接件的试件延性系数达到5.02，其他螺栓型连接件的延性系数仅仅1.51～3.08之间。对比各类试件不同受力阶段的抗剪刚度，对应极限荷载40%、60%、80%时的Ks,0.4、Ks,0.6和Ks,0.8表现出的割线刚度差别不显著。

3 结 论

通过对32组不同类型的木-轻集料混凝土剪力连接件的推出试验，分析得出不同连接方式的试件破坏形态和荷载-滑移曲线的变化规律，可以得到以下结论：

(1) 螺栓型剪力连接件的破坏模式与使用的螺栓根数有关，采用1根螺栓时属于延性破坏，采用2根和3根时，破坏模式属于脆性破坏。

(2) 螺栓型剪切件推出荷载-滑移曲线存在完全塑性阶段，在达到峰值荷载后仍具有极大的滑移变形能力。

(3) 剪切件极限位移、极限承载力在使用两根φ8 mm或φ10 mm型号螺栓、轻集料混凝土强度为30 MPa的时，性能最佳。

(4) 采用1根φ10 mm螺栓连接件的LC20轻集料混凝土剪切件延性系数最大达5.02。

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An Experimental Study on the Shear Test of Wood-lightweight Aggregate Concrete by Bolted Joint

HU Yafeng， WEI Yang， WANG Tong， ZHAO Longlong

(College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

In order to study the shear effect of wood-lightweight aggregate concrete specimens connected by bolt keys, static load tests were carried out on 96 sets of 32 types wood-lightweight aggregate concrete shear connectors with electro-hydraulic servo universal tester and TDS data collecting machine. The test results showed when two more bolts were used, shear failure mode of the connectors, belongs to brittle failure; if the bolts were arranged equally, the ductility coefficient of the low intensity of lightweight aggregate concrete LC20 increases and fits out deformation. Considering specimen limit displacement and applying bearing capacities of comprehensive performance, we could get the best performance by the using two ofφ8 orφ10 type bolts and the intensity of lightweight aggregate concrete is 30 MPa. The results of the study provide reference values for the design and application of wood and lightweight aggregate concrete composite structure.

bolted joints composite structure; wood; lightweight aggregate concrete; composite structure; load-slip relationship

2016-11-10

国家自然科学基金项目(51208262);江苏省自然科学基金(BK20151520);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

胡亚风(1980-),男，安徽六安人，博士生,研究方向为工程结构理论与运用。

Tel.:025-58427752; E-mail:hill_hu_2003@163.com

魏 洋(1978-),男，安徽合肥人，教授,博士生导师,研究方向为新型材料与结构。

Tel.:025-85427747; E-mail:wy78@njfu.edu.cn

TU 375.3

A

1006-7167(2017)08-0034-06