交变荷载下木构件增强端部钉节点抗剪性能

杨小军，马　澜，赵　琦，俞奕豪，徐汀竹

（1.南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.安徽森泰木塑集团股份有限公司，安徽 广德 242200）

我国人民有悠久的建造和使用木结构房屋的历史，创造了灿烂的木结构建筑文化。如今，随着经济发展和生活水平的提高，人们越来越对返璞归真、回归自然的居住环境更加青睐，集诸多优异性能于一身的现代木结构建筑得到了快速发展[1]。现代木结构通过各类节点将木构件相互联系、传递荷载，形成可靠的建筑结构体系。木构件端部是节点连接的关键部位，也是力学性能最薄弱的部位，给木构件连接设计带来了困难。随着具有优异力学性能的碳纤维复合材料技术的发展，采用碳纤维对木构件端面进行增强成了改善其性能的一种有效技术手段[2-4]。作者通过前期研究，发现采用粉状碳纤维对木构件端面进行增强，能大幅提升木材端部横向抗拉强度[5-6]。

钉节点由于传力路径清晰、制作简单、安全可靠等，一直是现代木结构中最受欢迎的连接方式之一。钉节点在木结构中几乎都被设计用作抗剪连接。长期以来，有关木结构钉节点连接的研究较多，主要在钉连接承载性能的屈服理论、衰退效应、抗侧力、握钉力计算模型、重复钉入握钉性能及钉连接节点承载性能研究等方面，这些研究都基于木材纵向材面、基于单调荷载握钉试验，运用力学理论或非线性有限元等方法进行[7-14]。钉节点在服役过程中常常因风、雨、人员、地震等原因长期处于变化荷载的作用下，其牢固程度将随服役时间逐渐降低，易出现节点松动，结构失稳现象。研究资料表明，对于木质复合材料，交变荷载（即疲劳与蠕变共同作用）引起的损伤明显高于同等条件下静力荷载引起的损伤或疲劳与蠕变引起的损伤之和，交变荷载下疲劳与蠕变易发生交互作用[15-17]。然而，国内外有关在交变荷载下钉节点抗剪性能方面的研究尚未见报道。

为此，本研究以木构件端部为研究对象，采用具有高强抗拉性能的粉状碳纤维进行增强，研究钉连接节点在交变循环荷载作用下抗剪性能，揭示其一般规律，对提高木构件端部钉连接性能及木结构的安全性设计具有重要意义。

1　材料与方法

1.1　试验材料

试验用木材采用产于东北的落叶松Larixolgensis和水曲柳Fraxinus mandshurica规格材，有部分活节，纹理通直，一等材，含水率约15%。粉状碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，纤维长度0.5～2.0 mm，纤维直径7～11 μm，受拉弹性模量为2.4×105MPa，抗拉强度3 450 MPa，极限拉伸应变为1%。胶黏剂为双组分环氧类，混合后初黏度（23 ℃）5 000 mPa·s，其混合体积比为2∶1，抗拉强度50 MPa，弹性模量2.0 GPa，延伸率2.2%。试验用钢板为Q345低合金高强度钢，尺寸为150 mm×20 mm×4 mm。试验用螺钉为GB846-85-ST3.5x40-C-H 十字槽沉头自攻镀锌螺钉。

1.2　试样制作

挑选木材端面年轮分布规则的无缺陷弦切规格材，经精截加工后对木构件端面采用热风枪进行高温热处理，直至端面出现200 条·dm-2以上裂纹，最后按增强涂层纤维内短外长的双层结构进行复合。复合工艺参数：碳纤维用量170 g·m-2，施胶量350 g·m-2，复合压力0.10 MPa，施压方式为非刚性施压，涂层结构为内层碳纤维长为0.5 mm涂层，外层为2 mm涂层[5]。在复合试件中间位置按《GB50005—2003木结构设计规范》[18]要求先钻孔后拧入螺钉，基本参数：导孔直径2 mm，导孔深30 mm，木螺钉拧入深度36 mm，试样结构如图1所示。

1.3　测试方法

图1　钉节点抗剪试件结构及测试装置Fig. 1　Diagram of a shearing specimen with screw joint and testing device

图2　加载方式Fig. 2　Loading ways

钉节点抗剪测试如图1所示，在三思万能力学试验机上采用单剪加载方式进行木构件端部节点抗剪试验，加载波形为梯形波（如图2），即在每次剪切交变荷载循环过程中，在交变荷载最大值和最小值处都分别加上保持时间t1，使得在每次循环过程中，钉节点既承受疲劳损伤，又在保载期内同时承受蠕变损伤，加载保持时间t1分别为3 s、6 s、9 s，时间由程序自动控制。单调荷载剪力测试时试验机加载速率为5 mm·min-1。交变荷载抗剪测试时初始加载阶段加载速率为5 mm·min-1，交变荷载阶段加载或卸载速率为300 N·s-1。

交变荷载采用3种加载方式，即低幅荷载、高幅荷载及变幅荷载，低幅荷载指交变荷载最小值最大值分别为500 N、1 000 N，即荷载变化幅度为500 N。高幅荷载指交变荷载的最小值、最大值分别为100 N、1 000 N，即荷载变化幅度为900 N。低幅及高幅荷载每周期荷载极值保持时间3、6或9 s，总交变加载时间5 400 s。变幅荷载指四阶段递进式加载，即第一阶段交变荷载最小值最大值分别取500 N、700 N（极值保持时间3 s，交变加载时间1 800 s），第二阶段交变荷载最小值最大值分别取400 N、800 N（极值保持时间3 s，交变加载时间1 800 s），第三阶段交变荷载最小值最大值分别取300 N、900 N（极值保持时间3 s，交变加载时间1 800 s），第四阶段交变荷载最小值最大值分别取200 N、1 000 N（极值保持时间3 s，交变加载时间1 800 s）。交变加载试验分16组，每组6个试件，试验设计如表1所示。

交变荷载剪切位移增量指交变荷载测试结束时剪切位移极限值与单调荷载下加载至1 000 N时剪切位移之差。

2　结果与分析

2.1　单调荷载下钉节点受剪性能

图3为木构件增强端面及木材端面钉节点在单调荷载下剪力位移曲线，在几种木构件端部的钉连接方式中，构件端部钉节点受剪行为几乎呈现同样的规律。对于木材端面而言，钉节点在加载过程中，随着剪切位移的增加，节点承受的剪力呈线性急速递增，此阶段螺钉螺纹与木材纤维相互咬合牢靠，螺钉周围木材纤维提供足够支撑应力，木螺钉处于弹性受剪状态；达弹性范围极限值后，剪力随剪切位移的增加几乎保持恒定，此阶段钉节点由受剪状态转变为受剪和受拉状态，螺钉周围一侧木材出现严重变形并伴随细微裂纹产生，螺钉产生了侧向转动，因螺钉刚性较大，未出现明显变形；随着加载的继续进行，剪力随剪切位移平缓增加，此阶段螺钉出现剪弯变形，剪切位移大幅增加。对于碳纤维增强端面而言，剪力达弹性范围极限值后，螺钉出现局部剪弯变形，螺钉周围碳纤维增强涂层未出现明显变形。

表 1　交变荷载试验设计Table 1　Experimental design for screw joints shearing resistance capacity under alternating load

图3　木构件增强端部节点典型载荷位移曲线Fig. 3　Curve of screw shearing capacity of wood members’end under monotonic load

木构件增强端面微应变分布云图采用数字图像法（DIC-3D系统）测得，即在万能力学试验机上对试件钉节点进行单轴拉升，测量单轴拉升过程试件表面的全场位移与应变。DIC-3D系统是非接触式的光学三维变形测量系统，用于计算、分析和记录变形，该系统通过数字相机采集试件加载前后的散斑图像，经数字图像相关方法计算出网格点图像坐标，并通过相机标定参数将图像坐标重投影到世界坐标，从而实现试件的变形测量。图4为典型落叶松木构件试件在2 kN剪力下增强端面应变分布实测云图，钉节点周围微应变较大，在剪力作用下，钉周围上方下方均出现了较大的应变，表明碳纤维增强涂层整体性较好，有效分散了钉孔边缘一侧承受的较大应力。应变云图中钉孔上方区域显示拉应变状态，是由于钉节点在剪力作用下试样木材端部因较大拉力引起的整体弹性变形高于钉节点局部挤压变形所致。

图4　落叶松木构件增强端面数字图像法微应变云Fig. 4　Micro-strain cloud diagram of reinforcedLarix olgensiswood member’s end face

木构件钉节点增强端面与木材端面在弹性范围剪力极值存在较大差异（如表2所示），水曲柳及落叶松增强端面的剪力极值分别提高了102.54%、78.23%，碳纤维涂层硬度高、强度大，同时与木材端面能牢固结合，大大提升了钉节点抗剪性能。弹性范围剪力极值可用来评价增强后端面钉节点的抗剪性能。水曲柳及落叶松增强端部的变异系数比木材端面低，表明增强端面测得数值较稳定，增强端面钉节点受木材材质变异性影响较小。

2.2　不同交变加载方式钉节点受剪性能

由图5可见，木构件端面钉节点在恒幅交变荷载下位移随时间变化规律几乎一致，在初始阶段，钉节点剪切位移增加速率较大，随着时间的延续，速率逐步减小；在稳定阶段，钉节点剪切位移增加速率较小，且几乎恒定，该阶段位移时间曲线表现为一定倾斜角度的直线段。恒幅交变荷载下剪切位移时间曲线呈现了恒荷载下的蠕变变形短期特征，即非稳定初始蠕变阶段及等速蠕变阶段。交变荷载幅度使剪切位移产生了约0.1～0.2 mm的变化幅度，剪切位移变化幅度随交变荷载幅度增大而增大，在不同树种及不同端面间位移变化幅度差异较小，在整个加载过程剪切位移变化幅度随时间延续变化不明显。

表 2　单调荷载下钉节点弹性范围剪力极值Table 2　Shearing extreme values of screw joints under monotonic load

图5　典型木构件端面节点恒幅荷载下位移时间曲线Fig. 5　Curve of screw shearing capacity of wood members’end under constant amplitude load

由图6可见，变幅荷载加载方式是由低幅荷载（500～700 N）分4阶段逐步递进增加至高幅荷载（200～1 000 N），各阶段剪切位移增量逐步递增，在第三、四阶段剪切位移增量显著。交变荷载幅度是加速剪切变形的主要因素。

图6　典型试件变幅荷载下荷载位移曲线Fig. 6　Curve of screw shearing capacity of wood members’end under variable amplitude load

由图7可见，高幅荷载下不同树种及不同端面钉节点位移剪切增加量均大于低幅荷载，木材端节点更显著。低幅荷载（500～1 000 N）的平均荷载比高幅荷载（100～1 000 N）大200 N，节点剪切位移增加量却偏低，在荷载极值一致的前提下，交变荷载变化幅度是影响剪切位移增加量的主要因素。交变荷载加载过程是疲劳损伤和蠕变损伤叠加的过程，钉节点抵抗疲劳损伤的性能较弱。木材端面钉节点是由木螺钉、木构件端部钉孔周围木纤维组成，当钉受剪时，钉孔一侧纵向排列的木纤维提供支撑，木材组织疏松、空隙多、硬度低等，高幅交变荷载对侧向支撑的木纤维冲击较大，易产生挤压变形，严重时出现细微裂纹。对于增强端面，钉受剪时以碳纤维增强层侧向支撑为主，交变荷载引起的冲击易使刚性较大较脆的增强涂层产生细微小颗粒损伤，随时间延续损伤逐步累积。试验观察发现木材端面及增强端面钉孔一侧都出现了边缘扩大的现象。

图7　不同剪力幅度钉节点剪切性能Fig. 7　Screw shearing capacity of wood members’ end with different shear amplitude

变幅荷载引起的剪切位移增量均高于低幅和高幅荷载，这是由于变幅荷载总加载周期较长，是低幅和高幅荷载的1.33倍。加载时间越长引起的剪切蠕变变形越大。

2.3　不同加载保持时间钉节点抗剪性能

图8　不同加载保持时间钉节点抗剪性能Fig. 8　Screw shearing capacity of wood members’ end with different load retention time

由图8可见，各周期极限荷载加载保持时间对钉节点剪切位移增量影响显著，随着加载保持时间延长剪切位移增量减小，水曲柳木材端面及增强端面节点9 s时剪切位移增量比3 s时分别降低了0.457 mm、0.044 mm。加载保持时间短则加载频率高，在总的加载周期5 400 s内钉孔壁承受荷载冲击作用次数多，对钉孔一侧边缘木材损伤加大。文献[15]提到的疲劳/蠕变交互作用下竹木复合层合板抗弯性能结果相反，周期内加载保持时间是导致损伤的主要因素，其原因可能是在抗弯极大值处保持一定蠕变时间，而本研究是在极大极小值处都保持蠕变时间，极小值处产生了部分弹塑性恢复减缓了蠕变进程；另一方面，钉节点抗剪测试不同于抗弯，交变荷载引起的冲击易使钉孔边缘外侧产生应力集中，边缘产生细微损伤并累积，交变加载频率越高损伤累积越多，从而出现局部“扩孔”现象。

2.4　不同树种钉节点抗剪性能

由图9可见，水曲柳与落叶松间交变荷载引起的位移增量存在一定的差异，木材端面水曲柳低幅及高幅荷载剪切位移增量高于落叶松，而增强端面水曲柳却低于落叶松。水曲柳木材为环孔阔叶材，孔隙比落叶松木材多，木材的实质含量少，木材端面孔隙提供的侧向支撑作用小，交变荷载易使木纤维挤压密实。对于增强端面，水曲柳孔隙多却有利于碳纤维渗入，在进行端面工艺复合时有更多碳纤维进入了木材端部缝隙及孔隙，大大改善了木构件端部强度和刚度。

2.5　不同端部钉节点抗剪性能

图9　不同树种钉节点抗剪性能Fig. 9　Screw shearing capacity ofFraxinus mandshuricaandLarix olgensiswood members’ end

图10　不同端部钉节点抗剪性能Fig.10　Screw shearing capacity of reinforced and unreinforced wood members’ end

由图10可见，增强端部在高幅、低幅及变幅交变荷载下的剪切位移增加值均远小于同树种的木材端部，水曲柳木材端面增加量是增强端面的3倍以上，碳纤维增强端面均表现出了优异的抗剪性能，木构件端部增强后能很好的抵抗交变荷载带来的影响。碳纤维刚性大，硬度高，与木材结合牢靠后大大提高了木材端部横向抗剪性能。另外，不同端面都施加的相同交变荷载，对木材端面而言，该荷载接近其允许的极限值，应力水平高，而增强端面相反，增强端在这期间始终处于低应力水平阶段，安全边界较高。

3　结论与讨论

采用粉状碳纤维增强水曲柳及落叶松木构件端部，是提高其端部钉节点抗剪性能有效技术手段。在单调荷载下，碳纤维增强后的水曲柳和落叶松木材端部钉节点抗剪力得到大幅改善，分别提高了102.54%和78.23%。

交变荷载能加速木构件端部钉节点损伤进程，交变荷载加载过程是疲劳损伤和蠕变损伤叠加的过程，交变荷载频率及荷载变化幅度是影响钉节点抗剪性能的主要因素；交变荷载引起的冲击易使钉孔边缘外侧产生应力集中，边缘产生细微损伤并累积，交变加载频率越高损伤累积越多，易出现局部“扩孔”现象，周期内加载保持时间不是影响剪切位移增量的主要因素。

不同树种及不同端面钉节点剪切位移增量差异明显，增强端部在高幅、低幅及变幅交变荷载下的剪切位移增值均远小于同树种的木材端部，水曲柳木材端面增量是增强端面的3倍以上，碳纤维增强端面均表现出了优异的抗剪性能，文献[11]中碳纤维增强后的木构件端面握钉性能也反映了这一特性。剪切位移增量可用作评价交变荷载下钉节点抗剪性能优劣的参数。

增强端面钉节点剪切破坏模式主要表现为钉孔边缘碳纤维涂层出现局部变形及钉剪切变形。在一定的加载周期内，增强后的水曲柳及落叶松木构件端面具有更优异的抗疲劳及蠕变性能，能有效阻止木构件端面裂纹的产生与扩展。考虑到实际工程结构的需要，将进一步研究木构件端面大直径钉抗剪性能及多钉群体效应。