钢夹板—螺栓连接胶合木抗剪性能试验研究

陈爱军，牛 东，占雪芳，王解军，彭容新，姚嘉帅

（中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004）

胶合木作为一种新型绿色建筑材料已广泛应用于现代木结构的梁、柱和桁架体系中。为满足大跨结构的需要而采用多种适宜于木结构的连接方式来实现胶合木长度的跨越，如榫卯连接、销类连接、钢夹板—螺栓连接等。Wataruet al.[1]、Mettem[2]、樊承谋等[3]、张晋等[4]分别从不同角度对胶合木连接件的受力性能进行相关研究。但是从国内外现有的研究情况来看，钢夹板—螺栓连接胶合木的抗剪性能试验研究相对较少。本文中通过钢夹板—螺栓连接胶合木试件的剪切静载试验和有限元模拟计算相结合的方法来探讨螺栓间距和布置方式对其抗剪性能的影响。

1 试验概况

1.1 构件设计与制作

本研究根据文献[5]关于螺栓连接设计的相关规定，胶合木厚度取80 mm，六角螺栓为8.8级，公称直径为8 mm，Q345钢板厚度为8 mm。螺栓并、错列连接件最小横向间距和最小竖向间距分别取30、100 mm，螺栓总长度满足整个连接结构厚度设计并超出1.5 d（d表示螺栓直径），螺纹丝口长度大于2 cm，钢夹板以及胶合木的预钻孔径取比螺栓直径大1 mm。各试件组的具体参数见表1。

表1 试件尺寸Table1 Test specimen size mm

设计并制作12组，每组3个，共36个钢夹板-螺栓连接胶合木试件。其中B1、B2、B3、B4分别为3行1列～4列螺栓，采用并列布置；C1、C2、C3、C4分别为3行1列～4列螺栓，采用错列布置。鉴于试验条件和进程，本次只对并列布置试件的螺栓间距对抗剪性能造成的影响进行探究，分别设计J100、J150、J200、J250（螺栓间距分别为100、150、200、250 mm）4组连接构件，螺栓总数均为2列×3行=6个，螺栓并列布置。

1.2 试验材料

试验用胶合木材料的力学参数取值如表2所示，其中弹性模量E根据文献[6]中所提供的方法并通过10个构件（尺寸20 mm×20 mm×20 mm）的材性试验确定，剪切模量G和泊松比υ根据相关规范[7]的规定来确定。

表2 胶合木的材料力学参数†Table2 Larch material mechanical parameters

螺栓和钢夹板的材性数据由厂商提供，其中8 mm厚钢夹板的弹性模量为2.06×105MPa，屈服强度为310 MPa；螺栓的弹性模量为2.06×105MPa，屈服强度为580 MPa。

1.3 试验加载与测试

采用如图1所示试验装置进行试验加载，为检验仪器设备是否正常工作，在正式加载前采用承载力10%的加载量进行预加载。正式加载时以500 N/S的速度均速加载。加载过程中采用量程为30 mm、测量精度为0.01 mm的位移计进行滑移值测量，同时采用东华DH3818静态应变测试系统进行应变测试。

图1 试验加载装置Fig.1 Test setup

当位移计中所测滑移值超过15 mm或者胶合木开裂破坏时停止加载，并记录最大荷载。整个加载试验中观察试件的受力过程及破坏模式。

2 有限元数值模拟

采用ANSYS有限元分析软件建立钢夹板-螺栓连接胶合木三维实体模型进行数值计算。

2.1 有限元模型的建立

有限元单元均采用Solid186（八节点六面体非协调模式单元）。在胶合木与钢板之间、螺栓头与钢夹板、螺母与钢夹板之间、螺栓杆与螺栓孔之间创建面-面接触对，接触面摩擦系数为0.3。采用多域扫掠型（MultiZone）网格划分，以六面体为主。模型计算时采用荷载加载模式，在胶合木顶部施加均布荷载。

2.2 材料本构关系

模型主要考虑在顺纹方向的木材抗压强度，所以利用ANSYS对钢夹板-螺栓连接胶合木进行分析时，假定胶合木在弹性阶段为正交各向异性线弹性，在塑性阶段为各向同性，即在轴向、径向与切向3个方向采用相同的本构关系。考虑到试件破坏前主要承受木材顺纹抗压性能影响，模型中胶合木塑性阶段的本构关系按照顺纹受压材性试验结果设置。其应力-应变关系的数学表达式为：

式中：σ和ε分别表示胶合木应力和相应的应变；E为试件线性阶段抗压弹性模量，即εL为试件比例极限强度对应的应变值，一般取峰值应变的0.45～0.60；εE为试件的峰值应变；σL为试件峰值应力；A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4分别为经验系数[8]。

3 结果与分析

3.1 破坏过程及特征

并列组试件B1～B4的试验现象：B1试件在荷载加至40.1 kN时，滑移达到0.8 mm，胶合木出现第一声微弱声响，此时螺栓有弯曲但并不明显；荷载达到107 kN时，荷载不再增加但是滑移继续变大，最后胶合木沿列螺栓连线位置发生顺纹劈裂破坏；B2、B3、B4前期变化过程大体与B1相似，但最终破坏方式有所区别。B2为沿两列螺栓连线位置顺纹劈裂破坏。B3与B4为沿外侧两列螺栓连线位置顺纹劈裂破坏，而中间木材未开裂。4组试件螺栓弯曲程度均从上至下逐渐减小。

错列组试件C1～C4的试验现象：C1试件在荷载加至50.6 kN时，滑移值为1.1 mm并开始发出微弱响声；当荷载达到151 kN时，荷载不再增加但滑移持续增加，最终螺栓弯曲，木材沿最上排螺栓孔位置发生顺纹劈裂破坏；C2、C3、C4变化过程大体与C1相似，均沿最上排螺栓孔位置发生顺纹劈裂破坏，螺栓弯曲程度也是从上至下逐渐减小。

J100-J250的试验现象：J100随着荷载的增大，可以听到钢板与胶合木之间的摩擦声及木材轻微的开裂声，螺栓头部逐渐挤压木材向内凹陷。当荷载为145 kN时，荷载不变但滑移持续增加，胶合木破坏声变大，最终木材沿两列螺栓连线位置顺纹劈裂破坏。J150、J200、J250变化过程与J100相似，螺栓发生了明显的弯曲变形。

产生上述破坏模式的主要原因是连接胶合木的螺栓长细比较大，抗弯刚度相对较小，试验中胶合木和螺栓之间发生明显的剪切变形，所以钢板和胶合木连接部分的变形主要集中于螺栓处。构件传力过程中荷载分布的不均匀会造成同一排螺栓中最外侧螺栓所分配的剪力大而容易破坏，所以就呈现出木材沿两外侧螺栓位置顺纹开裂的现象。

3.2 承载力分析

钢夹板—螺栓连接胶合木抗剪性能的主要评价依据是极限荷载与屈服荷载。根据试验得到的结果如表3所示。对于无明显屈服点的试件，采用拐点法[9]，通过荷载—位移曲线得到的拐点即为试件的屈服点。

表3 主要阶段试验结果†Table3 Test results of main stages

由表3可得，随着螺栓数量的增加，试件的最大位移也会增大。在相同螺栓数量下，螺栓错列布置的最大位移大于并列布置的最大位移。其主要原因是：螺栓孔对胶合木截面的削弱程度螺栓错列布置比并列布置小。

对比并、错列钢夹板—螺栓连接胶合木试件的极限荷载可得到极限荷载与螺栓列数呈现正相关性。对比同等数目螺栓的钢夹板—螺栓连接胶合木构件的极限承载力，得到螺栓错列布置的抗剪性能比并列布置强。

对于双列螺栓而言，随着螺栓间距的增加，极限载荷与屈服荷载都呈现出增加趋势。由于多个螺栓布置，螺栓受力分配不均，最先破坏的螺栓位于离荷载接触端最近处。

3.3 试验结果与计算结果的对比分析

本文采用直接式线性方程求解法进行计算，分别将B2、C2与B3、C3分为两组，通过对比分析了并、错列方式对钢夹板—螺栓连接胶合木抗剪性能的影响。胶合木的变形图如图2所示。

从图2中可以看出，胶合木的应力主要集中在螺孔附近，且出现较大的局部塑性变形。螺栓的最大应力位于其与钢板的接触位置，这与试验中螺栓的变形情况吻合。

图2 胶合木变形图Fig.2 The offset wood deformation drawing

试验结果与计算结果如表4和图3所示。从表4中可看出，试验结果与计算结果的相对差值介于4.9%～9%之间，说明数值模拟与试验吻合度较好。该模型可以用于钢夹板—螺栓连接胶合木抗剪性能的计算。

表4 试验结果与计算结果对比Table4 Comparison between test results and calculation results

由图3同样可以看出，螺栓错列布置的抗剪性能优于并列布置，且在弹性阶段计算结果与试验结果吻合度较好，进入塑性阶段后计算结果与试验结果吻合度较差，表明在试验过程中螺栓与胶合木之间发生的相对滑移较大。

3.4 不同螺栓列数试件的刚度分析

钢夹板-螺栓连接胶合木在螺栓间距试验中，根据试验结果得到的初始刚度与屈服后刚度如表5所示。螺栓间距不同的4组试件的试验结果表明：随着螺栓间距的增大，试件初始刚度和屈服后刚度均呈减小的趋势，刚度变化幅度亦均在减弱，且屈服后刚度的变化幅度比初始刚度的变化幅度更小。这也充分表明：由于胶合木材料的特性，螺栓间距较小的试件的初始刚度相对较大，容易发生劈裂。所以增大螺栓间距能够避免胶合木过早发生劈裂。

图3 试验结果与计算结果荷载—滑移曲线对比Fig.3 Comparison of load slip-curve between test results and calculated results

表5 试验刚度对比Table5 Comparison of stiffness

4 结 论

通过对钢夹板—螺栓连接胶合木抗剪性能静载试验得出如下结论：

（1）所有试件的应力和变形都呈现出上大下小的规律，并随着螺栓列数的增加，应力和变形减小幅度增大，但螺栓列数与间距均不影响应力与变形上大下小的规律。

（2）当材料规格和螺栓个数相同时，错列抗剪能力比并列大；螺栓列数与极限荷载、屈服荷载呈非线性关系且正相关，并随着螺栓列数的增加，抗剪能力也相应提高。

（3）在本试验的多排螺栓连接中，随着螺栓间距的增大，初始刚度呈减小趋势，极限荷载与屈服荷载呈增大趋势。

（4）本文仅对螺栓间距和螺栓的并列和错列布置对钢夹板—螺栓连接胶合木的抗剪性能进行试验研究和数值模拟。钢夹板—螺栓连接胶合木的抗剪性能受木材材性、木材胶合技术、木材纹理、木材加工工艺等诸多因素的影响。所以对钢夹板—螺栓连接胶合木力学性能的研究，还需进一步开展系列相关的试验和理论研究，逐步完善木结构连接的设计和计算理论。