带齿夹板钢木连接节点受力机理

2020-07-30郁有升周其霖韩俊良

建筑科学与工程学报 2020年4期

郁有升，周其霖，韩俊良

(1.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033；2.青岛理工大学山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，山东青岛 266033)

0 引言

胶合木是由一定厚度的板材沿顺纹方向叠层胶合而成[1]，在制作过程中，可消除木材天然缺陷对承载力的不利影响。将胶合木应用于大跨度结构中可充分发挥其轻质高强、抗震性能好的特点。近年来木网壳结构广泛应用于国内外工程中，例如日本的大馆树海体育馆、美国的塔科马穹顶、天津侨城欢乐谷演艺中心等都是典型的木网壳建筑。胶合木在大跨度建筑中的应用对节点的性能提出了更高的要求。文献[2]～[5]进一步指出，节点刚度是影响单层网壳整体稳定性和承载力的重要因素。

木网壳螺栓连接节点主要有钢夹板节点[6]、钢填板节点[7]，螺栓孔处木材在荷载作用下易沿木材纹路方向开裂，故螺栓孔是其薄弱部位，且由于木梁螺栓孔的初始间隙会导致节点存在初始滑移[8]，影响节点的初始刚度。相关学者针对防止木材螺栓孔开裂做了研究[9-10]，但未能解决节点初始刚度低的问题。Gecys等[11]提出了一种新型螺栓-钢填板节点，通过在钢板和木材接触面填充聚合物纤维水泥基，来增强木材和钢材的黏结，提高节点刚度。何敏娟等[12]对钢填板预应力套管螺栓节点进行了顺纹和横纹抗拉试验，无论是顺纹抗拉还是横纹抗拉，该节点的极限承载力和刚度均有所提高，且具有较好的延性。Wanyama等[13]对钉节点、螺栓节点和钉-螺栓组合节点进行了抗拉试验，发现钉-螺栓组合节点的主要优点是具有很高的刚度和抗震能力。

为减缓木梁螺栓孔初始间隙对节点刚度的不利影响，通过在夹板内表面设置钢齿，利用钢齿与木梁之间的机械咬合作用来提高网壳节点的初始刚度与承载力，进而可以提高网壳的整体稳定性。目前对于带齿夹板节点的研究较少，本文对不含钢齿的普通夹板节点和带齿夹板节点的受力性能进行对比试验，并结合有限元软件ABAQUS进行分析，研究了带齿夹板节点的受力机理和破坏模式，以期为带齿夹板节点的工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 连接形式

以K6型胶合木网壳为原型设计的节点连接形式如图1所示。夹板是由钢板弯折而成，加工时在夹板的钢齿对应位置预钻孔，将自攻螺钉钻入孔中，并且在钉冒位置通过塞焊与夹板焊接，组成带齿夹板。工程应用中，首先将带齿夹板与胶合木梁通过螺栓拼装完成，随后将带齿夹板通过高强螺栓固定在钢毂上，该节点施工方便、装配化效率高。

图1 节点构造

1.2 试件尺寸

通过同尺寸下不含钢齿的普通夹板节点(JD-1)和带齿夹板节点(JD-2)的单调加载试验，研究了钢齿对节点初始刚度和承载力的提升作用。节点具体尺寸如图2～4所示。

图2 试件尺寸(单位:mm)

图3 钢毂尺寸(单位:mm)

图4 带齿夹板尺寸(单位:mm)

试件中固定胶合木梁的钢毂为正六边形，由6块270 mm×210 mm×10 mm的钢板焊接而成。钢毂内置6块放射状加劲板以增强结构刚度，加劲板厚度为8 mm。为了方便加劲板焊接，中间设置1个φ159×10的无缝钢管。钢材材质为Q345B，螺栓为8.8级M16和M20高强螺栓，M16螺栓、M20螺栓按照规范[14]施加预紧力。钢齿由自攻螺钉制作而成，截面直径约为4.5 mm，凸出夹板的长度为5.6 mm。

1.3 胶合木材料特性

木梁由花旗松层板胶合木制作而成，材质符合规范[1]中TCT24等级胶合木的制作要求。对胶合木进行了材性试验，胶合木的材性实测结果见表1。

表1 胶合木材性

1.4 加载装置及加载制度

试验加载装置如图5所示，竖向荷载通过反力架由千斤顶作用于钢毂上。试件两端部采用单向铰支座支承。为防止加载过程中胶合木梁发生滑移和扭转，胶合木梁通过钢板固定件与铰支座连接。

图5 加载装置

加载采用量程为50 t的液压千斤顶，手动加载。加载过程分为2个阶段，即预加载阶段和正常加载阶段。预加载阶段：施加一级荷载(每级荷载增量为预估承载力的10%，即5 kN)，持续5 min后卸载至0。预加载可以检查测量系统的有效性，确保测量系统正常工作。正常加载采用分级加载的方法，每级荷载增量为5 kN。每级荷载加载完毕后，都持荷3～5 min待稳定后继续加载。当节点失去承载力时，停止加载。

2 试验结果

2.1 试验现象

在试件JD-1加载过程中，每施加一步荷载，节点位置都会发出“咔咔”的响声，该声音是由夹板与木梁之间发生滑移而发出的。随着荷载的增加，节点位置开始出现细微的木材劈裂声，说明此时木梁螺栓孔附近出现裂纹，但无法观测到。当荷载加到42.57 kN时，一侧胶合木梁沿顺纹方向在上侧一排螺栓孔附近出现了第1条可观测到的裂缝，此时试件的跨中位移为47.18 mm，节点转角为0.143 rad。随着荷载的增加，裂缝逐渐扩展。最终在木材顺纹方向沿受拉侧螺栓位置发生横纹劈裂破坏，试件突然失去承载力，停止加载。此时跨中荷载为43.18 kN，试件的跨中挠度为75.16 mm，节点转角为0.229 rad。夹板发生轻微变形，木梁螺栓孔有挤压变形和开裂的现象，夹板与木梁之间有明显的相对滑动。破坏形态如图6所示。

图6 JD-1破坏形态

在试件JD-2加载过程的初期，节点处没有出现任何响声，夹板与胶合木梁之间没有发生明显的滑移，说明钢齿与木梁之间的机械咬合作用使得荷载能够有效传递。最终由于夹板翼缘变形过大，试件无法继续承载。此时试件跨中的竖向荷载为65.33 kN，跨中挠度为97.18 mm，节点转角为0.310 rad。胶合木梁没有出现裂缝，螺栓孔处没有明显的挤压变形，钢齿孔出现塑性变形，JD-2试验现象如图7所示。试验过程中JD-1和JD-2的螺栓均保持刚直，未发生变形。

图7 JD-2破坏形态

在弯矩与剪力联合作用下，试件的变形包括钢毂变形、夹板翼缘变形、夹板腹板变形、夹板与木梁之间相对滑动变形以及木梁变形。其中试件JD-1变形主要为夹板与木梁之间相对滑动变形，试件JD-2变形主要为夹板翼缘受拉变形。

2.2 弯矩-转角曲线

试验得到的弯矩-转角(M-θ)曲线如图8所示。在受力阶段的初期，两曲线几乎重合，说明此时夹板与木梁尚未发生相对滑动。当转角约为0.02 rad左右时，因木梁螺栓孔初始间隙的影响，JD-1的夹板与木梁出现相对滑动，直至螺栓杆参与传力，因此JD-1的弯矩-转角曲线首先下降。螺栓杆挤压螺栓孔会使得木梁纤维出现横纹拉应力，当拉应力超过横纹抗拉强度时发生开裂，导致承载力下降。JD-2因钢齿与木梁的机械咬合作用使得夹板与木梁之间的滑动明显减缓，并且嵌入木梁的钢齿在螺栓杆参与传力时分担了木梁螺栓孔的应力，因此JD-2未出现开裂。

图8 弯矩-转角曲线

2.3 力学性能

可以通过初始刚度k和屈服弯矩My、极限弯矩Mu、破坏弯矩Mf以及对应的转角θy，θu，θf对节点的力学性能进行评价。初始刚度k可根据文献[15]中的方法，即采用极限弯矩Mu的10%，40%对应的弯矩及转角计算

(1)

式中：M10%，M40%分别为10%Mu和40%Mu；θ10%，θ40%分别为10%Mu和40%Mu对应的转角。

JD-2试件可根据欧洲规范EN 12512[16]中屈服荷载的计算方法，计算My及相应的θy。JD-1试件以横纹劈裂破坏为主，无法做出k/6对应的切线，此时屈服弯矩取极限弯矩的50%[17]。试验所得数据如表2所示。

表2 试验数据

由于钢齿的存在，与JD-1相比，JD-2试件的初始刚度k提高了47.18%，极限承载力Mu提高了31.4%。节点的延性可由转角延性系数γ来评估。JD-2试件与JD-1试件相比，γ提高了19.83%。由以上分析可以看出，带齿夹板节点可以有效提高节点的初始刚度、承载力和延性。

3 有限元分析

3.1 属性定义

在有限元模拟时，将胶合木简化为横纹各向同性材料，并通过定义工程常数来指定胶合木弹性阶段的本构关系，木材弹性参数见表3。由于该节点存在螺栓连接，为了有效模拟螺栓孔的挤压变形与开裂，对螺栓孔周围木材的材性进行折减[18]。在塑性阶段将胶合木视为各向同性材料，模型中塑性阶段的应力-应变关系按照胶合木顺纹受压材性试验来设置，其应力-应变表达式参考了文献[19]中关于木材顺纹受压部分的数学模型，包括非线性上升段和线性下降段，如图9所示，其应力-应变关系表达式如下

图9 木材应力-应变模型

表3 弹性参数

(2)

式中：σ，ε分别为胶合木应力与应变；r为非线性段参数，r=εpE0/fc，fc为木材顺纹抗压强度；εp为fc对应的应变，本文取0.006；E0，Ed分别为胶合木顺纹弹性模量和曲线下降段的斜率，本文取Ed=0.1E0；εu为胶合木顺纹极限压应变，对应下降段中0.8fc时的应变。

3.2 相互作用

节点中存在较多的相互作用关系，合理定义各接触面之间的相互作用关系是保证有限元分析结果正确性的关键。本模型定义的各部件之间的相互作用如表4所示。

表4 各接触面之间的相互作用

3.3 模型建立

用有限元软件ABAQUS对节点进行建模时，由于需要考虑复杂的接触关系进行弹塑性分析，所有单元均采用C3D8R实体单元。将钢齿简化为直径为4.5 mm的圆柱。由于钢齿孔的存在会使得胶合木梁网格十分密集，且木梁节点域附近受力复杂，远离节点域处应力较小。为了便于网格划分，提高计算效率，建模时将梁按节点域附近和远离节点域分为两部分，分别进行建模并定义其相互作用为“绑定”。木梁螺栓孔及钢齿孔沿圆周划分为12个单元。为防止网格扭曲过大，在木梁钢齿孔与钢齿接触面处划分为3个单元。为了提高计算精度，防止剪切自锁，夹板厚度方向划分为2个单元。模型网格划分如图10所示。

图10 有限元模型

在有限元模型中，试件端部为铰接约束，在胶合木梁端部截面的形心处创建参考点RP1，RP2，并将端部截面耦合到参考点上，对参考点施加铰接约束。考虑到试验时荷载施加在钢毂中心的钢管上，数值模拟时在钢毂上表面的形心处创建参考点RP3，将钢毂中心钢管的上表面耦合到RP3上，并将位移荷载施加在该参考点上。

3.4 模型验证

试验曲线和模拟曲线对比如图11所示，在初始传力阶段，试验结果与有限元模拟结果吻合良好，随着JD-1试件的木材发生开裂，模拟结果略大于试验结果。初始刚度的模拟结果与试验结果对比如表5所示，可以看出试验结果与模拟结果的相对误差在7%以内，精度较好，可以用于参数分析。

表5 初始刚度模拟结果与试验结果对比

图11 模拟曲线与试验曲线对比

3.5 受力机理

JD-1在弯矩和剪力的联合作用下，荷载主要由夹板通过螺栓传递给木梁，木梁螺栓孔处受螺栓挤压，应力较大。JD-2可以使荷载通过夹板上的钢齿及螺栓共同传递给木梁，钢齿分担了螺栓传递的荷载，因此降低了木梁螺栓孔处的应力水平。

图12给出了木梁顺纹方向(木梁长度方向)及横纹方向(木梁截面高度方向)的应力云图。可以看出，在荷载作用下，由于节点受力并产生一定的转角，木梁端部与钢毂之间发生相互挤压，试件的木梁端部顺纹方向压应力较大，且木梁受压区与钢毂之间的摩擦力将使木梁端部产生横纹拉应力。JD-1试件木梁螺栓孔由于受到螺栓的挤压传力，螺栓孔处存在顺纹压应力、横纹压应力以及横纹拉应力，应力状态复杂，易发生开裂。JD-2试件由于钢齿的存在，荷载将通过螺栓以及钢齿共同传递给木梁，因此减小了木梁螺栓孔的应力，避免了开裂，使得节点的破坏模式由木梁螺栓孔开裂的脆性破坏模式转变为夹板屈曲破坏的延性破坏模式。

图12 木梁应力云图(单位:MPa)

试件钢构件的应力云图如图13所示，可以看出两试件中夹板应力较大，均出现不同程度的屈服。由于钢齿分担了螺栓传递的荷载，故JD-2试件螺栓的应力明显小于JD-1。

图13 钢构件应力云图(单位:MPa)

结合试验和有限元分析，带齿夹板钢木连接节点的受力过程可以分为3个阶段：

(1)嵌固阶段。受力阶段的初期，在钢齿的机械咬合力和摩擦力共同作用下，夹板与木梁不发生相对滑动。

(2)滑移阶段。随着荷载的增加，摩擦力逐渐被克服，由于木梁螺栓孔存在初始间隙，螺栓未参与传力。在荷载作用下钢齿孔出现变形，夹板与木梁开始出现相对滑动，此时荷载主要通过钢齿传递。因此钢齿的存在减少了螺栓孔初始间隙对节点刚度的影响。

(3)共同传力阶段。当螺栓杆与木梁螺栓孔接触，螺栓开始参与荷载的传递，标志着滑移阶段结束，共同传力阶段开始，此时荷载通过螺栓及钢齿共同传递。因此钢齿的存在缓解了木梁螺栓孔的应力集中，提高了节点的承载力与延性。

3.6 参数分析

3.6.1 夹板翼缘厚度

通过试验及数值模拟，发现夹板翼缘在单调荷载作用下发生较大的受拉变形，为此以JD-2试件为基础，取4种夹板翼缘厚度t分别为6，8，10，12 mm，保持其他参数不变。相应的弯矩-转角曲线如图14所示。随着夹板翼缘厚度的增加，夹板翼缘的变形将减小，因此带齿夹板节点的抗弯承载力和初始刚度可以通过增加夹板翼缘厚度来提高。

图14 夹板翼缘厚度的影响

3.6.2 夹板布齿率

以JD-2试件为基础，在其他参数不变的条件下，在夹板腹板上布置不同数目的钢齿，参数设置见表6，其中夹板布齿率ρ为钢齿总截面面积与夹板腹板、木梁接触面的面积之比。

表6 钢齿数与夹板布齿率

节点转角达到0.229 rad时螺栓的应力云图如图15所示，相应的弯矩-转角曲线如图16所示。随着夹板布齿率的增加，螺栓应力逐渐减小，可推断出木梁螺栓孔受到螺栓的挤压应力减小。钢齿阻止夹板与木梁相对滑动的能力随着夹板布齿率的增加而增加，节点的刚度与承载力呈上升趋势，但当布齿率大于0.65%时，布齿率的增加对节点的影响不大。因此建议夹板布齿率取0.46%～0.65%。

图15 螺栓应力云图(单位:MPa)

图16 夹板布齿率的影响

规范[1]中规定了关于销轴类连接最小端距、边距、行距及中距，其中螺栓连接、钉连接、方头螺钉连接以及木铆钉连接等均属于销轴类连接，而带齿夹板节点属于一种钉与螺栓的组合节点。考虑到节点受弯时钢齿孔处受力方向与木材纹路既不平行也不垂直，因此钢齿的布置间距建议端距、边距、行距、中距的最小值分别取7d，4d，5d，4d，其中d为钢齿直径。为防止钢齿嵌入木梁引起木材开裂，钢齿的直径不宜过大，建议钢齿直径取3～6 mm。