自攻螺钉增强胶合木横纹承压性能试验

唐立秋,徐 伟,2,杨会峰,谭桂花,陈 洋

(1.南京工业大学 土木工程学院,江苏 南京 211800; 2.南京长江都市建筑设计股份有限公司,江苏 南京 210005; 3.烟台昆仑能源有限公司,山东 烟台 265200)

在装配式建筑和建筑工业化背景下,现代木结构在我国得到日益广泛的重视并取得一定的工程应用[1]。众所周知,木材在顺纹方向具有较高的承载力,常见的木柱受压及木梁受弯情形均利用了木材的顺纹受力性能。然而在某些情况下,木结构或构件往往由于横纹方向承载力的不足而导致失效或出现过大变形,如木结构节点部位、木梁或桁架等的支座部位、应力层积木材承受预应力作用的垫板部位、预应力筋在木柱等的锚固部位均存在较大的横纹承压问题;在传统木结构的榫卯与斗拱部位,也存在此现象,有时甚至会引起结构的不均匀沉降或变形,甚至倾斜。基于此,针对如何增强横纹承压木材的力学性能,目前已开展很多相关研究,自攻螺钉增强是近年来发展起来的一种增强方式。

在木结构节点部位,由于存在由螺栓等紧固件受力而引起的木材横纹受拉劈裂破坏,一些研究者对此开展了大量研究工作,主要集中于自攻螺钉对节点承载力、延性以及耗能性能等的增强效果,取得了较大进展[2-8]。在自攻螺钉增强方面,另一个研究领域是对木梁支座等部位的增强,Lathuilliere等[9]、Maderebner等[10]以及Daniel等[11]关于木梁支座部位增强的研究表明,螺钉的引入可以提高木梁支座横纹承载力和刚度。在理论分析方面,Blass等[12]针对不同规范中局部受压设计标准不一致的现象,提出了一个改进的横纹局部受压公式。Tomasi等[13]提出了自攻螺钉在构件多向受力时提高其承载力和刚度的计算方法。Marchi等[14]提出了一种用于计算以自攻螺钉为剪力连接件的木-混凝土组合节点的抗剪强度和刚度的简化理论方法,且该方法与试验结果吻合较好。

综上所述,自攻螺钉增强可以提升木构件及节点区域的承载力和延性,但在其材料层面的受力机制的相关研究不多。鉴于此,笔者通过试验研究,以承压部位、螺钉长度及数量等为变化参数,研究这些参数对横纹承压木材增强效果的影响,并分析破坏模式、极限承载力、等效弹性模量以及位移延性等性能。

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试验所采用的胶合木试件由北美花旗松板材制成,试件尺寸分别为120 mm × 200 mm × 360 mm和120 mm × 190 mm × 360 mm，自攻螺钉布置如图1所示。自攻螺钉的强度等级为8.8级，共有4种型号(长度×直径)：40 mm×4.5 mm、90 mm×6.5 mm、130 mm×6.5 mm和190 mm×6.5 mm。增强试件加工时,胶合木试件在打入自攻螺钉前需预钻孔,预钻孔钻头直径应小于自攻螺钉直径,自攻螺钉打入时应保证钉头与试件表面齐平。

图1 自攻螺钉布置示意图Fig.1 Layout diagrams of self-tapping screws

试件根据自攻螺钉的位置分为中间局部表面横纹承压(PERPC)和尽端局部表面横纹承压(PERPS)两组情形,其中PERP表示横纹承压,C表示中部,S表示尽端。本文中根据自攻螺钉的数量和长度分为22组,每组5个共计110个试件,试件分组见表1,对每组试件进行编号，试件编号规则为“PERPC螺钉长度-螺钉数量”和“PERPS螺钉长度-螺钉数量”。

经材料性能试验,足尺胶合木试件的物理力学参数如表2所示。8.8级自攻螺钉的屈服强度为667 MPa,抗拉强度为706 MPa。

表1 试件主要参数

表2 胶合木物理力学性能参数

1.2 试验装置与加载制度

参考《木结构试验方法标准》(GB/T 50329—2012)[15]采用600 kN电液伺服万能试验机加载。试验采用位移控制模式,单调均匀加载的加载速率设定为2.0 mm/min。本试验主要测量试件的荷载(P)-位移(Δ)关系,采用荷载传感器使荷载和位移同步采集数据,使用静态应变测试系统DH3816N采集试验的荷载与位移数据。

2 破坏模式

破坏模式如图2所示。由图2可知:所有试件均出现了明显的木材压屈现象,而到了试验后期随着压屈变形的增大,中间局部表面横纹承压试件的两端还出现了横纹劈裂破坏。对于沿试件高度通长设置自攻螺钉的PERPC190-5组试件,自攻螺钉与横纹试件共同受压,最终破坏时自攻螺钉也发生了受压屈曲;而对于其他短螺钉增强试件,自攻螺钉并未明显的弯曲。综上,破坏模式主要分为如下两种:破坏模式(a),胶合木横纹承压破坏而自攻螺钉无明显破坏现象,此种破坏模式出现于自攻螺钉较短增强试件的情形;破坏模式(b),胶合木横纹承压破坏且自攻螺钉受压屈曲,此种破坏模式出现于通长布置的自攻螺钉增强试件情形。

图2 试件的典型破坏模式Fig.2 Typical failure modes of specimens

3 试验结果及分析

3.1 荷载-位移曲线

试件荷载-位移曲线如图3和4所示。由图3与4可知:对于中间局部表面横纹承压和尽端局部表面横纹承压两种情形,其荷载-位移曲线总体上分为弹性变形和塑性变形两个阶段。自攻螺钉越短,其增强效果就越差;当螺钉长度相同时,螺钉数量的增加将使得试件承载力显著提高。此外,中间局部表面横纹承压(图3)相对于尽端局部表面横纹承压(图4)情形,前者由于受到两侧木材纤维更大的约束而具有更高的承载力。

图3 PERPC组试件荷载-位移曲线Fig.3 Load-displacement curves of PERPC group specimens

图4 PERPS组试件荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curves of PERPS group specimens

3.2 极限承载力

根据欧洲规范EN 408:2012[16]可以确定各组试件的横纹承压极限承载力及强度。横纹极限承压强度(fc)定义如式(1)所示。

(1)

式中:Fc为极限承载力,b为受压面宽度,l为受压面长度。

各组试件的极限承载力平均值以及极限承压强度如表3所示,试件极限承载力对比如图5所示。

表3 试验结果

图5 极限承载力对比曲线Fig.5 Comparison curves of ultimate load-carrying capacity

对于中间局部表面横纹承压试件,PERPC40-0和PERPC90-0为未增强试件,在承载力对比中取其平均值为参考值。由表3可知:在PERPC40组试件中,随自攻螺钉数量的增加,承载力变化不明显,采用16支自攻螺钉增强的试件的极限承载力提高11.6%;对于PERPC90组试件,自攻螺钉数量为5、9、16时的极限承载力分别提高23.3%、40.7%和47.1%;而PERPC130组试件中,自攻螺钉数量为5、9、16时的极限承载力分别提高32.0%、40.0%和62.5%。

对于尽端局部表面横纹承压试件,PERPS40-0为未增强试件,作为对比试件。由表3可知:在PERPS40组试件中,当自攻螺钉数量为5和16时,极限承载力分别提高5.6%和7.2%;在PERPS90组试件中,当自攻螺钉数量为5、9、16时,极限承载力分别提高11.3%、4.0%和26.1%;而PERPS130组试件中,自攻螺钉数量为5、9、16时，极限承载力分别提高19.5%、22.2%和33.9%。

由图5可得:总的来说,与PERPS组试件相比,PERPC组试件的极限承载力更大。

针对中间局部表面横纹承压试件,图6给出了相同螺钉数量(5支)、不同螺钉长度试件的荷载-位移对比曲线。由图6并结合表3可知:相同螺钉数量情况下,随着自攻螺钉长度的增加,试件极限承载力的提高幅度更加明显;而当自攻螺钉长度不变而数量增多时,螺钉对于极限承载力的贡献增大(图5)。此外,由于中间局部表面横纹承压试件中,螺钉的增强作用可以向两个方向辐射,其承压面也会相应增大,因此在同等条件下此类试件的极限承载力的提高幅度可达尽端局部表面横纹承压试件的2倍左右。

图6 不同自攻螺钉增强试件的荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves of specimens with different self-tapping screw numbers

对于中间局部表面横纹承压试件PERPC190-5,其采用的自攻螺钉与胶合木试件高度等大,在承压过程中自攻螺钉将直接受力,因此其承载力增强幅度显著提高。

3.3 等效弹性模量

为反映自攻螺钉增强对胶合木横纹承压弹性模量的影响,依据欧洲规范EN 408:2012[16]采用割线弹性模量来表示构件的等效弹性模量(Ec),其定义见式(2)。

(2)

式中:F40=0.4Fc,F10=0.1Fc,W40为F40对应的变形量,W10为F10对应的变形量,h为试件高度。

等效弹性模量的试验结果平均值列于表3。由表3可知:随着自攻螺钉数量的增多以及长度的增大,胶合木试件的等效弹性模量有较大的提升,且中间局部表面横纹承压试件等效弹性模量的提升要远大于尽端局部表面横纹承压试件,前者提升达46.8%,而后者为34.7%。

3.4 延性

根据欧洲规范EN 12512:2005[17],位移延性系数(μ)的定义如式(3)所示。

(3)

式中:Δu为试件的极限荷载(Pu)所对应的位移,Δy为屈服荷载(Py)所对应的位移。

各试件的位移延性系数列于表3。由表3可知:两类试件的延性均较好,位移延性系数最小为1.66,最大可达2.95。但随着螺钉数量的增多,试件的变形减小、延性会略有下降。

4 结论

通过对自攻螺钉增强胶合木局部受压承载力试验,分析了自攻螺钉数量、长度和布置等参数对胶合木局部表面横纹承压承载力的影响,主要得到两方面结论。

1)胶合木表面横纹承压主要有两种破坏模式:破坏模式(a),当自攻螺钉较短时,胶合木横纹承压破坏而自攻螺钉无明显变化。破坏模式(b),自攻螺钉通长设置且具有较大的长细比时,在自攻螺钉发生屈曲破坏的同时,胶合木发生横纹承压破坏。此外,由于胶合木试件在顺纹方向的长度较短,因此,当横纹承压变形较大时,胶合木端部也会出现横纹劈裂破坏形式。

2)胶合木局部表面横纹承压承载力随着自攻螺钉数量及长度的增加而提高,对于中间和尽端局部表面横纹承压两种情形,极限承载力最大分别可提高62.5%和33.9%,试件的等效弹性模量最大可分别提高46.8%和34.7%;试件的位移延性系数可达1.66～2.95。