钢夹板-螺栓连接胶合木梁抗弯性能试验

陈爱军,牛 东,王智丰,王解军

(中南林业科技大学 土木工程学院,湖南 长沙 410004)

胶合木作为一种绿色环保的建筑用材，它具有受力合理、和谐美观、强度高、缺陷分散等优点[1-2]，而被广泛应用于住宅、桥梁等多个领域[3-4]。如杭州香积寺的大雄宝殿和南京紫东国际创意产业园区绿幕大门的主要承重结构都是胶合木结构的典型建筑，张家界至花垣高速张家界服务区木结构人行天桥，上部承重结构均采用胶合木。但是由于木材受天然尺寸的限制，既不像混凝土可浇筑连接，也不像钢材可焊接连接，所以设计出性能优异、结构合理的连接件，实现胶合木梁的接长，从而提高胶合木的利用率、推动胶合木在现代木结构建筑及桥梁中的应用变得至关重要[5-6]。国内外学者从不同角度对金属连接胶合木梁的受力性能进行了研究，如：HAYASHI[7]、陈恩灵[8]、何敏娟[9]、HE[10]、徐天琦[11]等。但是对钢夹板-螺栓连接胶合木梁的研究还较少[12-13]。本文采用三分点试验方法，通过改变螺栓顺纹间距、螺栓并、错列布置方式及拼接的两段梁是否来源于同一根胶合木等参数对钢夹板-螺栓连接胶合木梁抗弯性能的影响进行探讨，为钢夹板-螺栓连接胶合木梁的设计和应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验梁设计与制作

参考国内外的相关试验方法及标准，试件的跨高比不小于18时，可忽略剪切对构件变形的影响，因而本试验采用跨高比为18的梁，试验梁尺寸为2 500 mm×60 mm×127 mm。为了研究螺栓顺纹间距、螺栓并列、错列布置方式及拼接的2根梁是否来源于同一根胶合木对梁的承载力、变形能力及破坏形态产生的影响。因此，共设计制作了13组(1组纯胶合木梁，12组钢夹板-螺栓连接胶合木梁)，每组3根，共39根梁。

根据文献[14]中对构件尺寸的要求。各试验梁的螺栓顺纹端距取50 mm、横纹端距取20 mm，具体尺寸如表1所示。其中B表示纯胶合木梁，B60、B80、B100分别表示螺栓并列布置且螺栓间的顺纹间距为60、80、100 mm。C60、C80、C100分别表示螺栓错列布置且螺栓间的顺纹间距为60、80、100 mm。螺栓并、错列布置示意图如图1所示。所有钢夹板-螺栓连接胶合木梁螺栓总数均为3×6=18个。

表1 试验梁设计参数表Table 1 Table of design parameters for test beams编号钢板尺寸/mm螺栓顺纹间距/mm螺栓排列方式B———B606×127×44060并列B806×127×52080并列B1006×127×600100并列B60(Y)6×127×44060并列B80(Y)6×127×52080并列B100(Y)6×127×600100并列C606×127×50060错列C806×127×60080错列C1006×127×700100错列C60(Y)6×127×50060错列C80(Y)6×127×60080错列C100(Y)6×127×700100错列注:试件编号带有(Y)表示此梁为拼接的两段梁来源于同一根胶合木。其他均是随机取的两段梁。

(a) 螺栓并列布置

(b) 螺栓错列布置

1.2 试验梁材料

对6个尺寸为20 mm×20 mm×20 mm的落叶松试件进行含水率和密度测定试验，得到本次试验梁胶合木的平均气干密度为0.74 g/cm3、平均含水率为11.26%。同时对胶合木试件分别进行了顺纹抗压、抗拉和抗弯试验，对钢板进行抗拉试验，将试验数据加以整理，得到胶合木的抗拉强度为84.09 MPa，抗压强度为36.49 MPa，抗弯弹性模量9 984 MPa，钢板的抗拉强度310 MPa。

本次试验采用8.8级公称直径为6 mm的带垫片普通钢螺栓，材料性能数据由生产厂商提供，其极限抗拉强度为600 MPa，屈服强度为580 MPa。

1.3 试验加载与测点布置

本次试验加载装置见图2，采用三分点加载方式进行加载。同时，在加载头与试验梁接触处使用钢板(60 mm×60 mm×6 mm)以避免加载头使胶合木梁产生局部挤压破坏。试验过程采用单调分级加载，即：0～12 kN，每级荷载步为2 kN，加到12 kN以后：每级荷载步为1 kN，直至试验梁破坏。

图2 试验加载装置

本次试验的挠度测点布置如图2所示。在试验梁的跨中、支座和四分点处均安装位移计。应变测点如图3所示，在左侧纯弯段的木梁上距钢夹板端部20mm处沿梁高方向等间距布置5个应变片、在右侧纯弯段的木梁上距钢夹板端部20 mm处的梁顶和梁底各布置1个应变片；在跨中截面的钢板上沿梁高方向等距布置3个应变片。

(a) 胶合木梁应变测点布置

(b) 钢夹板应变测点布置

2 试验现象

2.1 破坏形态

对于纯胶合木梁，当荷载加载到12.0 kN时，开始听到细微的木梁开裂声响，此时跨中挠度达到18 mm，之后继续施加荷载，当荷载加载到18.3 kN时，开始发出较大开裂声，跨中挠度达到30.67 mm，当荷载加载到22.8 kN时，木梁跨中沿梁下缘有沿顺纹方向贯穿裂缝出现并且底部突然断裂，破坏形式表现为脆性受拉破坏,见图4。

图4 纯胶合木梁试验现象

螺栓并列布置试验梁组钢夹板-螺栓连接胶合木梁的螺栓并列布置，其破坏形态如图5所示。

对于试验梁B60，当荷载加载至4.0 kN时，开始听到第一声响声，当荷载加至6.2 kN时，开始听到轻微开裂声，荷载加载至12.9 kN时发出连续劈裂声。当荷载加载至20.1 kN时，梁被破坏，裂缝沿梁底部一排螺孔连线贯穿开裂，被连接的两个胶合木梁之间发生明显的相对转动。

对于试验梁B80和B100，前期变化过程与B60大体相似，B80最终破坏荷载为21.8 kN，破坏形态也为梁底部一排螺栓孔连线贯穿开裂破坏。B100最终破坏荷载为23.8 kN，破坏形态为梁底部一排螺栓孔连线位置产生贯穿开裂的裂缝同时梁底部也产生了垂直于顺纹方向的贯穿裂缝。

(a)B60 (b)B80 (c)B100

(d)B60(Y) (e)B80(Y) (f)B100(Y)

试验梁B60(Y)、B80(Y)和B100(Y)的破坏形态与B60、B80和B100基本类似，其极限荷载分别为19.3、21.4、24.0 kN。

螺栓错列布置试验梁组钢夹板-螺栓连接胶合木梁的螺栓错列布置，其破坏形态如图6所示。

(a)C60 (b)C80 (c)C100

(d)C60(Y) (e)C80(Y) (f)C100(Y)

对于试验梁C60，当荷载加载至5.4 kN时，开始听到第一声响声，当荷载加至5.8 kN时，开始听到细微开裂声，当荷载加载至9.5 kN时发出连续劈裂声。当荷载加至20 kN时，梁发生脆性破坏，裂缝沿梁底部螺孔连线贯穿开裂，被连接的两个胶合木梁之间发生明显的相对转动。 C80、C100前期变化过程及最终破坏形态与C60也基本一致，均为螺栓孔连线位置产生贯穿裂缝。C80最终破坏荷载为22.8 kN，C100最终破坏荷载为23.1 kN。其中C80试件由于螺孔旁边存在木节，沿顺纹开裂的裂缝绕过木节开裂。

试验梁C60(Y)、C80(Y)和C100(Y)的破坏形态与C60、C80和C100也基本类似，其极限荷载分别为18.6、21.4、23.6 kN。

2.2 螺栓破坏模式

为便于表述，对螺栓及螺栓孔进行编号(如图7所示)。从如图8(a)～(f)所示的试验梁破坏后对应梁上螺栓破坏状况可以看出：试验梁在靠近梁的下缘一排螺栓均有不同程度的弯曲破坏，而梁的上缘与中间这两排螺栓较少发生弯曲情况。从每组试验梁中挑选出弯曲破坏程度最大的螺栓(如表2所示)进行比较，发现随着螺栓顺纹间距的减小，其弯曲破坏程度最大的螺栓的弯曲程度也在增大。

同样，不同位置的螺栓孔变形程度也不同，即当螺栓发生较大弯曲变形时，所对应的螺栓孔也发生较大的变形。并且，从图8(g)～(h)所示螺栓孔的破坏情况来看，其变形轨迹为曲线，受挤压方向是不断改变的。所以，螺栓孔并不是受到单一方向的挤压而发生变形，在整个加载过程中，螺栓孔受到的挤压方向随荷载增加而不断发生变化。这充分说明，在加载过程中，胶合木梁段并不是绕某一固定的中心转动，这个转动中心是随着试验荷载的增加而改变，从而表现出螺栓受力方向的变化。

图7 螺栓及螺孔位置编号Figure 7 Location and number of bolts and holes

(a)B60 (b)B80 (c)B100

(d)C60 (e)C80 (f)C100

(g)B80 (h)C80

表2 弯曲破坏程度最大螺栓位置Table 2 Maximum bending of bolt position试件编号J60J80J100C60C80C100弯曲破坏程度最大螺栓编号Z9Y9Y9Z9Z9Z9

3 结果分析

3.1 承载力分析

表3为试验梁的极限荷载、破坏时对应的挠度测试结果。由表3可知，钢夹板-螺栓连接胶合木梁螺栓采用并列、错列布置与拼接两段梁是否来源于同一根胶合木对梁极限承载力及极限变形影响不大。

随着螺栓顺纹间距的增加，梁的极限承载力有所提高，说明螺栓顺纹间距增大可以有效抑制木纤维受拉裂缝的开展。随着螺栓顺纹间距的增大，梁的破坏形式由钢夹板连接处破坏转换为梁底部受拉破坏。与纯胶合木梁相比，螺栓顺纹间距为100 mm的试验梁极限承载力提高了4%，而螺栓顺纹间距60、80 mm的梁极限承载力比纯木梁小，是因为螺栓顺纹间距小会使木梁局部纤维的损伤范围发生重叠，从而使胶合木的破坏严重。

表3 各试验组梁极限荷载及挠度Table 3 Ultimate load and deflection of beams in each test group组别破坏荷载/kN跨中左侧挠度/mm跨中右侧挠度/mmB22.838.7138.71J6019.155.3453.36J8021.556.6757.71J10023.758.6857.28C6019.156.6756.7C8021.956.2255.99C10023.552.0352.17J60(Y)19.453.4154.22J80(Y)21.358.3457.73J100(Y)24.058.0358.61C60(Y)18.654.1654.89C80(Y)21.454.9954.28C100(Y)23.656.3757.09

3.2 荷载-挠度关系曲线

由于各试验组3根梁荷载-挠度曲线比较接近，为方便表述和对比分析，从每组3根试验梁中任取一根的试验数据绘制其荷载-挠度曲线(如图9所示)。

由图9(a)可知，在受力初期随着螺栓顺纹间距的增加，曲线的斜率值逐渐增加，即刚夹板-螺栓连接胶合木梁的刚度随螺栓顺纹间距的增加而增大。相比于纯胶合梁，钢夹板-螺栓连接胶合木梁的斜率在前期有所提升，说明钢夹板-螺栓连接件对梁的刚度有提高作用，但随着荷载的增大，钢夹板-螺栓连接胶合木梁的曲线斜率开始小于纯胶合木梁，即刚度开始小于纯胶合木梁的刚度，这是因为随着荷载的增大，螺栓开始逐渐挤压孔壁，孔壁发生变形所致。

图9(b)、(c)、(d)的荷载-位移曲线趋势与图9(a)相似，钢夹板-螺栓连接胶合木梁在受荷前期使梁的刚度提高，并且随着螺栓顺纹间距的增加，梁的刚度也会增大。但是到一定程度，由于胶合木需要打孔，破坏了梁下缘的整体性，使得钢夹板-螺栓连接胶合木梁的刚度小于纯胶合梁。

(a) 并列组

(b) 错列组

(c) 并列(Y)组

(d) 错列(Y)组

3.3 荷载-应变关系曲线

同样，从各试验组3根梁随机挑选一根梁的数据绘制其纯弯段荷载-应变关系曲线(如图10所示为胶合木沿梁高等距布置的5个应变片的测试数据)。图中坐标轴左半部分是受压区，应变为负，右半部分是受拉区，应变为正。

(a)纯胶合木梁 (b)B60 (c)B80 (d)B100

(e)C60 (f)C80 (g)C100

由图10可知，从加载开始至梁破坏。沿梁截面高度等距布置的5个应变片的应变值随着荷载的增大而呈线性增长。纯胶合木梁应变分布基本对称，破坏时，梁顶的压应变值为3.54×10-3με；在使用钢夹板后，胶合木的受拉区应变几乎没变，受压区减小。

钢夹板-螺栓连接胶合木梁的荷载-应变曲线与螺栓采用并列、错列布置关系不大。与纯胶合木梁作比较，增加钢夹板后，胶合木的受拉区几乎没变，受压区减小。

4 结论

通过对钢夹板-螺栓连接胶合木梁抗弯性能静载试验结果与分析，得出以下结论：

a.与纯胶合木梁相比，钢夹板-螺栓连接胶合木梁并列螺栓顺纹间距为100 mm时，极限承载能力较纯胶合木梁提高4%，并列螺栓顺纹间距为60、80 mm时，极限承载能力比纯胶合木梁小。并列螺栓顺纹间距60、80、100 mm的钢夹板-螺栓连接胶合木梁的极限变形相对于普通胶合木分别提高了40.4%、47.7%、49.8%。随着螺栓顺纹间距的增大，钢夹板-螺栓连接胶合木梁的极限承载能力也会有所提高。

b.钢夹板-螺栓连接胶合木梁受荷后，前期刚度大于纯胶合木梁，随着荷载的增大，后期刚度小于纯胶合木梁，前期刚度随着顺纹螺栓间距的增大而增大。螺栓并列错列布置与拼接的两根梁是否来源于同一根胶合木，对钢夹板-螺栓连接胶合木梁的受弯性能影响较小。

c.纯胶合木梁破坏模式为梁底受拉破坏，钢夹板-螺栓连接胶合木梁的破坏模式主要有梁底胶合木受拉破坏、层板间撕裂破坏和钢夹板连接件内胶合木拉裂破坏3种情况。弯曲程度最大的螺栓位置都位于梁底靠近跨中位置，且其弯曲程度随螺栓顺纹间距的增大而减小。

d.本文仅对钢夹板-螺栓连接胶合木简支梁在静力荷载作用下的抗弯性能进行了研究，但实际工程中受到受力环境的影响会出现剪力作用的情况，所以有待进一步开展钢夹板-螺栓连接胶合木梁的长期受力性能的研究。