木-混凝土组合梁螺钉连接件受力性能及计算方法研究*

2021-03-12江雨辰胡夏闽

建筑结构 2021年4期

江雨辰，胡夏闽

(1 无锡太湖学院土木工程学院，无锡 214064； 2 南京工业大学土木工程学院，南京 211816)

0 引言

木-混凝土组合梁是一种新型的组合构件，木梁通过可靠的抗剪连接件体系与混凝土板连接成一个整体，共同受力(图1)。与纯木楼盖相比，木-混凝土组合梁的承载能力和刚度显著提高，具有更好的抗火、隔音和振动性能，更容易满足楼盖的舒适度要求。抗剪连接件是传递木梁与混凝土板之间纵向剪力，保证两者共同工作的关键部件，其抗剪性能对木-混凝土组合梁的抗弯承载力和抗弯刚度有着重要的影响[1-3]。

图1 木-混凝土组合梁截面示意图

钉类连接件施工简便、成本较低，并且具有较好的延性，在木-混凝土组合结构中得到广泛的研究和应用[2-3]。1993年，Ahmadi等[4]通过试验研究了钉类连接件(普通木钉、螺钉、螺栓)嵌入木材的深度对其抗剪承载力的影响，结果表明：钉类连接件的抗剪承载力随其嵌入木材深度的增加而增大，但是当嵌入深度超过11倍的钉杆直径，连接件的承载力就不再增大。1999年，Gelfi等[5]通过对栓钉连接件抗剪性能的研究，得到了与Ahmadi等相类似的结论。2005年，Dias[6]开展了一系列的钉类连接件推出试验研究，发现连接件的形状以及材料特性对其抗剪承载力有重要的影响。2007年，Fragiacomo等[7-8]对采用普通混凝土和轻骨料混凝土的栓钉连接件的抗剪性能进行对比，结果发现混凝土类型对栓钉连接件的短期和长期性能均没有明显的影响。2010年，Jorge等[9]通过推出试验研究了一种特殊紧固螺钉(SFS)连接件的抗剪性能，重点评估了混凝土类别和螺钉直径对连接件抗剪性能的影响，结果表明：SFS连接件的抗剪承载力和刚度随螺钉直径的增大而增大；SFS在轻骨料混凝土中的抗剪承载力较在普通混凝土中明显降低，而刚度基本一致。2012年，Khorsandnia等[10]对3种木-混凝土钉类连接件(普通螺钉、SFS和六角螺钉)进行了推出试验研究，并通过非线性回归建立了3种连接件的荷载-滑移曲线表达式。2016年，江雨辰等[11]通过推出试验研究了螺钉直径、螺钉嵌入长细比、混凝土强度以及螺钉布置方式等因素对螺钉连接件抗剪承载力的影响。结果表明：螺钉连接件抗剪承载力随螺钉直径的增大而增大；螺钉连接件抗剪承载力随螺钉嵌入木材部分长细比的增大而增大，但增长幅度趋于平缓；混凝土强度和螺钉布置方式对抗剪承载力的影响很小。

我国拥有丰富的竹材资源，近年来，与木-混凝土组合梁相类似的竹-混凝土组合梁得到较多的研究，相关研究成果可为木-混凝土组合梁钉类连接件的研究和应用提供借鉴。2015年，俞宏等[12]通过推出试验研究了螺钉直径、钉入角度、顺纹方向排列间距对竹-混凝土螺钉连接件抗剪承载能力的影响，并提出其抗剪承载能力和抗剪刚度的计算公式。研究发现：螺钉的抗剪承载能力随着螺钉直径的增大有明显的增加；当螺钉处于拉剪状态时，其承载能力最大；螺钉沿受力方向的排列间距对连接件抗剪承载能力的影响不大。魏洋等[13]对胶合竹-混凝土螺栓连接件的抗剪性能进行了试验及理论研究，并在试验的基础上提出了销栓连接件的荷载-滑移曲线模型。结果表明：销栓连接件的延性较好，其荷载-滑移曲线可分为弹性、弹塑性、完全塑性3个阶段。单波等[14]采用植筋螺栓作为连接件，对6组胶合竹-混凝土推出试件进行了试验研究，结果表明：推出试件的主要破坏模式为胶合竹材在螺杆局部挤胀作用下的纵向开裂，同时螺栓在胶合竹材内部产生明显的弯折变形；螺栓连接件的抗剪性能随着螺杆直径的增大而增强，但提高效应呈递减趋势。

使用轻骨料混凝土代替普通混凝土可以进一步减轻木-混凝土组合楼盖的自重，减小上层建筑对基础的压力，并且有效地降低地震作用。然而，根据现有研究成果，使用轻骨料混凝土代替普通混凝土对螺钉连接件抗剪性能的影响还未有定论。鉴于此，笔者通过推出试验，研究了螺钉连接件在轻骨料混凝土中的破坏模式和受力机理；对比螺钉连接件在普通混凝土和轻骨料混凝土中受力性能的差异；分析在轻骨料混凝土中螺钉直径对连接件抗剪性能的影响。此外，通过分析螺钉的实际受力状态，建立了木-混凝土螺钉连接件抗剪承载力的理论计算模型。

1 推出试验研究

1.1 试件设计

推出试件参数表1

图2 推出试件尺寸/mm

推出试件中的木构件采用平均含水率w为13.30%，平均气干密度ρ为0.54g/cm3的花旗松胶合木。根据材性试验结果，花旗松胶合木的顺纹抗压强度为43.47MPa，顺纹方向弹性模量为10 680MPa，螺钉在木材中的嵌入强度为39.6MPa；六角木螺钉的屈服强度为360MPa，极限抗拉强度为450MPa；强度等级为C30和LC30(轻骨料)混凝土的立方体抗压强度平均值分别为29.2，28.7MPa。

1.2 加载方案及测点布置

螺钉连接件推出试件采用20t万能试验机进行加载。如图3所示，在推出试件两侧的混凝土板底垫橡胶垫，以确保混凝土板与台面紧密接触，防止混凝土板底部不平整而造成应力集中。在木构件顶部设置钢垫板，将压力传感器的集中荷载转换为均布荷载。在推出试件两侧对称位置各安装一个位移计，监测试验过程中胶合木与混凝土之间的相对滑移。

图3 推出试验加载装置

推出试验按照规范EN 26891∶1991[15]中的加载制度(图4)进行加载，其中Fest为推出试件的预估极限荷载,t为时间，Fest主要来自经验估计和公式计算。在达到70%的预估极限荷载之前，加载由力控制，在达到70%的预估极限荷载之后，加载由位移控制，直至试件破坏。若试验结果与预估极限荷载的偏差超过20%，则需要重新定义预估极限荷载。

图4 推出试验加载制度

1.3 试验结果及分析

1.3.1 试验现象及破坏模式

从开始加载到最终丧失承载力，4组推出试件的混凝土板基本保持完好。按照设计预期，螺钉连接件均发生双铰弯曲破坏(图5(a))。其中，采用直径为8mm的螺钉时，两根螺钉都在塑性铰处发生断裂(试件LC-S-3a除外)；采用直径为10mm的螺钉时，其中一根螺钉在塑性铰处发生断裂。通过观察发现，螺钉断裂面有明显的颈缩现象(图5(b))，这说明螺钉发生拉弯破坏。试件LS-S-3a由于加载偏心，混凝土板与木梁过早地分离，导致承载力较低。螺钉连接件推出试验的主要结果见表2。可以看出，螺钉连接件在丧失承载力时滑移值较大，具有较好的延性。

图5 螺钉连接件破坏现象

螺钉连接件推出试验结果表2

对比试件组NC-S-1和试件组LS-S-1可以发现，使用轻骨料混凝土代替普通混凝土对螺钉连接件的受力性能没有明显影响。在木-混凝土螺钉连接件中，混凝土的弹性模量远大于木材的弹性模量，螺钉在混凝土中的嵌入强度(侧限抗压强度)也远大于在木材中的嵌入强度，连接件的承载力和刚度主要由其几何尺寸以及木材和螺钉的材料性能控制。

对比试件组LC-S-1～LC-S-3可以发现，螺钉直径对螺钉受力性能有显著的影响。随着螺钉直径的增加，螺钉连接件的承载力和刚度明显增大。

1.3.2 荷载-滑移特性

荷载-滑移曲线可以直观地反映螺钉连接件的承载力、刚度和延性等性能指标，也是分析界面滑移对木-混凝土组合梁受力性能影响的重要依据。图6为4组螺钉连接件的荷载-滑移曲线，从中可以看出，螺钉连接件的荷载-滑移曲线在加载初期为线性增长关系，随着荷载增加，滑移增长速度明显大于荷载增长速度，荷载-滑移曲线呈明显非线性。此外，螺钉连接件发生破坏时，滑移值均较大，具有良好的延性。需要指出的是，试件LC-S-3a混凝土板与木梁过早分离，位移计发生脱落，未能采集到完整的滑移数据。

图6 螺钉连接件荷载-滑移曲线

2 抗剪承载力计算

2.1 欧洲规范计算方法

欧洲规范EN 1995-1-1[16]基于Johansen屈服理论[17]，给出了木-木连接和钢-木连接的螺钉连接件抗剪承载力计算方法。然而，欧洲规范EN 1995-1-1中并没有给出木-混凝土螺钉连接件抗剪承载力计算公式。若混凝土被假设为刚体，则钢-木连接的计算公式可以被用来近似计算木-混凝土螺钉连接件的抗剪承载力。在这种情况下，发生双铰弯曲破坏的螺钉连接件承载力Fu计算公式为：

(1)

式中：My为螺钉的屈服弯矩；fh为螺钉在木材中的嵌入强度；d为螺杆直径；Fax为螺钉在木材中的抗拔承载力，可按以下公式进行计算[14]：

Fax,α=nef(πdlef)0.8fax,α

(2)

(3)

式中：Fax,α为螺钉与木材顺纹方向呈α角的抗拔承载力；nef为有效螺钉个数；lef为螺钉在木材中的有效嵌入深度；fax,α为螺钉与木材顺纹方向呈α角的抗拔强度；ρ为木材的气干密度。

若假设混凝土为弹塑性材料，则可以利用木-木连接件的计算公式来确定木-混凝土螺钉连接件的抗剪承载力。此时，双铰弯曲破坏模式所对应的螺钉连接件抗剪承载力计算公式为[16]：

(4)

式中β=fh,c/fh,t，其中fh,c，fh,t分别为螺钉在混凝土和木材中的嵌入强度，根据混凝土在螺钉作用下的受力特性，fh,c可以取混凝土局部抗压强度，混凝土局部抗压强度则可根据CEB-FIP中的计算公式确定[8]。

2.2 本文计算方法

欧洲规范EN 1995-1-1中，无论是木-木连接还是钢-木连接的螺钉连接件抗剪承载力计算公式，都是基于经验来估算螺钉抗拔效应对抗剪承载力的贡献，这往往与螺钉连接件的实际受力特性存在差异。本文对螺钉连接件的实际受力状态进行分析，建立了如图7所示的螺钉连接件双铰弯曲破坏力学模型。取嵌入木材部分的螺钉进行受力分析，螺钉的屈服弯矩My可以表示为：

(5)

则：

(6)

式中：x为螺钉在木材中的塑性铰到木-混凝土交界面的距离；α为螺杆变形后与木材顺纹方向的夹角。

图7 双铰弯曲破坏模式螺钉连接件抗剪承载力计算模型

根据平衡条件，双铰弯曲破坏模式下的螺钉连接件抗剪承载力可以表示为：

Fu=Tucosα+Vusinα

(7)

Tu=faxdlef

(8)

(9)

式中：Tu，Vu分别为螺钉在与螺杆平行和垂直方向的分力；fax为螺钉在木材中的抗拔强度。

将式(6)，(8)和(9)代入式(7)则有：

(10)

根据螺钉连接件推出试验结果，达到极限承载力时，螺杆与木材顺纹方向的夹角α约为70°～75°,本文保守取α=75°，则螺钉连接件抗剪承载力可以表示为：

(11)

2.3 计算结果对比

将本文提出的计算公式以及欧洲规范EN 1995-1-1计算公式的理论值与试验值进行对比，结果如图8所示。其中，试验数据来源于本文螺钉连接件以及文献[11]中发生双铰弯曲破坏的螺钉连接件。P1，P2，P3分别为公式(1)，(4)和(11)的计算结果。由图8可以看出，欧洲规范EN 1995-1-1中的计算方法低估了螺钉连接件的承载力，而本文计算公式的计算值和试验值吻合良好，两者之比的平均值为0.98，离散系数为7.5%，本文公式可以更加准确地预测螺钉连接件发生双铰弯曲破坏时的抗剪承载力。