新型增强轻型木结构剪力墙端部面板钉节点受力性能1)

2021-04-27邸静左宏亮

东北林业大学学报 2021年4期

邸静左宏亮

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

随着国家对绿色建筑的大力发展和支持，木结构逐渐在国内受到广泛关注[1-3]。其中，轻型木结构因采用绿色节能材料，且具有抗震性能好的优点，广泛应用在住宅结构中[4-5]。覆面板与墙骨架之间的钉连接，即面板钉节点，作为轻型木结构中剪力墙的主要组成部分，是影响结构抗侧力性能的重要因素[6-7]。国内外学者对面板钉节点的性能做了大量试验研究和有限元分析，且对钉节点的研究，主要集中于对传统轻型木结构剪力墙研究，即对覆面板为定向刨花板(OSB板)、面板钉为圆钉墙体中面板钉节点方面的研究[8-10]。已有研究结果表明：影响面板钉节点受力性能的因素，包括钉节点的构造特点和材料规格，如钉边距、覆面板厚度、钉直径等。但对于受力性能较弱的OSB板钉节点，由于受到OSB板材料性能的局限，改变以上影响因素对面板钉节点受力性能的效果有限，且相应的传统轻型木结构剪力墙的破坏，主要原因仍然是端部位置面板钉节点失效。为此，本研究在轻型木结构剪力墙的上下端，局部使用材料性能较好的覆面板材料给予增强；对使用不同覆面板材料、面板钉的面板钉节点试件进行了单调加载试验，分析覆面板材料种类、面板钉种类、加载方向对面板钉节点破坏形态及受力性能的影响，旨在为解决传统轻型木结构剪力墙中OSB板面板钉节点受力性能较弱的问题提供参考。

1 材料与方法

依据美国规范ASTM-D1761[11]试验方法制作试件。由于云杉-松-冷杉木板(SPF木板)、重组竹板具有明显且规则的纹理，为了配合覆面板材料的特性，面板钉分别采用圆钉、自攻钉，并且在SPF木板、重组竹板的面板钉节点上，需预先钻直径为2.5 mm的预留孔，以方便试件制作。面板钉节点所用材料见表1。

表1 面板钉节点材料及尺寸

依据不同的加载方向、覆面板种类、面板钉种类，面板钉节点试件分为10组，每组均为6个试件。面板钉节点试件详图见图1，分组见表2。

图1 面板钉节点试件详图

表2 面板钉节点试件分组

试验设备采用电子万能力学试验机。为保证在试验过程中荷载的传递，自行设计并制作了钢制夹具，用以连接试验机与固定试验构件(见图2)。根据规范ASTM-D1761[11]，面板钉节点试验，单调加载速率为2.54 mm/min，当荷载下降至极限荷载的80%或试件严重破坏时停止试验。

2 结果与分析

2.1 不同种类面板钉节点破坏形态的差异性

由图3可见：覆面板采用OSB板的面板钉节点，试件的破坏形态主要有面板钉拔出、面板钉嵌入覆面板；覆面板采用SPF木板的面板钉节点，试件的破坏形态包括面板钉弯曲、SPF木板横纹撕裂；覆面板采用重组竹板的面板钉节点，试件的破坏形态包括面板钉弯曲并拔出、面板钉断裂、重组竹板撕裂。试验结果表明，加载方向对面板钉节点的破坏形态影响较小。覆面板的材料性能，决定了面板钉节点在破坏时面板钉的弯曲程度；具有较强力学性能的覆面板，会导致面板钉在最终破坏时的变形较大。面板钉种类，对SPF木板钉节点的破坏形态影响较小，而对重组竹板钉节点的破坏形态影响较大。

图2 试验装置

2.2 不同种类面板钉节点荷载-位移曲线

由图4可见：垂直于骨架纤维方向加载的面板，钉节点荷载-位移曲线在加载初期的斜率，大于平行加载面板钉节点荷载-位移曲线的初期斜率；重组竹板钉节点的荷载-位移曲线，高于SPF木板钉节点的荷载-位移曲线；面板钉节点中，面板钉使用圆钉的曲线呈非线性，而面板钉使用自攻钉的曲线趋于线性。此外，重组竹圆钉节点、OSB板钉节点的荷载-位移曲线延性较好；而其他组面板钉节点的荷载-位移曲线，在达到极限承载力后荷载骤降，表现为脆性。

由表3可见：在面板钉节点的极限位移方面，在垂直荷载作用下，OSB板钉节点极限位移最大、SPF木板圆钉节点极限位移最小，除此外各组极限位移水平较相近。荷载平行于骨架纤维方向的面板钉节点中，SPF木板圆钉极限位移较小，重组竹板圆钉节点的极限位移略大于OSB板圆钉节点的极限位移，重组竹板自攻钉节点与SPF木板自攻钉节点极限位移相近。试验结果表明，不同加载方向对圆钉面板钉节点的变形能力影响较大，尤其对OSB板钉节点。覆面板使用重组竹板可增强SPF木板的变形能力。使用自攻钉可增加SPF木板钉节点的变形能力，但会限制重组竹板钉节点的变形能力。

表3 面板钉节点极限承载力及位移

2.3 不同种类面板钉节点极限承载力

由图5可见：加载方向与骨架材料纤维方向垂直的面板，钉节点的极限承载力，均高于加载方向与骨架材料纤维方向平行的面板钉节点的极限承载力，其中OSB板钉节点、重组竹板自攻钉节点中垂直加载与平行加载的差距最大。这是由于在不同加载方向的面板，钉节点中面板钉变形程度相差较小，此时木材纤维与面板钉之间的握裹力对面板钉节点的极限承载力影响较大，而在SPF木板钉节点中面板钉的拔出量较小，在OSB板钉节点中面板钉的拔出量较大，所以加载方向对SPF木板钉节点的极限承载力影响较小，对OSB板钉节点极限承载力影响较大。此外，重组竹板圆钉节点，由于预留孔与钉直径相同，圆钉与其周围的木材纤维摩擦力较小，所以加载方向对极限承载力影响较小。

图3 3种面板钉节点破坏形态

图4 面板钉节点荷载-位移曲线

图5 面板钉节点极限承载力

对于采用不同种类覆面板的面板钉节点，SPF木板钉节点的极限承载力低于OSB板钉节点的极限承载力，重组竹板钉节点的极限承载力高于SPF木板钉节点的极限承载力。在面板钉为圆钉时，覆面板使用重组竹板可将SPF木板钉节点极限承载力提高98%；在面板钉为自攻钉时，覆面板使用重组竹板可将SPF木板钉节点提高135%。这是由于SPF木板的抗横纹撕裂能力较弱，而重组竹板的抗横纹撕裂能力较强，因此重组竹板钉节点中钉抗弯承载力能够发挥的更充分。

对于采用不同种类面板钉的面板钉节点，自攻钉节点的极限承载力，大于圆钉节点的极限承载力。覆面板为SPF木板时，面板钉使用自攻钉，至少比圆钉面板钉节点的极限承载力高59%；覆面板为重组竹板时，面板钉使用自攻钉，比使用圆钉面板节点的极限承载力高138%；可见在面板为重组竹板时，面板钉使用自攻钉可大幅提高面板钉节点的承载力。覆面板使用重组竹板，面板钉使用自攻钉，比传统面板钉节点在垂直荷载作用下的极限承载力高98%，在平行荷载作用下的极限承载力高133%。这是由于自攻钉的抗弯性能、抗拔性能均优于圆钉，并且覆面板采用力学性能较好的重组竹板，能够更好地利用自攻钉的力学性能。