竹胶板双剪螺钉连接的承载性能与破坏机理

2021-07-30郑维，周宇，李玥

中南林业科技大学学报 2021年7期

郑维，周宇，李玥

（南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210037）

当多层轻型木结构房屋中存在底层车库、底层大开间或外墙大开洞等情况时，采用常规的轻木剪力墙往往难以满足其抗侧力性能需求。为此，加拿大Forintek 研究所（现名为加拿大林产品创新研究院FPInovations）提出了夹板剪力墙（midply shear wall）的概念[1]。夹板剪力墙有着优异的抗侧力性能，能满足多高层木结构建筑的抗震性能需求，其做法为：将墙骨对称布置在墙面板两侧，并通过钉类连接件将墙骨—墙板—墙骨三者连接固定[2]，构成双剪钉连接的墙骨与墙板连接形式。然而，现有研究表明[3-4]，以木基结构板材、普通钉子制作的夹板剪力墙在侧向力作用下极易出现板边撕裂、钉子拔出等破坏，严重影响墙体抗侧力性能。

随着竹材加工技术的发展，学者们开始采用原材料丰富、强重比高的工程竹材作为建筑材料的替代品[5]。竹材胶合板（简称“竹胶板”）是一种强度高、平面内各向同性的结构板材[6]，同时还具有原材料丰富、可规模化生产等优点，其具体工艺为：将竹帘或竹席干燥、施胶，并纵横交错铺装组坯，再热压胶合而成的人造板材[7-8]。学者们尝试以竹胶板替代木基结构板材作为轻木剪力墙的覆面板材料。Correal 和Varela 等[9-10]采用南美guadua 竹制成的竹胶板作为剪力墙的覆面板，并对墙体进行低周反复加载试验。结果发现，竹胶板能有效避免板边撕裂破坏和钉子穿透面板破坏，但墙体中仍存在大量的钉子拔出破坏，以致其抗侧力性能与常规木基结构板材覆面的轻木剪力墙相差不大。Xiao 等[11]和Li 等[12]将国产毛竹制成的竹胶板用于轻木剪力墙中，也得到了相似的结论。这主要是因为现有研究仍以普通钉子作为面板连接件，由于其较弱的抗弯和抗拔性能，使得墙体破坏模式以钉头拔出为主，而竹胶板几乎没有损伤，难以充分发挥竹胶板的材性优势，进而导致墙体的抗侧力性能并未得到明显提升。相比之下，自攻螺钉具有优异的抗拔性能，且其表面热处理工艺对提升抗弯屈服强度也有明显助益，这些均有助于提升双剪钉连接的力学性能。

大量研究结果表明，轻木剪力墙的抗侧力性能主要取决于内部钉连接的力学性能[13-15]。为初步探究竹胶板和自攻螺钉的使用对夹板剪力墙抗侧力性能的提升效果，本研究对竹胶板双剪螺钉连接进行单调和低周往复加载试验，明确其刚度、强度、延性和滞回特性，探究加载方向和竹胶板厚度变化对其力学性能的影响，分析其累积损伤，结果可为后续竹胶板夹板剪力墙的数值模拟研究提供参考。

1 试验设计

1.1 试验材料

根据夹板剪力墙的实际构造，墙体内部的连接节点为墙骨—墙板—墙骨的双剪连接形式。为能准确反应双剪连接在夹板剪力墙中的连接特性，本试验所用材料与实际墙体一致，包括竹胶板、墙骨、自攻螺钉。所采用的墙骨为北美进口No.2级SPF 规格材，截面尺寸为38 mm×89 mm，实测平均含水率约为12%。由于竹胶板生产厚度标准不一，本试验依据木基结构板材的常规尺寸选取了9.5、12.5、15.5 mm 3 种厚度的竹胶板。竹胶板含水率约10%，气干密度为0.78 g/cm3,弹性模量约为9 200 MPa，静曲强度约为95 MPa，由诸暨市光裕竹业有限公司提供。自攻螺钉由上海美固紧固件有限公司提供，内径3.5 mm，外径5.2 mm，长度为80 mm，抗弯屈服强度不小于1 000 Mpa（厂家提供），可弯折角度不低于45°，用手持电钻攻入。

1.2 试件设计与制作

当夹板剪力墙受面内水平荷载作用时，墙体内各双剪连接节点的荷载方向与墙骨木纹方向夹角均不相同。为此，本试验设计了6 组竹胶板双剪螺钉连接试件，考虑了垂直和平行于墙骨木纹的两种加载方向变化，分别对应于横纹加载和顺纹加载（表1），其中S 指自攻螺钉，PB 指竹胶板，PE 指横纹加载方向，PA 指顺纹加载方向；另外，还考虑了9.5，12.5和15.5 mm 3种竹胶板厚度变化。每组试件均进行单调加载和低周反复加载，且各包含8 个重复试件。所有试件均采用单螺钉连接形式，即将自攻螺钉依次钻入墙骨—竹胶板—墙骨，形成带有两个剪切面的竹胶板双剪螺钉连接。为节省材料并便于试验机加载，截取的墙骨柱长度为250 mm，竹胶板平面尺寸为150 mm×250 mm，自攻螺钉距竹胶板端50 mm，具体构造如图1所示。另外，作为对比，本试验还对以15.5 mm厚定向刨花板（OSB）作为中心夹板的双剪螺钉连接试件进行单调加载试验，其构造尺寸与竹胶板双剪螺钉试件相同。

图1 各组试件构造图Fig.1 Specimen geometry

表1 各组试件的构造参数Table 1 Structural parameters of each group of specimens

1.3 试验装置与加载方式

本次试验在30 kN 量程的深圳三思力学试验机上进行，如图2所示。试验机的上夹具在竹胶板顶部中心位置处夹紧并沿竖直方向施加荷载，其内侧布有卡齿，拧紧后可避免竹胶板滑动。试件的墙骨部分通过2 块钢压条和4 根14 mm 直径的钢杆固定在预制的钢工作平台上，平台上表面预留了20 mm×180 mm 的条形孔槽，以便在低周反复加载时竹胶板能够自由上下移动；平台底部与试验机底座连接固定。在竹胶板一侧固定一块角钢，并采用两个位移计（LVDT）对称布置于角钢两端，同时测量竹胶板与墙骨之间的相对位移，最终取二者的平均值作为实际的位移数据。荷载数据通过试验机采集，采样频率为50 Hz，与位移计同步。

图2 加载示意图Fig.2 Loading diagram

单调加载制度参照ASTM D1761—12[16]标准，以5 mm/min 速率对试件进行单调加载，当承载力下降至极限荷载的50%或发生明显破坏时停止。低周往复加载试验参照ASTM E2126—11 Method B[17]标准进行两阶段位移控制加载：第1 阶段以单调加载试验的破坏位移（荷载下降到极限荷载80%时对应的位移）作为控制位移Δm，依次进行幅值为1.25%Δm、2.5%Δm、5%Δm、7.5%Δm和10%Δm的单次循环加载；第2 阶段分别以20%Δm、40%Δm、60%Δm、80%Δm、100%Δm和120%Δm为幅值各进行3 个循环加载，直至试件出现明显破坏；两个阶段加载速率均保持在2 mm/min。

2 结果与分析

2.1 单调加载

竹胶板双剪螺钉连接在单调荷载作用下的破坏模式与竹胶板厚度有关。当夹板厚度较小（即9.5 mm）时，竹胶板双剪螺钉连接试件主要表现为板边撕裂破坏（图3a），自攻螺钉无明显弯曲现象；当夹板厚度增加到15.5 mm 时，试件表现为螺钉头拔出破坏，自攻螺钉弯曲明显（图3b），并对钉头一侧的墙骨造成局部撕裂破坏；夹板厚度为12.5 mm 的试件中同时存在上述两种破坏模式。值得注意的是，9.5 mm 和12.5 mm 部分试件中出现了钉子剪断的破坏模式（图3c），这种非预期的破坏模式与自攻螺钉受到拉力、剪力和弯矩共同作用时的复杂应力状态有关。横纹加载试件组的破坏模式与对应顺纹加载试件组的破坏模式基本相似，表明加载方向的变化不改变竹胶板双剪螺钉连接的破坏模式。在OSB 板双剪螺钉连接试件中，OSB 板受自攻螺钉挤压而出现持续性承压破坏，最终发展成板边撕裂，自攻螺钉却无明显弯曲变形。

图3 单调加载试件的破坏形态Fig.3 Failures under monotonic loading

图4为各组单调加载试件的荷载-位移曲线，其中粗虚线表示荷载-位移平均曲线。从图4可以看出，竹胶板双剪螺钉连接的具有明显的非线性特征，且表现出一定的离散性。根据荷载-位移曲线，可得到各组试件的弹性刚度K、极限承载力Pmax、极限位移ΔPmax、屈服位移Δy、破坏位移Δf以及延性系数η等力学性能指标，如表2所示，其中：弹性刚度K取各组试件平均荷载-位移曲线的10%Pmax和40%Pmax两点的割线斜率；Pmax及ΔPmax取自平均荷载-位移曲线上的峰值点；屈服位移Δy根据5%直径平移法得到[18]；破坏位移Δf取荷载下降至80%Pmax时所对应的位移；延性系数η取破坏位移与屈服位移之比。

表2 单调加载试验结果Table 2 Results for monotonic tests

图4 单调加载试件的荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curves under monotonic loading

国内外学者们也围绕双剪钉连接开展了一系列试验研究，但大多采用木基结构板材和普通钉子分别作为中心夹板和连接件。在试件构造相似且试验条件相同的情况下，本文中横纹加载的竹胶板双剪螺钉连接试件S-PB-12.5-PE、S-PB-15.5-PE 的极限承载力分别比文献[4]中OSB 板双剪钉连接试件DSN12.5-PE-50、DSN15.5-PE-50 高75.5%和77.5%，顺纹加载竹胶板双剪螺钉连试件S-PB-12.5-PA、S-PB-15.5-PA 的极限承载力分别比文献[4]中试件DSN12.5-PE-50、DSN15.5-PE-50高出72.4%和81.7%。文献[19]对以加拿大软木板和圆钉制作的双剪钉连接试件进行了单调和低周往复加载试验，所得到的极限承载力不足本研究中竹胶板双剪螺钉连接的一半。另外，与OSB双剪螺钉连接试件S-OSB-15.5-PE 和S-OSB-15.5-PA 相比，竹胶板双剪螺钉连接试件S-PB-15.5-PE和S-PB-15.5-PA 的极限承载力仍分别高出58.1%和49.3%。由此可见，竹胶板双剪螺钉连接的承载能力显著高于以常规木基结构板材和圆钉制作的双剪钉连接，这主要得益于以下两方面：1）竹胶板较高的硬度和强度有效避免了销槽承压破坏；2）自攻螺钉的高抗拔性能提升了“绳索效应”[20]对承载力的贡献。

2.2 低周往复加载

在低周往复加载试验中，竹胶板双剪螺钉连接的破坏模式以自攻螺钉的断裂破坏为主，而竹胶板和SPF 墙骨中仅存在轻微的压溃现象。究其原因，一方面是因为在低周往复荷载作用下试件中的损伤更容易积累和发展，另一方面是由于加载制度中过多的循环次数使得自攻螺钉极易因弯曲疲劳而出现断裂。现有的钉连接试验研究[19,21]中也普遍存在类似的破坏现象，可见连接件的弯曲疲劳性能对连接节点在往复荷载下的力学性能有着不可忽视的影响。因此，建议将弯曲疲劳强度作为评价销轴类连接件力学性能的一项重要指标。

图5 低周往复加载试件的破坏形态Fig.5 Failures under cyclic loading

滞回曲线不仅反映了试件在往复加载过程中的刚度退化、强度退化及能量耗散特性，也为后续的损伤分析提供基础数据。各组试件的平均滞回曲线及骨架曲线如图6所示。依据与前述单调加载试验中相同的方法，从骨架曲线中分别提取出正、负方向的弹性刚度K、极限承载力Pmax、极限位移ΔPmax、屈服位移Δy、破坏位移Δf以及延性系数η等力学性能指标，以各项指标的正、负向平均值作为分析依据，如表3所示。

图6 低周反复加载试件的平均滞回曲线Fig.6 Average hysteretic curves under cyclic loading

表3 低周往复加载试验结果Table 3 Results for cyclic tests

对比表2～3 可以看出，低周往复加载试件的极限承载力比单调加载试件降低了6.3%～34.2%，此外极限位移和延性系数也分别下降49.6%～73.4%和28.3%～67.6%，这主要是因为低周反复加载试件过早地发生了自攻螺钉疲劳断裂破坏，以致竹胶板双剪螺钉连接的承载能力和变形能力未能得到充分发挥。低周往复加载试件的弹性刚度是单调加载试件的2.3～3.7 倍，作者认为这可能与自攻螺钉在往复加载过程中的残余变形有关。因为，弹性刚度反映了竹胶板双剪螺钉连接在加载初期小变形阶段的荷载-位移关系，而它对自攻螺钉、竹胶板与SPF 墙骨之间的接触属性极为敏感。

3 累积损伤分析

累积损伤指数可用于评估地震或冲击荷载对构件或建筑物所造成的累积损伤。为此，采用Kraetzig 等[22]提出的基于能量的损伤模型对低周反复荷载作用下的竹胶板双剪螺钉连接进行累积损伤分析，以便于后续进一步评估竹胶板夹板剪力墙在地震作用下的结构损伤。为表现首次超越破坏和小幅累积损伤的双重作用[23]，Kraetzig 损伤模型中引入了主半循环（Primary half cycle）和从半循环FHC（Follower half cycle）的概念。以正向加载为例，在给定位移等级下，第一循环的正向加载阶段称为主半循环（PHC），到达峰值后卸载阶段的部分称为从半循环（FHC），如图7所示；负向加载部分同理。Kraetzig 模型的正负损伤指数D+和D-分别根据公式（1）～（2）进行计算：

图7 主半循环和从半循环Fig.7 PHC and FHC

根据公式（3）计算出各组试件的平均损伤指数，并绘制累积损伤曲线，如图8所示。从图8可以看出，各组竹胶板双剪螺钉连接试件有着较为相似的损伤累积过程，具体描述为：在第4 循环之前，损伤指数极小，各组试件在此阶段几乎未发生损伤；随后，各组试件的累积损伤指数曲线几乎呈线性增长趋势，局部压溃、螺钉弯曲等损伤相继发生；各组试件在第16 个循环（80%Δm）时发生失效，此时自攻螺钉发生疲劳剪断破坏；试件失效后，累积损伤曲线理论上应无限趋近于1，但由于此时竹胶板与SPF 墙骨间仍存在造成较大摩擦力（螺钉端头刮擦所致），以致后续加载循环中的损伤指数超过1。