正交胶合木墙与楼面钢梁预应力螺栓连接的抗滑移性能*

2022-03-12何敏娟张棋飞

特种结构 2022年1期

何敏娟张棋飞

同济大学建筑工程系上海 200092

引言

正交胶合木（cross-laminated timber，CLT）是一种至少由三层层板按正交方向胶合组坯而成的工程木，具有刚度大、强度高以及平面正交方向力学性能相近等优点，适用于楼板、剪力墙等构件。CLT这种高性能工程木的发展，改变了传统木结构只适用于低层住宅的状况，使建设多高层木结构成为可能［1］。

CLT问世以来，国内外学者对CLT剪力墙进行了系列研究。在意大利国家研究委员会林木研究所（CNR-IVALSA）和日本防灾科学技术研究所（NIED）合作主持的SOFIE项目中，系统地研究了CLT剪力墙［2］及其结构体系［3］的抗侧性能。结果表明：CLT结构的破坏多集中于墙板与墙板、墙板与楼板或基础间的连接区域；抗剪件的布置及力学性能直接影响CLT剪力墙结构的抗侧能力。为进一步推动木结构在多高层建筑领域的应用，业内还开始探索了高性能、高效率的木混合结构的性能，如CLT-钢或混凝土混合结构充分利用了CLT轻质高强、装配化程度高等优点而使混合结构的承载能力更高。但是，木混合结构的抗侧能力同样十分依赖于木与钢或混凝土连接节点的力学性能，因此连接件的力学性能受到了很多研究人员的重视。Hassanieh等［4］对CLT楼板-钢梁连接节点开展了研究，对两者间采用不同紧固件下的抗剪性能进行了试验，提出了CLT楼板-钢梁连接节点的抗剪承载力简化公式。Ataei等［5］对CLT-钢组合梁层间连接的剪切滞回性能进行了试验研究，对比了自攻螺钉和螺栓连接对节点抗剪承载力的影响，并建立了该类节点的抗剪计算的数值模型。Yang等［6］基于单向推出试验分析了栓杆直径、螺栓间距及木材厚度对中国国产落叶松-钢连接节点力学性能的影响规律，并采用指数模型对该类节点的荷载位移曲线进行了拟合。

为进一步提高CLT-钢混合结构中CLT墙与楼面钢梁的连接性能，充分发挥CLT强度高的优势，本文采用螺栓连接CLT剪力墙与其下钢梁，在螺栓杆中施加预应力来压紧剪力墙端部与钢梁顶部的接触面，从而依靠摩擦来传递剪力，并通过试验来确定该连接节点的抗滑移性能。

1 CLT墙与下部钢梁的抗剪连接方法

1.1 CLT墙与钢梁的螺栓连接方法

CLT剪力墙与下部钢梁传统连接方式如图1所示。剪力墙受侧向力作用，墙底两侧用抗拔连接件与下部钢梁连接，传递拉力；墙体中间用钢抗剪件与下部钢梁连接，传递剪力，因连接方式简单，得到较多应用。但该类连接的承载力相对较低，往往成为墙体承载力的控制因素。为提高节点抗剪承载力，往往会安装很多个抗剪件，有时将整个板都布满。为提高CLT墙与底部钢梁连接的承载能力，本文提出了用预应力螺栓的连接方式，如图2所示。CLT墙与底部钢梁在两侧采用长预应力筋连接，传递拉力；在中间采用预应力螺栓连接，传递剪力。

图1 传统CLT墙与钢梁连接Fig.1 Traditional connections between CLT wall and steel beam

图2 CLT墙与钢梁预应力螺栓连接Fig.2 Pretensioned bolt connections between CLT wall and steel beam

1.2 预应力螺栓抗剪连接细部

本文主要研究CLT墙与楼面钢梁采用预应力螺栓连接的具体构造。如图3所示，在CLT墙板底部开螺栓孔，螺栓从中穿过与下部钢梁翼缘连接，在钢梁翼缘下方和CLT墙上的操作孔操作，对螺栓施加预应力。CLT墙体承受侧向力时，通过CLT墙底与钢梁翼缘表面摩擦抵抗剪力。

图3 预应力螺栓连接Fig.3 Pretensioned bolt connections

2 试验设计

2.1 试验简介

本文试验目的就是通过加载，了解预应力螺栓连接下CLT剪力墙与钢板间的抗摩擦性能。为便于加载，试件设计成钢板与两侧CLT墙板用预应力螺栓连成一体，如图4所示，这样对称加载与变形，不会引起试件侧倾。加载时，固定CLT板，对钢板施力，通过测量预应力值、接触面上最大抗滑移承载力，来确定CLT与钢板间的抗滑移能力。

图4 试件设计Fig.4 Specimen design

2.2 试验材料

试验中选取的CLT材料为云杉-松-冷杉（SPF），层板所用材料为IIIc等级规格材，单层层板厚度35mm，密度为457kg／mm3。试验在万能试验机上进行，钢板在竖向进行加载，故试验如图5所示，与图4相比转了90°。CLT和钢垫板尺寸分别根据端面承压及螺栓孔壁承压能力确定，钢垫板尺寸为h×b×t=90mm×70mm×20mm（厚度），保证试件达最大滑移承载力时CLT端面不压坏、螺栓孔壁不发生承压破坏。钢板材质为Q235B钢，表面未经特殊处理，CLT、钢板采用两根8.8级M16螺栓连接，栓杆上串联力传感器，以测定螺栓杆内预应力值。

图5 试件尺寸（单位：mm）Fig.5 Specimen size（unit：mm）

2.3 试验布置

试件采用电液伺服加载系统，竖向作动器最大行程为250mm，能提供的最大压力为500kN。液压千斤顶加载端刚性无转动，荷载由加载头直接传递至钢板，力传感器实时监测螺栓杆内预应力值，加载如图6所示。

图6 试验加载示意Fig.6 Test configuration

试件预应力分为10kN、20kN、40kN、60kN、80kN及120kN六种状况，每种预应力状况包含三个试件。试件命名规则为：PB xx-n，其中xx为两根螺栓杆中总的预应力值（单位kN），n为相同预应力下的试件编号，n=1、2、3。

2.4 加载制度

试验加载制度采用欧洲规范（BSEN 26891—1991）［7］所推荐的适用于确定木结构连接件强度及变形的方法，如图7所示。试件加载分两阶段。第一阶段为力Fu控制，加载段与卸载段速率均为0.2Fu／min，首先从0加载至0.4Fu，保持30s，再下降至0.1Fu，维持30s，接着荷载线性增加至0.7Fu。第二阶段的力从0.7Fu开始，采用位移du控制，加载速率vd为2mm／min，直至试件发生滑移破坏。

图7 加载制度Fig.7 Load protocol

Fu为试件预估极限承载力，按式（1）估计：

式中：μ为CLT墙-钢板接触面静摩擦系数；P为所施加的总预应力值。

孙晓峰等［8］给出了两层预应力剪力墙在往复加载下的静摩擦系数0.43，考虑到剪力墙处于摇摆状态，峰值摩擦力被低估，故本试验采取的静摩擦系数预估值为0.5。

3 试验现象

3.1 失效模式

试件可能破坏模式有CLT端面的承压破坏、CLT螺栓孔壁的承压破坏以及钢板相对于CLT的滑移，试件尺寸设计时避免了前两种破坏模式，因此试验中仅观察到CLT与钢板间滑移的失效模式，如图8所示。

图8 钢板滑移Fig.8 Slip of steel plate

加载完成后，卸去预应力螺栓，CLT与钢板的滑移面如图9所示。CLT端部螺栓孔壁未发现木材压溃，钢板长圆孔边缘无挤压变形，接触面上除斜向的擦痕外，未观测到木材压溃或裂缝。结果表明，螺栓杆在加载过程中仅起提供预应力的作用，不参与抗剪。

图9 CLT与钢板滑移面Fig.9 Slip surface between CLT and steel plate

3.2 预应力损失

试验时栓杆中预应力会发生损失，预应力损失可以分为两个阶段。第一阶段为预应力施加后至加载开始前，该阶段的预应力损失主要是由于螺母的松动。为避免第一阶段预应力损失过多，将螺栓杆超张拉至目标值的1.05倍，栓杆预应力数值稳定之后再开始进行加载。第二阶段为加载开始之后，以试件PB60-1为例进行分析。PB60-1试验加载时的力-滑移相关曲线如图10所示，螺栓中预应力实测值用虚线示于图中。

从图10可以看出，加载后预应力损失主要集中在两处，第一处为卸载段，荷载重加载至0.4Fu后，栓杆张拉力出现了下滑。第二处为滑移点，螺栓杆预应力跳跃式下降，预应力损失值约占总预应力值的5%。

图10 PB60-1力-滑移曲线Fig.10 PB60-1 force-slip curve

4 承载力

4.1 最大静摩擦力

各组试件在不同预应力状况下的力-滑移曲线如图11所示。曲线上滑移增加而力变小的那个点定义为摩擦面开始滑移，称为“滑移点”。

图11中PB10组无明显滑移点，该组的滑移点采用欧洲规范（BS EN 12512：2001）［9］中确定屈服荷载的方法定义，通过0.1Fu至0.4Fu两点连线，定义倾角为α，以斜率为1／6tanα作与单调加载曲线相切的直线，两条线的交点定义为滑移点。除PB10组以外，其余各试件测得的静摩擦力达到最大值之后均下降，因此选取力-滑移曲线第一个力极值点作为试件滑移点，对应的荷载为最大静摩擦力。

图11 力-滑移曲线Fig.11 Force-slip curve

同一预应力水平下的力-滑移曲线离散程度较小。荷载低于0.7Fu时，各试件的力-滑移曲线基本重合，高于0.7Fu时，同组试件的力-滑移曲线出现不同程度的波动。0.1Fu至0.4Fu之间存在初次加载、卸载、重加载三段曲线，三段曲线基本重合，结果表明，在0.1Fu～0.4Fu作用下该连接节点可以视为低损伤甚至无损。