带裂缝胶合木梁柱螺栓-钢填板加固节点的抗弯性能研究*

叶灵鹏, 郑晓清, 林 巍, 朱浩川

(1 浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310028；2 浙江大学平衡建筑研究中心，杭州 310028)

0 引言

木材是一种绿色环保的可再生材料,胶合木产品已经被广泛应用于各类大型建筑项目,作为梁、柱、墙等建筑构件［1］。螺栓-钢填板连接是胶合木结构中常用的连接方式,该连接方式简单,施工方便。但是,由于螺栓孔周围应力状态复杂,这种节点很容易在螺栓孔附近出现裂缝［2-3］。一些实际工程中,胶合木梁由于受潮湿胀、胶层老化等原因也会出现裂缝。若不采取有效合理的加固措施对既有带裂缝的胶合木梁柱螺栓-钢填板节点进行处理,可能造成节点失效导致结构倒塌。因此,对既有带裂缝的胶合木梁柱螺栓-钢填板节点的加固措施进行研究是具有实际工程意义与价值的。

国内外对胶合木梁柱螺栓-钢填板节点开展了许多研究。徐德良等［4］、奚爱峰等［5］、张鹤岚和张雷明［6］对轴向力作用下的木结构螺栓-钢填板连接节点的承载性能进行研究,研究结果表明,木结构螺栓-钢填板连接节点的破坏模式包括销槽破坏和螺栓弯曲破坏,节点的轴向承载力随着侧材厚度、螺栓数量增加而增加;延性随着侧材厚度增加而增加,随着螺栓数量的增加而减小。之后,有学者开始研究螺栓-钢填板连接节点的抗弯性能。王明谦等［7-8］对胶合木梁柱螺栓-钢填板节点的转动性能进行研究,研究表明,胶合木梁柱螺栓-钢填板节点性能主要取决于螺栓和螺孔周边木材的承压性能,且节点初期的螺孔间隙和后期木材横纹裂缝会导致节点刚度显著下降,木材横纹劈裂是节点的主要破坏模式,节点的受弯承载力和延性随着弯剪比的增加而降低。李征等［9］通过单调加载试验研究木梁柱螺栓-钢填板节点在弯剪复合作用下的转动性能,并提出了节点在弯剪复合作用下的极限承载力和节点刚度的计算方法,同时提出了弯矩-转角曲线的理论预测模型。陈丽等［10］采用粘性区模型研究了胶合木梁柱内嵌钢板-螺栓连接节点在单调荷载作用下的力学行为和开裂位移,结果表明,粘性区模型在模拟胶合木梁柱节点的力学行为和开裂位移方面具有很好的适用性。针对胶合木梁柱螺栓-钢填板连接节点容易出现裂缝的问题,有学者提出了增强措施对节点进行增强。刘慧芬和何敏娟［11］运用自攻螺钉来加强螺栓-钢填板节点,发现随着自攻螺钉个数增加、直径增大,节点的承载力、破坏转角、延性系数以及节点总耗能增大。冷予冰等［12］用内贴重组竹和外包钢板等措施对胶合木梁柱螺栓-钢填板节点进行增强,结果表明,内贴重组竹和外包钢板可以有效提高节点的抗劈裂性能,弯矩和对应转角均有所提高。张迈丽［13］运用摩擦耗能装置加固带裂缝的胶合木螺栓-钢填板节点,发现加固后节点的承载力、刚度和延性等均有提升。

目前针对完好胶合木梁柱螺栓-钢填板节点性能及其增强措施的研究较多,但大多数未考虑胶合木梁带裂缝的状态,带裂缝等缺陷的胶合木梁柱螺栓-钢填板节点的加固研究较少。因此,针对由于外力作用或者环境影响而出现裂缝的既有胶合木梁柱螺栓-钢填板节点,本文运用钢箍、碳纤维布或者自攻螺钉加固,在已有试验的基础上建立胶合木梁柱螺栓-钢填板节点有限元模型,考虑裂缝影响,研究加固节点的抗弯性能,分析节点破坏模式、承载力、刚度和延性等,为实际工程中出现裂缝的胶合木梁柱螺栓-钢填板节点的加固或者应急处理提供参考。

1 有限元模型及验证

1.1 模型建立

本文运用非线性有限元软件ABAQUS分析胶合木梁柱螺栓-钢填板节点的受力性能,选取文献[7]的S1组试件进行有限元模拟与验证。试件几何尺寸如图 1所示。钢填板厚12mm,螺栓直径20mm,螺栓边距70mm,胶合木梁和胶合木柱之间留有5mm间隙。试验将梁柱节点旋转90°放置于试验平台上,设置钢梁和螺栓对柱端进行固定,在试件与反力架间放置钢块限制木柱水平位移。在梁自由端设置夹具与电液伺服作动器相连以施加水平位移并限制面外变形。

木材为各向异性材料,顺纹方向强度和弹性模量均大于横纹方向。本文考虑木材各向异性以准确模拟节点力学性能,在ABAUQS中用弹性工程常数来实现材料各向异性,用各向异性HILL屈服准则来考虑木材塑性,木材与碳纤维布的主要材料参数如表 1［14-15］所示。木材的顺纹抗压屈服强度取16MPa,横纹抗压屈服强度为5.63MPa。钢填板弹性模量为2.06×105N/mm2,屈服强度为390MPa;螺栓弹性模量为2.06×105N/mm2,屈服强度为780MPa,均采用理想弹塑性材料本构。通过销轴承压模型来考虑节点制造过程中预钻孔对螺孔周围木材产生的初始损伤,销轴承压模型的材料力学性能参数参照文献[16]取值。

节点有限元模型如图 2所示。模型采用结构化网格划分,木材、螺栓和钢板的单元用三维实体单元C3D8R,网格尺寸范围为15～40mm。钢板与木材、螺栓与木材、螺栓与钢板之间设置接触对,考虑摩擦和挤压作用,摩擦系数取0.3。根据试验约束条件,在柱两端约束三个方向的位移。

表1 木材和碳纤维布的主要材料参数［14-15］

本文有限元模型不考虑木材裂缝的开展以及由于裂缝开展导致的承载力下降段,同时也不考虑由于初始的螺栓和螺栓孔壁缝隙导致的节点零刚度段。本文采用最大拉应力理论来判断木材横纹劈裂破坏,当最大拉伸主应力超过木材的横纹抗压强度时,节点发生木材横纹劈裂破坏,木材横纹抗压强度取2.12MPa［7］。

1.2 有限元模型验证

图 3为节点弯矩-转角曲线的模拟结果和试验结果对比。可以发现,有限元模拟的弯矩-转角曲线和试验弯矩-转角曲线吻合良好。图 4为胶合木梁的最大主应力云图。由图4可得,在单调荷载作用下,木梁一侧受压,另一侧在螺栓孔附近产生较大的拉应力,容易引起木材横纹裂缝。图 5为胶合木梁螺栓孔和螺栓的变形情况,由图可得,螺栓孔发生较大的局压变形,梁螺栓以及柱螺栓均产生一定的弯曲变形。综上,本文有限元模型模拟结果与试验结果基本吻合,验证了有限元模型的准确性与有效性。

2 带横纹裂缝胶合木梁柱节点加固方案

胶合木梁柱螺栓-钢填板节点在弯矩作用下或者外界环境长期影响下,容易出现横纹裂缝。实际工程中胶合木梁柱螺栓-钢填板节点出现横纹裂缝后,应采取合理的措施进行加固。本文分别采用钢箍、碳纤维布和自攻螺钉对带横纹裂缝的胶合木梁柱螺栓-钢填板节点进行加固,通过钢箍、碳纤维布或者自攻螺钉来约束节点以限制横纹裂缝开展,恢复节点承载能力和转动刚度。节点加固示意图如图6所示。

钢箍加固方案在节点上增设了三道宽50mm、厚度为3mm的钢箍,钢箍与螺栓中心间距95mm。碳纤维布加固方案在节点上设置了三道碳纤维环箍,碳纤维布的宽度分别为110mm、130mm和90mm,由3层厚0.333mm的碳纤维布粘贴而成。自攻螺钉加固方案在节点上增加了8根自攻螺钉,自攻螺钉直径6mm、长130mm,方向垂直于木梁顺纹方向。

3 加固节点受力性能分析及对比

基于前文有限元模型,在节点范围内设置1mm宽的缝隙来模拟裂缝,分析带横纹裂缝的胶合木梁柱螺栓-钢填板节点加固前后的抗弯性能,裂缝预留示意图如图 7所示。不考虑结构胶对裂缝两侧的粘结修复作用,仅考虑变形后裂缝两侧面的接触作用。

碳纤维是一种各向异性材料,其主要材料参数如表 1所示。碳纤维的抗拉强度取2 800MPa,模拟时采用ABAQUS中的连续实体壳单元CSS8模拟,该单元可以很好地适用于薄板结构,单元边长为15mm。不考虑碳纤维布和木材之间的粘结滑移,用Tie约束将两者绑定在一块。钢箍的材料参数取值同钢填板,考虑钢箍与木材之间的接触。自攻螺钉的弹性模量取2.06×105N/mm2,强度取值为400MPa,自攻螺钉螺纹与木材之间可以很好地锚固,因此本文认为自攻螺钉和木材之间没有滑移,通过Embed约束将自攻螺钉内置于胶合木内。需要注意的是,实际加载后期自攻螺钉与木材之间会发生相对滑移,这需要进一步研究。

3.1 应力与变形情况对比分析

图 8为未加固和采用不同加固措施的节点胶合木梁柱的最大主应力云图。可以看出,在单调荷载作用下,胶合木梁基本呈现一侧受压,另一侧受拉的状态。通过对比可以发现,加固后的节点,胶合木梁的受压区范围要大于未加固的节点,采用不同加固措施的节点的胶合木梁受压区范围基本一致,基本布满图8中右侧裂缝的右侧部分,而未加固的节点,相应的受压区范围仅约为图8中不同加固措施的节点右侧裂缝的右侧部分的1/2。这在一定程度上说明,加固后的节点裂缝两侧的木材协同受力情况改善,整体性明显优于未加固的节点。通过对比图 8和图 4中的云图,也可以发现,加固后的节点木梁的最大主压应力分布情况与原完好节点的最大主压应力分布基本一致,也进一步说明加固后节点的整体性明显改善。

受拉一侧在螺栓孔附近产生较大的拉应力,从拉应力分布可以看出,实际上裂缝可能会沿着顺纹向有一定的发展,而且加固节点的最大主拉应力分布情况与原完好节点的最大主拉应力分布情况也基本一致。

图 9为不同加固部件的应力云图。可以发现,在单调荷载作用下,环绕的钢箍和碳纤维布大部分区域主要受到拉应力作用。钢箍的最大拉应力约185.0MPa,发生在钢填板与钢箍挤压处,小于钢材屈服应力。碳纤维布的最大拉应力约1 265MPa,主要是由于节点转动后,钢填板和碳纤维布发生挤压导致,实际情况中可能导致碳纤维布与木材之间的粘结失效,裂缝附近的碳纤维布最大主拉应力基本在350MPa以下,远小于碳纤维布的抗拉强度值。自攻螺钉在裂缝附近区域的应力较大,达到了屈服强度400MPa。同时,部分自攻螺钉发生了明显的弯曲变形,这是梁裂缝两侧发生了相对的错动变形所导致。

另外,通过图 8对比可以明显发现,加固节点的裂缝开展情况明显好于未加固节点。当达到极限承载力时,未加固节点的裂缝最大宽度达到约61mm,而采用钢箍加固的节点裂缝最大宽度开展到约8mm,采用碳纤维布加固的节点裂缝最大宽度仅开展到约2.8mm,采用自攻螺钉加固的节点,最大裂缝宽度约2.1mm。带横纹裂缝的节点加固后,在受弯情况下,可以有效限制裂缝开展,增强结构整体性,提高节点刚度和承载力。

3.2 受力性能对比

图 10为不同节点的弯矩-转角曲线,表 2为不同节点的初始刚度和最大弯矩及对应的转角数据。从图 10和表 2可以发现,完好节点的最大弯矩约38.8kN·m,未加固的带横纹裂缝的胶合木梁柱节点的最大弯矩仅约22.5kN·m,相比于完好节点减少了约42.0%,承载力大幅减小。采用钢箍、碳纤维布和自攻螺钉加固的节点的最大弯矩分别为37.0、39.5kN·m和38.8kN·m,分别为完好节点承载力的95.4%、101.8%和100.0%,节点的承载力基本恢复。相比于未加固的节点,采用钢箍、碳纤维布和自攻螺钉加固的节点的承载力分别增加了64.4%、75.6%和72.4%,承载力明显提高。

完好节点的最大转角约0.16rad,未加固的带横纹裂缝的胶合木梁柱节点的最大转角约0.11rad,减少了约31.3%。可以发现,用碳纤维布和自攻螺钉加固的节点的最大转角分别达到0.18rad和0.21rad,比完好节点分别增加约12.5%和31.3%,节点的延性有所增强。需要注意的是,本文不考虑碳纤维布和木材之间的粘结滑移,实际情况可能存在粘结失效的问题,这有待进一步的研究。

另外,从表 2可以看出,未加固节点的初始刚度最小,比完好节点小约10.9%。相比于未加固节点,钢箍、碳纤维布和自攻螺钉加固节点的刚度分别增加了约9.9%、15.2%和12.3%。加固后的节点刚度有所恢复,甚至高于完好节点。图10曲线中之所以存在一个刚度突变的拐点(15kN·m左右),是因为随着节点转动角度增加,木梁与木柱之间的初始缝隙挤压接触限制节点转动,节点转动刚度增加。

表2 节点性能数据

图1 试件几何尺寸［7］

图2 节点有限元模型

图3 节点有限元与试验弯矩-转角曲线对比

图4 胶合木梁最大主应力云图/MPa

图5 胶合木梁螺栓孔和螺栓变形云图/mm

图6 节点加固示意图

图7 预留裂缝示意图

图8 未加固和不同加固措施节点的胶合木梁柱最大主应力云图/MPa

图9 不同加固部件的应力云图/MPa

图10 不同节点的弯矩-转角曲线

图11 节点滞回曲线对比

3.3 节点滞回性能对比

图 11为不同节点的滞回曲线对比。可以看出,相较于未加固节点,加固节点的初始刚度更大,滞回曲线更饱满,承载力更高,与单调荷载作用下的结果一致。完好节点和加固节点的滞回曲线基本重合,说明加固节点在往复荷载作用下的初始刚度、耗能性能和承载力可有效恢复。胶合木梁柱螺栓-钢填板节点滞回曲线存在较为明显的零刚度段,这是螺栓孔挤压变形后螺栓与螺栓孔壁之间出现间隙所导致。

图12为胶合木梁的等效塑性应变云图。从图12可看出,塑性应变主要集中在胶合木梁螺栓孔附近,螺栓孔发生较大的挤压变形。未加固节点在裂缝末端也出现较为明显的塑性应变,说明裂缝会进一步开展。在往复荷载作用下,裂缝两边的螺栓孔的挤压变形形状对称,未加固节点由于缺少约束,裂缝两边的木材变形较大,实际情况中可能出现劈裂或者脆断现象。图13为胶合木梁中螺栓的Mises应力云图。从图13可以看出,螺栓的最大应力发生在中间与钢填板接触位置,所有节点螺栓的最大应力均小于780MPa,未发生屈服。

图12 不同节点胶合木梁塑性应变云图

图13 不同节点胶合木梁中螺栓Mises应力云图/MPa

3.4 不同加固方案对比

根据前面的分析可知,钢箍、碳纤维布和自攻螺钉都可以有效限制横纹裂缝开展。单调荷载作用下,自攻螺钉加固节点的裂缝开展宽度约2.1mm,分别为钢箍和碳纤维布加固节点的26.3%和75.0%,相比之下,自攻螺钉可更有效地限制裂缝开展。

另外,采用钢箍、碳纤维布和自攻螺钉加固的带横纹裂缝胶合木梁柱节点的承载力和刚度都可有效恢复。三者相比,碳纤维布加固节点承载力分别超过钢箍和自攻螺钉加固节点承载力的6.8%和1.8%,刚度则分别超过4.8%和2.6%。在承载力和刚度恢复方面,三种加固方法相似。延性方面,钢箍、碳纤维布和自攻螺钉加固节点的极限转角分别为0.14、0.18rad和0.21rad,自攻螺钉加固节点延性优于另外两种加固方法。

在滞回性能方面,三种加固方案的滞回曲线相似,图14为不同加固节点的累积循环耗能-转角曲线。可以看出,钢箍加固节点耗能能力最好,其累积耗能为5.89kN·m·rad,比碳纤维布和自攻螺钉加固节点分别高约3.0%和5.7%。

图14 累积循环耗能-转角曲线

通过综合对比,三种带横纹裂缝胶合木梁柱节点的加固方案均可有效恢复节点承载力和刚度,三者承载力、刚度和耗能能力相差不大,因为主要的破坏模式为螺栓孔的破坏。自攻螺钉加固节点裂缝开展宽度较小且延性较好,其加固施工便捷,对构件外观影响小。综上,实际工程中可优先采用自攻螺钉加固。

4 结论

(1)相比于完好节点,带裂缝的胶合木梁柱螺栓-钢填板节点的承载力、刚度和延性都出现不同程度削弱,其中承载力和刚度分别下降了42.0%、10.9%,最大转角减少了31.3%。因此对于带裂缝的胶合木梁柱螺栓-钢填板节点应该采取合理的措施进行加固。

(2)采用碳纤维布、钢箍或自攻螺钉对带裂缝的胶合木梁柱螺栓-钢填板节点进行加固可有效恢复节点的承载力和刚度,限制已有裂缝的开展。相比于未加固的开裂节点,加固节点的承载力可提高约64.4%～75.6%,刚度可提高约9.9%～15.2%;相比于原完好节点,加固节点的承载力可恢复到原来的95.4%～101.8%。

(3)采用碳纤维布、钢箍或自攻螺钉加固的带裂缝胶合木梁柱螺栓-钢填板节点的滞回性能可有效恢复,构件的延性和耗能能力与完好节点基本一致。加固节点的破坏模式主要是螺栓孔的破坏。