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考虑规格材布置方式的胶合木梁柱螺栓-钢填板节点性能研究# 宋晓滨，王明谦，顾祥林，张云帆** 基金项目：国家自然科学基金（批准号：51008221）；2010年度高等学校博士学科点专项科研基金自然科学类课题（课题编号：20100072120001） 作者简介：宋晓滨（1977-8），男，讲师，主要研究方向：新型及传统木结构抗震性能和加固方法研究，钢筋混凝土结构碳纤维布加固方法研究 通信联系人：顾祥林（1963－4），男，教授，主要研究方向：结构全寿命设计与维护，混凝土结构与砌体结构基本理论，工程结构计算机仿真. E-mail: gxl@tongji.edu.cn （同济大学建筑工程系，上海 200092） 5 摘要：本文通过单调和低周反复加载试验研究改变规格材布置方式提高胶合木梁柱螺栓－钢填板节点的转动性能。胶合木通常水平铺设和胶合规格材，在弯矩作用下节点区胶合木构件易发生脆性的横纹劈裂破坏。通过竖向布设和胶合规格材，胶合层较高的强度可延缓木材横纹劈裂，从而提高节点延性。试验结果表明，竖向胶合的梁柱螺栓－钢填板节点延性有显著提高。此外，在单调荷载作用下节点极限承载力、转角以及10 破坏弯矩所对应的转角比水平胶合节点分别提高27%，62%和68%；在低周反复荷载作用下，节点的耗能比提高近20％。本文研究成果对于胶合木结构的合理设计、应用具有重要的工程意义。 关键词：胶合木；规格材布置方式；梁柱螺栓－钢填板节点；单调加载；低周反复加载；延性；耗能比 中图分类号：TU366.3 15 The rotational behavior of bolted glulam beam-to-column connections with different lamina alignments Song Xiaobin, Wang Mingqian, Gu Xianglin, Zhang Yunfan (Department of Building Engineering, Tongji University, Shanghai 200092) Abstract: This paper presents the results of monotonic and cyclic loading tests on the rotational 20 behavior of bolted glulam beam-to-column connections with different lamina alignments. The commonly used horizontal alignment and gluing pattern of glulam in the beam-to-column connections is prone to perpendicular-to-grain tensile failure. Correspondingly, the connections often fail brittlely under rotational actions. By aligning and gluing the glulam laminas vertically, the gluing layers, which are of higher stiffness and strength than wood in perpendicular direction, can hamper the 25 perpendicular-to-grain cracking and thus improve the ductility of the beam-to-column connections. Test results indicated that under monotonic loading the maximum moment and the corresponding rotation angle and the rotation angle corresponding to the ultimate moment of the vertically aligned connection were improved by 27%, 62% and 68%, respectively, with respect to those of the horizontally aligned connection. For cyclic loading, the energy dissipation ratio of the vertically 30 aligned connection was increased by up to 20%. The generated knowledge in this study can be used as reference for more reasonable design and use of this type of connections. Key words: Glulam; Alignment of lamina; Bolted beam-to-column connection; Monotonic loading; Cyclic loading; Ductility; Energy dissipation ratio 0 引言 35 胶合木是将厚度为30～45毫米的规格材刨光、水平层叠后加压胶合而成，因而可以有效减小木材天然缺陷对构件强度的不利影响，并能突破天然木材尺寸的限制，真正做到小材大用、劣材优用。胶合木在重型木结构体系中有广泛的应用，如加拿大温哥华市2010年冬奥会速滑馆即采用大跨度（接近100米）胶合曲梁，具有很强的艺术感染力。 40 图1 胶合木梁柱螺栓－钢填板节点构造 胶合木框架结构体系的梁柱节点通常采用螺栓－钢填板连接方式，即梁柱构件通过内嵌式钢板以及横向对穿的螺栓连接，如图1中所示。螺栓－钢填板节点具有外形美观（对木材外观影响小）、易于施工等优点。然而，已有研究表明胶合木梁柱螺栓－钢填板节点在单调和低周反复荷载作用下，胶合木构件会发生脆性的木材横纹劈裂破坏[1-2]。这主要是由于节45 点发生转动变形时，螺栓和胶合木会产生相互挤压，进而在胶合木中产生横纹拉应力。由于胶合木的规格材的横纹抗拉强度较低且具有明显的脆性，因而在转动变形（或荷载）作用下节点容易发生脆性破坏，进而影响到整体结构在静力和动力荷载下的延性和抗震性能。因此，研究胶合木梁柱螺栓－钢填板节点的延性和耗能性能对于提高胶合木框架结构的安全性和抗震性能具有重要的理论和工程意义。 50 目前大部分国家的胶合木结构设计规范中(ANSI/AF&PA[3], CAN/CSA-O86-01[4], Eurocode 5[5]，《胶合木结构技术规范》[6])，螺栓节点的强度计算方法都是基于Johanson于1949年提出的欧洲屈服模式(EYM)推导而来[7]。该屈服模式假定螺栓节点最终产生延性破坏，节点强度取决于木材局部压屈和螺栓受弯屈服。然而很多学者发现，即使满足规范规定的螺栓节点最小间距和边矩，节点依然有可能发生脆性破坏[8]。对2007年美国Greensburg, 55 Kansas的一座胶合木结构教堂的倒塌实例研究也表明，结构在侧向荷载作用下胶合木梁由于顺纹抗剪和横纹抗拉能力不足而发生螺栓拨出破坏[9]。 针对胶合木梁柱螺栓节点脆性破坏的特点，很多学者提出了改进方法。Lam等人研究了采用沿木材横纹方向贯穿自攻螺丝（长度可超过300毫米，直径10毫米左右）的方法[2-3]。由于自攻螺丝的螺纹和木材的咬合作用，胶合木构件中的横纹拉应力会产生重分布，因而节60 点表现出更好的延性和极限承载力。用于胶合木螺栓节点的自攻螺丝通常具有较大的长细比，因而对于大型构件采用自攻螺丝的施工难度（螺丝打入木材）较大，使得该方法的运用受到一定的限制。此外，研究者还研究了在节点区域采用高强高密度木材[10-12]以及采用植筋棒（glued-in rod）[13-16]等方式改善节点的抗弯承载力和破坏模式。然而，采用高密度木材施工复杂，而采用植筋棒的节点可能产生同样带有脆性特征的顺纹剪切破坏，因而其实际效果65 有待进一步验证。 本文提出采用竖向布置规格材并胶合的方法改善梁柱螺栓－钢填板节点的转动性能。从图2中可以看出，采用竖向布置规格材的胶合木构件当受到横纹拉应力的时候，胶缝和规格材共同工作并分担拉应力。由于胶缝通常具有比木材横纹方向更高的弹性模量和抗拉承载力，因而相应的节点具有更好的延性等受力性能。 70 螺栓 内嵌式钢填板 胶合木柱 胶合木梁 顺纹方向 横纹方向 图2 采用竖向布置的胶合木力学性能改善原理 本文采用水平和竖向布置规格材的胶合木制成的胶合木梁柱螺栓－钢填板节点并开展了单调和低周反复加载的转动性能试验，在试验结果的基础上评价竖向布置规格材布置对节点的延性比和耗能等性能的改善效果。研究成果可以为胶合木梁柱螺栓－钢填板节点的优化75 设计提高理论依据，有助于推动胶合木乃至重型木结构体系作为典型的绿色建筑在中国的进一步的运用和发展。 1 试验方法 1.1 材料和试验设计 本文中所用到的胶合木梁柱螺栓－钢填板节点试件的材料包括胶合木、普通六角螺栓80 （8.8级，公称直径20mm）和Q390钢板（9.5毫米厚）。其中，胶合木梁和柱构件由苏州皇家整体住宅系统股份有限公司按照试验方案生产制作，制作胶合木所采用的规格材为北美云杉－松－冷杉（Spruce-Pine-Fir），材质等级为一级。 节点试件根据规格材布置方式（水平、竖向）以及荷载类型（单调、低周反复）分为4组。已有研究成果表明该类型节点的力学性能的变异性较小（小于10％）；此外，考虑到85 本次研究主要为预研性质，故而每组试件只考虑一个试件。各试件的规格材布置方式和荷载类型如表1中所示。 表1 胶合木梁柱螺栓－钢填板节点试件 试件编号 规格材布置方式 荷载类型 S1 水平布置 单调荷载 S2 竖向布置 单调荷载 S3 水平布置 低周反复荷载 S4 竖向布置 低周反复荷载 所有试件均采用同样的设计方案，如图3中所示。其中，梁构件长830毫米，截面取为130×305平方毫米；柱长1000毫米，截面取为272×305平方毫米；梁与柱之间留有5毫米90 的间隙。用于安装内嵌式钢板的梁、柱开槽宽度均为12毫米，钢板与梁槽上端距离为10毫米，与柱槽上下端的距离均为5毫米。用于连接梁和钢板的螺栓的螺杆总长为158毫米，无螺纹长度（为了避免损伤螺孔周边木材）为133毫米；用于连接柱和钢板的螺栓的螺杆总长为300毫米，无螺纹长度为275毫米螺杆；螺栓的边距为70毫米，螺栓之间的水平和垂直间距分别为165毫米和190毫米。钢板尺寸为745×305平方毫米。此外，钢板以及胶合木95 的预钻孔径取比螺栓直径大1.5毫米以保证节点顺利安装。 σw σb σg 竖向布置节点受力机理 规格材 胶缝 （水平布置胶合木） 横纹 胶缝 （竖向布置胶合木） 顺纹 图3 试件几何尺寸示意图（单位：毫米） 1.2 加载方法 本次试验在同济大学建筑工程系木结构实验室进行。为了便于加载，将梁柱节点试件100 旋转90度（如图4中所示），即，使梁构件竖直向上并和水平布置的双通道电液伺服作动器相连。加载通过微机系统实现位移控制的加载模式：由电液伺服作动器施加水平位移使节点产生转动变形并量测相应过程中梁端所承受的水平荷载和节点中所产生的弯矩（根据梁端和节点中心的垂直距离），建立梁柱螺栓－钢填板节点的弯矩转角关系，以此来评价节点的延性以及耗能等力学参数。 105 图4 胶合木梁柱螺栓－钢填板节点试验装置 本次试验主要包括单调和低周反复加载，其中单调加载试验包括如下步骤： 步骤1：预加载。预加载的主要目的在于检测试验所用位移计的工作状态，以及消除节点各组成部分的可能存在的不良接触。预加荷载为节点极限承载力预估值的10%，加载速110 度为5毫米/分钟。加载至设定的预加荷载后持荷2分钟随后卸载。 步骤2：正常加载。加载速度取为5毫米/分钟，并持续加载至试件产生明显破坏或荷载下降至最大荷载的80%随后卸载至节点初始位置。 低周反复加载试验的加载制度主要参考CUREE位移控制反复加载制度[17]，如图5中所 272 前视图 梁 柱 螺栓 钢板 对称轴 5 305 830 152.5 70 侧视图 5 500 97.5 272 底视图 钢填板 130 15毫米间隙 70 140 190 120 示。其中加载幅值参考位移Δ取为同类型节点载单调加载试验中测得的破坏位移的60%。 115 图5 低周反复荷载加载制度 具体加载同样包括预加载和正式加载两个步骤。 步骤1：预加载。预加载至节点极限承载力预估值的10%，加载速度根据CUREE的建议取为20毫米/分钟，并在达到设定的预加荷载后持荷2分钟并随后卸载至初始位置。 120 学术论文网Tag：代写硕士论文 代写论文 代写代发论文 代发论文 |
