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自攻螺钉与榫卯连接CLT墙体节点力学性能研究

林沁雨 文程生 刁玥 燕力榕 高颖

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自攻螺钉与榫卯连接CLT墙体节点力学性能研究

    作者简介: 林沁雨。主要研究方向:木结构材料与工程。Email:kristin_lin@163.com  地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学森工楼.
    通讯作者: 高颖,博士,副教授。主要研究方向:木结构材料与工程。Email:gaoying@bjfu.edu.cn  地址:同上
  • 中图分类号: TU366.2

Mechanical properties of CLT shear connections between self-tapping screws and mortise tenons

  • 摘要: 目的 正交胶合木(CLT)的出现使木结构建筑突破了以往的层高限制,但现在采用的金属连接件连接方式降低了CLT材料的使用效率,浪费了CLT材料的力学性能优势。因此,连接节点成为CLT研究的关键性问题。对榫卯连接在CLT墙体−墙体处的节点应用进行抗剪性能研究,并与自攻螺钉的连接性能相比较,以探究榫卯连接节点在CLT建筑中的应用提供科学依据。方法 分别对自攻螺钉与燕尾榫连接的两类CLT墙体节点H型试件进行单调与低周反复加载试验,得到试件在纯剪作用下的荷载−位移曲线、滞回曲线、骨架曲线等参数,并结合破坏现象比较分析了两类试件的初始刚度、最大承载力、耗能、刚度退化、强度退化等力学特性。结果 钉节点一般先于CLT材料破坏,并损坏连接处木材,而燕尾榫节点后于CLT材料发生破坏;在单调加载试验中,燕尾榫节点的延性略低于钉节点,但最大承载力、极限位移、屈服荷载、屈服位移与耗能分别高出钉节点313.50%、35.38%、370.80%、92.76%、459.64%;在低周反复加载试验中,钉节点延性较差,燕尾榫节点延性相对较好,燕尾榫正向加载的最大承载力高出钉节点455.54%,负向加载的最大承载力高出钉节点234.74%,且燕尾榫节点维持刚度和强度的能力,以及耗能能力均优于钉节点。结论 与钉节点相比,燕尾榫节点可以更大地发挥CLT材料的优点,以推动CLT建筑的工程应用。
  • 图 1  试件详图

    Figure 1.  Details of specimens

    图 2  试件夹具与安装

    Figure 2.  Fixtures and set-up of specimens

    图 3  低周反复加载协议

    Figure 3.  The reversed-cyclic loading protocols

    图 4  单调荷载下钉节点破坏模式

    Figure 4.  Failure modes of self-tapping screw connections under monotonic load

    图 5  单调荷载下燕尾榫节点破坏模式

    Figure 5.  Failure modes of dovetail connections under monotonic load

    图 6  钉节点、燕尾榫节点荷载–位移曲线

    Figure 6.  Load-displacement curve of self-tapping screw (STS) and dovetail connections

    图 7  低周反复荷载下钉节点破坏模式

    Figure 7.  Failure modes of self-tapping screw connections under cyclic load

    图 8  低周反复荷载下燕尾榫节点破坏模式

    Figure 8.  Failure modes of dovetail connections under cyclic load

    图 9  钉节点、燕尾榫节点滞回曲线

    Figure 9.  Hysteresis curve of STS and dovetail connections

    图 10  钉节点、燕尾榫节点骨架曲线

    Figure 10.  Skeleton curve of STS and dovetail connections

    图 11  钉节点、燕尾榫节点刚度退化曲线

    Figure 11.  Stiffness degradation curve of self-tapping screw and dovetail connections

    图 12  钉节点、燕尾榫节点强度退化曲线

    Figure 12.  Strength degradation of self-tapping screw and dovetail connections

    图 13  钉节点、燕尾榫节点累计耗能曲线

    Figure 13.  Cumulative energy dissipation curve of self-tapping screw and dovetail connections

    图 14  钉节点在单调荷载下的荷载−位移曲线与低周反复荷载下的平均骨架曲线

    Figure 14.  Load-displacement curve and average skeleton curve of STS connections

    图 15  燕尾榫节点在单调荷载下的荷载−位移曲线与低周反复荷载下的平均骨架曲线

    Figure 15.  Load-displacement curve and average skeleton curve of dovetail connections

    表 1  钉节点、燕尾榫节点力学性能参数表

    Table 1.  Mechanical properties and statistics of self-tapping screw and dovetail connections

    试件组别
    Specimen
    初始刚度
    Initial stiffness/
    (kN·mm− 1)
    最大承载力
    Maximum load/kN
    最大承载力
    对应位移
    Displacement of
    maximum load/mm
    极限承载力
    Ultimate load/kN
    极限位移
    Ultimate displacement/mm
    屈服荷载
    Yield load/kN
    屈服位移
    Yield displacment/mm
    延性系数
    Ductility coefficient
    耗能
    Energy dissipation/
    (kN·mm− 1)
    钉节点组
    STS connections
    2.79 17.04 12.7 13.63 19.05 8.87 2.9 3.85 240.88
    燕尾榫组
    Dovetail
    connections
    7.22 70.46 12.49 55.32 25.79 41.76 5.59 2.96 1 348.06
    差值百分比
    Percentage of
    difference/%
    158.78 313.50 − 1.65 305.87 35.38 370.80 92.76 − 23.12 459.64
    注:差值百分比为燕尾榫节点组、钉节点组力学参数的差值与钉节点组力学特征值之比。下同。Notes: the percentage of difference is equated to the ratio of the difference of the mechanical parameters of dovetail and STS to the mechanical characteristic value of STS. The same below.
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    表 2  钉节点、燕尾榫节点力学性能参数表

    Table 2.  Mechanical properties and statistics of self-tapping screw and dovetail connections

    加载方向
    Loading direction
    试件组别
    Specimen
    最大承载力
    Maximum load/kN
    最大承载力对应位移
    Displacement of maximum load/mm
    极限承载力
    Ultimate load/kN
    极限位移
    Ultimate displacement/mm
    正向 Pushing 钉节点组
    STS connections
    16.87 4.29 13.50 7.43
    燕尾榫节点
    Dovetail
    connections
    93.72 8.00 74.98 24.85
    差值百分比
    Percentage of difference/%
    455.54 86.48 455.41 234.45
    负向 Pulling 钉节点组
    STS connections
    19.86 6.02 15.89 11.33
    燕尾榫组
    Dovetail
    connections
    66.48 9.20 63.86 25.04
    差值百分比
    Percentage of difference/%
    234.74 52.82 301.89 121.01
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-05
  • 录用日期:  2019-06-04
  • 网络出版日期:  2019-09-12
  • 刊出日期:  2019-11-01

自攻螺钉与榫卯连接CLT墙体节点力学性能研究

    通讯作者: 高颖, gaoying@bjfu.edu.cn
    作者简介: 林沁雨。主要研究方向:木结构材料与工程。Email:kristin_lin@163.com  地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学森工楼
  • 北京林业大学材料科学与技术学院,北京 100083

摘要: 目的正交胶合木(CLT)的出现使木结构建筑突破了以往的层高限制,但现在采用的金属连接件连接方式降低了CLT材料的使用效率,浪费了CLT材料的力学性能优势。因此,连接节点成为CLT研究的关键性问题。对榫卯连接在CLT墙体−墙体处的节点应用进行抗剪性能研究,并与自攻螺钉的连接性能相比较,以探究榫卯连接节点在CLT建筑中的应用提供科学依据。方法分别对自攻螺钉与燕尾榫连接的两类CLT墙体节点H型试件进行单调与低周反复加载试验,得到试件在纯剪作用下的荷载−位移曲线、滞回曲线、骨架曲线等参数,并结合破坏现象比较分析了两类试件的初始刚度、最大承载力、耗能、刚度退化、强度退化等力学特性。结果钉节点一般先于CLT材料破坏,并损坏连接处木材,而燕尾榫节点后于CLT材料发生破坏;在单调加载试验中,燕尾榫节点的延性略低于钉节点,但最大承载力、极限位移、屈服荷载、屈服位移与耗能分别高出钉节点313.50%、35.38%、370.80%、92.76%、459.64%;在低周反复加载试验中,钉节点延性较差,燕尾榫节点延性相对较好,燕尾榫正向加载的最大承载力高出钉节点455.54%,负向加载的最大承载力高出钉节点234.74%,且燕尾榫节点维持刚度和强度的能力,以及耗能能力均优于钉节点。结论与钉节点相比,燕尾榫节点可以更大地发挥CLT材料的优点,以推动CLT建筑的工程应用。

English Abstract

  • 正交胶合木(Cross-laminated timber,简称CLT)是一种由奇数层规格材垂直相交,利用结构胶黏剂胶合组胚而成的工程木制复合材料,该材料的出现使得木结构建筑突破了以往的层高限制,被誉为建筑界的“第二次文艺复兴”[1]。CLT在继承了木材各种优势的同时,其水平与垂直方向都具有较强的力学性能,因此CLT板材之间的接合强度往往成为制约该种结构体系力学性能的关键因素[2]。李静等[3]指出钉连接是CLT多高层建筑的典型连接方式,但因其强度较低而导致抵抗水平荷载的能力较弱。金属连接件在遇到强荷载时,通常在CLT材料达到自身极限强度之前出现破坏,严重降低了CLT材料的使用效率,浪费了CLT材料的力学性能优势。因此,连接节点成为CLT研究的关键性问题。

    较多学者对CLT钉节点连接性能进行了研究。在抗剪性能方面,Hossain等[45]对自攻螺钉连接CLT搭接节点与双倾斜角度自攻螺钉连接CLT对接节点进行单调和低周反复加载,发现在受剪情况下,两者均表现为高延性,但后者在低周加载下,表现为中等延性。在抗剪破坏模式方面,董惟群等[6]对5种自攻螺钉连接CLT单剪试件进行单调和分级加载试验,破坏模式主要有自攻螺钉钉帽拉穿破坏、拔出破坏、断裂破坏,以及自攻螺钉周围木材承压和剪切劈裂破坏;Gavric等[7]对CLT墙体−墙体、楼板−楼板、墙体−楼板钉节点进行低周反复加载,认为钉节点在低周反复荷载作用下具有良好的延性破坏模式,但当自攻螺钉边距、端距不合要求时,将出现脆性破坏。在抗剪性能影响因素方面,董惟群等[6]通过单调和分级加载试验发现增加自攻螺钉长度、直径可显著提高试件抗剪承载力,钉入角度为45°时的抗剪承载力高于30°;Loss等[8]通过单调试验与低周反复加载试验,研究了螺钉数量、钉入角度、摩擦等因素对CLT对接接头自攻螺钉交叉节点抗剪性能的影响,发现钉入角度是影响刚度、延性、耗能等力学性能的主要因素,而摩擦力有助于提高节点最大承载力。在抗拔性能方面,Hossain等[4]对自攻螺钉连接CLT半搭搭接节点进行单调和低周反复抗拔加载试验研究发现:在抗拔情况下,钉节点表现出高刚度和高脆性。在抗拔性能影响因素方面,Silva等[9]研究了含水率变化与CLT接缝数量、宽度对自攻螺钉抗拔性能的影响,发现位于CLT表板接缝处的自攻螺钉的承载力将随接缝的增大而降低,但含水率变化可使接缝减小,带来承载力的提升。在力学特征值计算方面,Gavric等[7]用试验结果数据对比用欧洲标准Eurocode 5、Uibel和Blaß方法所得力学特征值,其结果表明:Uibel和Blaß的计算方法更准确,而当脆性破坏发生时,Eurocode 5计算值偏高。

    中国传统木结构建筑使用的榫卯连接,延性高,耗能能力强,拥有一般金属连接件所不具备的优势,也有较多针对榫卯连接节点的研究。在作用机理方面,高永林等[10]对我国古代3类典型榫卯节点进行低周反复加载试验,结果表明榫卯节点抗震性能主要依赖节点的挤压变形,摩擦系数对节点抗震性能影响不大;孙国军等[11]对沈阳故宫文溯阁复合榫卯节点试件进行低周反复加载试验,发现主要榫卯节点决定了复合榫卯节点的承载能力、变形与受力特点。在抗震性能方面,Tannert等[1219]发现剪切应力是榫卯连接节点的主要受力形式,其次还存在弯曲应力和拉应力。同时,增大榫头,采用自攻螺钉,胶黏剂加固,同时使用自攻螺钉和胶黏剂加固这4种方式均可加强燕尾榫结构刚度;孙国军等[11]通过低周反复加载试验发现:复合榫卯节点在转动的同时可以承受一定弯矩作用,耗能能力良好,表现出半刚性的连接特点。在破坏模式方面,Stefanescu [20]发现不同类型木结构建筑的榫卯连接在加载过程中发生变形的同时,结构框架也出现软化的趋势;高永林等[10]发现我国古代3类典型榫卯节点在低周反复加载下都经历了“挤紧收缩–变形–塑性变形–卯口撕裂–拔榫–破坏”的破坏过程;刘芳莲等[21]对3个大头榫卯节点进行低周反复加载试验,得出大头榫节点破坏形式主要为榫头拔出、卯口劈裂和榫颈处横纹压屈的结论。在抗震性能影响因素方面,Jeong等[22]基于有限元分析了榫头角度、深度、卯口宽度以及榫头宽度对节点力学特征值的影响,并给出4个影响因素的最佳组合形式;Kunecký等[23]研究榫卯加工精度带来的影响,发现当加工误差小于5 mm时,连接缝隙对结构力学性能影响微弱;Pang等 [24]发现燕尾榫节点肩部的大小对节点的破坏影响很大。

    综上所述,目前针对CLT钉节点以及榫卯连接节点的研究都不在少数,但将榫卯连接应用于CLT连接的研究还未见报道。加拿大《正交胶合木手册》中也曾提及榫卯这种连接形式,但对其力学性能的研究依然是空白领域。因此,本研究通过单调试验和低周反复加载试验,对比分析自攻螺钉与榫卯连接的CLT墙体节点的力学特性,为CLT的工程应用提供参考和借鉴。

    • 试验共设计钉节点与燕尾榫节点两组H型试件,每组各2个,一个用于单调加载试验,一个用于低周反复加载试验。两组试件基材均由宁波中加低碳新技术研究院公司提供的CLT裁切制成。CLT所用规格材为加拿大进口铁杉(Tsuga heterophylla),截面尺寸为38 mm × 140 mm,含水率为12%,由单组分聚氨酯胶胶合成三层,每层厚度为35 mm。钉节点组试件在横向板材每侧各布置两颗长60 mm的8.8级Φ4自攻螺钉,钉节点的端距、边距及间距分别为25、25、50 mm,符合《木结构设计标准》中对钉连接的要求,钉入角度为45°。参考相关研究结论[22]与预试验结果,并结合试件的实际尺寸与燕尾榫的几何构造因素,设计燕尾榫节点组试件榫头角度75°,外侧宽度为2/3倍板材厚度70 mm,由几何关系得内侧宽度为40.52 mm。榫头与榫槽为过盈配合。燕尾榫加工由浙江东阳鼎作木建公司协助完成。各组试件具体构造详见图1

      图  1  试件详图

      Figure 1.  Details of specimens

    • 试验在北京林业大学木质材料科学与应用教育部重点实验室进行。加载设备为邦威电液伺服试验台JAW-200,最大试验力 100 kN(精确至0.01 kN),最大位移 500 mm(精确至0.01 mm),数据采集频率为5次/s。夹具经专门设计(图2),试件的垂直、水平方向均由钢板和M12丝杆加固,前者模拟实际情况中墙体的相互挤压,后者避免加载过程中竖向板材的侧向扩张。

      图  2  试件夹具与安装

      Figure 2.  Fixtures and set-up of specimens

      单调加载试验参照美国材料与试验协会ASTM E2126-11标准[25],采取位移控制,以3 mm/min的速率匀速加载,当试件承载力下降至最大承载力的80%时,试验终止。

      低周反复加载试验参照ASTM E2126-11中的测试方法B[25]。如图3所示,低周反复第一阶段以极限位移Δm(即最大承载力下降至80%时的位移)的1.25%、2.5%、5%、7.5%、10%进行5个往复循环,加载速度为0.1 mm/s;第二阶段以极限位移的20%、40%、60%、80%、100%、120%分别进行3个往复循环,加载速度为0.25 mm/s。极限位移由单调试验得出。

      图  3  低周反复加载协议

      Figure 3.  The reversed-cyclic loading protocols

    • 钉节点试件破坏模式(图4)可概括为钉杆剪断、钉帽嵌入或拔出木块和钉槽挤压破坏。随着加载位移的增大,横向板材上方自攻螺钉逐渐拔出木块,下方自攻螺钉逐渐嵌入木块,木块与自攻螺钉相互作用而产生的“噔噔噔”声逐渐变得响亮而急促,同时钉子随横向板材向下移动,使钉槽沿受力方向被挤压;当位移加载至12.7 mm时,试件达最大承载力17.04 kN;至18 mm时,自攻螺钉基本断裂;随后,承载力便下降至80%,故可判断自攻螺钉被剪断为节点失效的主要原因。

      图  4  单调荷载下钉节点破坏模式

      Figure 4.  Failure modes of self-tapping screw connections under monotonic load

      燕尾榫节点试件破坏模式(图5)可概括为横向板材上表板挤压破坏、横向板材中部滚动剪切破坏、横向板材下表板脱胶破坏、竖向板材劈裂、榫头角部压碎和榫肩挤压变形破坏。试验中,横向板材底部首先出现裂缝;随着加载位移的增大,横向板材上表板受作动头挤压变形愈加明显,中间层逐渐弯曲开裂,榫头上部尖角与榫头两端胶缝出现开裂,下方榫肩因挤压变成圆角,竖板在榫头作用下从中间层劈裂。试件在位移12.49 mm处达到最大承载力70.46 kN;在位移为25.79 mm时,承载力下降至80%。试验最终因横向板材中间层断裂而终止。竖板劈裂和横板中部滚动剪切破坏为燕尾榫节点失效的主要原因。

      图  5  单调荷载下燕尾榫节点破坏模式

      Figure 5.  Failure modes of dovetail connections under monotonic load

    • 钉节点、燕尾榫节点荷载−位移曲线如图6所示,燕尾榫节点荷载–滑移曲线明显高于钉节点。采用日本木结构设计方法《Structural design guidelines for wood frame construction》[26]处理所采集的荷载–位移曲线,所得力学特征值列于表1。在耗能、屈服荷载、最大承载力上、极限承载力方面,燕尾榫节点分别高出钉节点459.64%、370.80%、313.50%、305.87%;燕尾榫最大荷载对应位移比钉节点小1.65%,但极限位移高出钉节点35.38%;在延性系数方面,燕尾榫节点低于钉节点23.12%,即钉节点延性更佳。因此,钉节点曲线表现较平滑缓和,无突降点,而燕尾榫节点曲线多突降点,主要原因是伴随着木材裂痕沿纹理的不断扩大,导致试件出现脆性破坏,在曲线上表现为试件承载力的突降。

      图  6  钉节点、燕尾榫节点荷载–位移曲线

      Figure 6.  Load-displacement curve of self-tapping screw (STS) and dovetail connections

      表 1  钉节点、燕尾榫节点力学性能参数表

      Table 1.  Mechanical properties and statistics of self-tapping screw and dovetail connections

      试件组别
      Specimen
      初始刚度
      Initial stiffness/
      (kN·mm− 1)
      最大承载力
      Maximum load/kN
      最大承载力
      对应位移
      Displacement of
      maximum load/mm
      极限承载力
      Ultimate load/kN
      极限位移
      Ultimate displacement/mm
      屈服荷载
      Yield load/kN
      屈服位移
      Yield displacment/mm
      延性系数
      Ductility coefficient
      耗能
      Energy dissipation/
      (kN·mm− 1)
      钉节点组
      STS connections
      2.79 17.04 12.7 13.63 19.05 8.87 2.9 3.85 240.88
      燕尾榫组
      Dovetail
      connections
      7.22 70.46 12.49 55.32 25.79 41.76 5.59 2.96 1 348.06
      差值百分比
      Percentage of
      difference/%
      158.78 313.50 − 1.65 305.87 35.38 370.80 92.76 − 23.12 459.64
      注:差值百分比为燕尾榫节点组、钉节点组力学参数的差值与钉节点组力学特征值之比。下同。Notes: the percentage of difference is equated to the ratio of the difference of the mechanical parameters of dovetail and STS to the mechanical characteristic value of STS. The same below.

      根据以上力学特征值分析结果可知:燕尾榫节点在单调加载下力学性能优于钉节点连接,这同时也与钉的规格尺寸和数量、燕尾榫与CLT板材接触面的面积和受力形式有关。

    • 钉节点试件破坏模式(图7)可概括为横板角部顺纹劈裂、钉杆剪断、自攻螺钉拔出或嵌入木块和木块挤压破坏。加载第一阶段,试件基本处于弹性工作状态,自攻螺钉不断拔出或陷入木块,挤压孔壁,偶尔出现木材的轻微开裂声;第二阶段,试件立刻发出木材与自攻螺钉相互作用的“噔噔”声;控制位移为7.62 mm(40%Δm)时,试件出现明显破坏,横向板材角部自攻螺钉钉入处木材撕裂;随控制位移的加大和循环次数的增多,“噔噔”声变得急促,部分自攻螺钉被剪断,横向板材多个角部撕裂,裂纹沿木纹逐渐扩大至对角,导致角部完全脱离主体。事实上,在绝大部分自攻螺钉被剪断前,其所在角部木材已劈裂,自攻螺钉对试件强度的贡献大大减弱,在试验后期,这些自攻螺钉基本仅单向受力,直至断裂,故认为横向木材角部撕裂为试件的主要破坏原因,其次为钉的剪断。

      图  7  低周反复荷载下钉节点破坏模式

      Figure 7.  Failure modes of self-tapping screw connections under cyclic load

      燕尾榫节点破坏模式(图8)可概括为横向板材胶缝开裂、横向板材中间层滚动剪切破坏、榫头角部压碎、竖向板材劈裂、竖向板材挤压变形和榫头拔出。加载第一阶段,试件基本处于弹性工作状态,无明显破坏现象;第二阶段,出现木材破坏的“咯吱咯吱”声,并观察到榫头的挤压变形,榫肩首先出现裂缝并扩大至横向板材中层与下层胶缝处;随控制位移的加大和循环次数的增多,依次发生横向板材上层与中层胶缝开裂,横向板材中间层开裂,榫头角部碎裂,竖向板材中间层在榫头挤压作用下劈裂等现象,此外,由于榫头与榫槽空隙逐渐增大,导致榫头略微拔出;最终,试验因横板中间层断裂而终止。

      图  8  低周反复荷载下燕尾榫节点破坏模式

      Figure 8.  Failure modes of dovetail connections under cyclic load

    • 试验所得滞回曲线与骨架曲线如图9图10所示,最大荷载及位移、极限荷载及位移如表2所示。燕尾榫节点的正向、负向最大承载力分别比钉节点提升了455.54%和234.74%,正向、负向最大承载力对应位移分别比钉节点增加了86.48%和52.82%,正向、负向极限承载力分别高出钉节点455.41%和301.89%,正向、负向极限承载力对应位移分别高出钉节点234.45%和121.01%。钉节点骨架曲线在达到荷载峰值后,随即下降,下降速率较快,而燕尾榫节点试件达到荷载峰值后,承载力以一定速率缓慢下降,延性更佳。

      图  9  钉节点、燕尾榫节点滞回曲线

      Figure 9.  Hysteresis curve of STS and dovetail connections

      图  10  钉节点、燕尾榫节点骨架曲线

      Figure 10.  Skeleton curve of STS and dovetail connections

      表 2  钉节点、燕尾榫节点力学性能参数表

      Table 2.  Mechanical properties and statistics of self-tapping screw and dovetail connections

      加载方向
      Loading direction
      试件组别
      Specimen
      最大承载力
      Maximum load/kN
      最大承载力对应位移
      Displacement of maximum load/mm
      极限承载力
      Ultimate load/kN
      极限位移
      Ultimate displacement/mm
      正向 Pushing 钉节点组
      STS connections
      16.87 4.29 13.50 7.43
      燕尾榫节点
      Dovetail
      connections
      93.72 8.00 74.98 24.85
      差值百分比
      Percentage of difference/%
      455.54 86.48 455.41 234.45
      负向 Pulling 钉节点组
      STS connections
      19.86 6.02 15.89 11.33
      燕尾榫组
      Dovetail
      connections
      66.48 9.20 63.86 25.04
      差值百分比
      Percentage of difference/%
      234.74 52.82 301.89 121.01

      分析滞回曲线,钉节点在加载第一阶段,荷载与位移基本保持线性关系,卸载残余变形极小,处于弹性受力阶段。第二阶段,滞回环展开,滑移与捏拢现象随加载位移的增大而加重,卸载时曲线近乎平行于纵轴,恢复变形量小;反向加载至约10 kN后,出现滑移长平台,直至发生较大反向位移后,荷载才开始增大。结合破坏过程分析该现象的主要原因为:横向板材的角部在自攻螺钉处开裂,并沿顺纹撕裂至完全脱离板材,使得当某一加载方向未达控制位移时,绝大部分自攻螺钉与木块并无相互作用,故仅需较小恢复变形即可完成卸载;当试件抵住并挤压自攻螺钉后,荷载才上升。燕尾榫节点在加载第一阶段也表现为弹性。在第二阶段,随着加载位移的不断增大,榫头与榫槽间空隙增加,榫卯节点松动,在曲线上体现为愈加明显的滑移现象,但与钉节点比较,燕尾榫节点的滑移现象有所改善。

    • 由下式计算等效刚度Ki(单位kN/mm):

      $ {K_i} = \frac{{\left| {F_i^ + } \right| + \left| {F_i^ - } \right|}}{{\left| {X_i^ + } \right| + \left| {X_i^ - } \right|}} $

      式中:Fi+Fi分别为i循环中正向和负向的最大荷载,单位为kN;Xi+Xi分别为i循环中正向和负向最大荷载对应位移,单位为mm。

      钉节点、燕尾榫节点试件刚度退化曲线如图11所示。由图11可知:

      图  11  钉节点、燕尾榫节点刚度退化曲线

      Figure 11.  Stiffness degradation curve of self-tapping screw and dovetail connections

      (1) 钉节点试件的刚度随加载次数增多而下降,刚度退化速率逐渐放缓,至试验结束时,刚度退化率为95.72%。

      (2) 燕尾榫节点刚度在加载初期有微小下降,随后刚度上升至最大,曲线在最大刚度附近稳定了一段时间后开始下降;试验结束时,刚度退化率为80.45%。

      (3) 燕尾榫节点刚度高于钉节点,其初始刚度高出钉节点1 297.68 kN/mm,除加载初期燕尾榫节点刚度下降段外,两者刚度差随加载位移的增大而减小;此外,燕尾榫节点最终的刚度退化率小于钉节点,刚度退化的速率相对较慢,维持刚度的能力相对较强。

    • 在位移控制的加载模式下,强度退化系数λ由下式确定:

      $ \lambda = \frac{{{P_{{\rm{min}}}}}}{{{P_{{\rm{max}}}}}} $

      式中:PminPmax分别为相同位移条件下,第三骨架曲线与第一骨架曲线的最大荷载值,单位为kN。

      钉节点、燕尾榫节点试件强度退化曲线如图12所示,由图12可知:

      图  12  钉节点、燕尾榫节点强度退化曲线

      Figure 12.  Strength degradation of self-tapping screw and dovetail connections

      (1) 两类节点正、负强度退化系数随加载位移的增大呈减小趋势,钉节点试件强度退化系数始终保持在0.7以上,燕尾榫节点试件强度退化系数始终保持在0.8以上。

      (2) 燕尾榫节点的强度退化系数曲线基本位于钉节点之上,说明燕尾榫节点强度退化速度较缓慢,在荷载的反复作用下,承受外力作用并维持强度的能力更强。

    • 耗能能力实为结构吸收并消耗能量的能力,以滞回曲线包围的面积来衡量。首先求出试件在不同控制位移下所有滞回环面积和,再计算每一控制位移下最后一个循环完成时的累计耗能与累计位移,最终得到累计耗能曲线(图13),由图13可知:

      图  13  钉节点、燕尾榫节点累计耗能曲线

      Figure 13.  Cumulative energy dissipation curve of self-tapping screw and dovetail connections

      (1)钉节点与燕尾榫节点的耗能能力均随加载位移的增大而增大,但随着位移的累加,燕尾榫节点耗能迅速增大,且累计位移越大,两者耗能之差也越大。

      (2)结合试验现象分析得到:燕尾榫节点优异的耗能能力源于榫头与横向板材的大幅变形,加载位移愈大,变形愈大,故滞回环耗能面积也愈大。钉节点试件在试验中无明显变形现象,猜测其耗能依靠自攻螺钉与木材间的摩擦,以及自攻螺钉在加载方向上的小幅度移动,正因如此,钉节点的耗能能力远不及燕尾榫节点。

    • (1) 破坏模式

      钉节点在单调与低周反复加载试验下的破坏模式有所不同。单调加载时,试件出现钉杆剪断、钉帽嵌入或拔出木块、钉槽挤压破坏等破坏现象,但在低周反复荷载作用下,疲劳荷载使节点产生了更为严重的破坏,并出现了横向板材角部的顺纹劈裂破坏,即单调加载试验节点失效的主要原因为自攻螺钉的破坏,而低周反复加载节点失效主要是因为木材的破坏。

      (2) 力学性能

      通过对比钉节点在单调荷载下的荷载–位移曲线与低周反复荷载下的平均骨架曲线(图14)可以得出:单调荷载与低周反复荷载作用下的钉节点最大承载力接近,分别为17.04、17.77 kN;但钉节点在两种荷载作用下的延性差异显著,单调荷载作用下的钉节点表现为高延性,而低周反复荷载作用下的钉节点表现出更高的刚度和较低的延性。

      图  14  钉节点在单调荷载下的荷载−位移曲线与低周反复荷载下的平均骨架曲线

      Figure 14.  Load-displacement curve and average skeleton curve of STS connections

    • (1) 破坏模式

      燕尾榫节点在单调试验与低周反复加载试验中的破坏模式相似,主要表现为横向板材的滚动剪切破坏、横向板材胶层开裂、竖向板材劈裂、榫头角部压碎和榫肩挤压变形。在低周反复荷载的作用下,上述破坏现象更加显著,并且由于榫头和卯口间的反复挤紧和松脱,榫头被轻微拔出。

      (2) 力学性能

      图15为燕尾榫节点在单调荷载下的荷载–位移曲线与低周反复荷载下的正负平均骨架曲线。在单调荷载下,节点的最大承载力为 70.46 kN,而在低周反复荷载下,节点的最大承载力略有提升,为79.56 kN。两曲线的形状和趋势相似,即燕尾榫节点在两种情况下的刚度、延性接近,这表明燕尾榫节点在不同荷载作用下均能较好地维持原有的刚度与延性,与前面得出的结论一致。

      图  15  燕尾榫节点在单调荷载下的荷载−位移曲线与低周反复荷载下的平均骨架曲线

      Figure 15.  Load-displacement curve and average skeleton curve of dovetail connections

    • 本研究通过单调加载和低周反复加载试验,研究并比较了自攻螺钉与燕尾榫两种墙体节点的力学性能,得到以下结论:

      (1) 钉节点试件在单调加载下,钉杆的剪断为节点失效的主要原因;而在低周反复加载下,横向板材连接处顺纹劈裂成为节点失效的主要原因,其次为钉杆的剪断。燕尾榫节点试件在单调加载与低周反复加载下,节点失效的主要原因均为横向板材中间层滚动剪切破坏,其次为竖向板材的中间层劈裂。

      (2) 燕尾榫节点的综合力学性能较钉节点有大幅提升。在单调试验中,钉节点延性虽略好于燕尾榫节点,但燕尾榫的耗能、屈服荷载、最大承载力和极限承载力更大,分别高出钉节点459.64%、370.80%、313.50%、305.87%。钉节点的延性在低周反复试验中降低,燕尾榫节点延性较好,并且燕尾榫节点的正向和负向加载的最大承载力、维持刚度的能力、保持强度的能力以及耗能均优于钉节点,其中,正向和负向加载的最大承载力分别提升了455.54%、234.74%。

      研究表明:加载中钉节点往往先于CLT材料发生破坏,而燕尾榫后于CLT发生破坏。燕尾榫节点更符合现代结构设计中“强节点弱构件”的设计理念,并且燕尾榫直接由CLT裁切而成,与构件融为一体,提升了结构体系的整体性。在较强荷载作用下,能更好地发挥出CLT材料与木结构建筑的优势。

      根据上述各项分析,可以得出在单调和低周反复荷载作用下,燕尾榫节点综合力学性能更佳的结论。

参考文献 (26)

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