基于螺栓連接的木-輕集料混凝土構(gòu)件剪切研究

胡亞風(fēng)， 魏 洋, 王 彤， 趙龍龍

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京210037)

基于螺栓連接的木-輕集料混凝土構(gòu)件剪切研究

胡亞風(fēng)， 魏 洋, 王 彤， 趙龍龍

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京210037)

為研究螺栓連接件連接的木-輕集料混凝土試件抵抗推出剪切的能力，設(shè)計(jì)了32組96個(gè)螺栓連接件連接的木-輕集料混凝土試件，采用電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)及TDS數(shù)據(jù)采集儀等設(shè)備進(jìn)行了靜載推出試驗(yàn)。結(jié)果表明：螺栓型剪力連接件的螺栓多于2根后，剪切破壞模式屬于脆性破壞；螺栓根數(shù)相同時(shí)，LC20等級(jí)的輕集料混凝土連接件推出變形延性系數(shù)大；考慮試件極限位移、極限承載力性能，使用2根φ8 mm或φ10 mm直徑的螺栓及LC30等級(jí)的輕集料混凝土?xí)r，綜合性能最佳。試驗(yàn)成果對(duì)木材與輕集料混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用等提供一定的參考價(jià)值。

螺栓連接件； 木材； 輕集料混凝土； 復(fù)合連接件； 荷載-滑移關(guān)系

0 引 言

木材是世界主要工業(yè)的原材料之一，也是其中唯一能再生的資源；只要科學(xué)經(jīng)營、合理采伐，木材就取之不盡，用之不竭[1]。近年來，木結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用伴隨著高效膠黏劑的發(fā)展有了長足的進(jìn)步，已從天然木材結(jié)構(gòu)發(fā)展到平行、層疊、定向木片膠合木結(jié)構(gòu)[2]；木材加工制作實(shí)現(xiàn)工廠機(jī)械化流水線生產(chǎn)，木與木連接方式從傳統(tǒng)螺栓、釘連接演化發(fā)展到?jīng)_壓齒板連接[3-4]及充分考慮膠入鋼材的變形特性等[5]，極大地拓展了木基復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。木材與輕集料混凝土的密度較小，成型后的組合結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)質(zhì)量輕、安裝也方便。但是，當(dāng)前關(guān)于木-輕集料混凝土組合的相關(guān)研究不多，而木-混凝土組合作為一種結(jié)構(gòu)技術(shù)，開始在已有樓面體系或者新結(jié)構(gòu)的防火、增加強(qiáng)度或增大剛度工程中得到應(yīng)用。如Gerard[6]針對(duì)預(yù)應(yīng)力木-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)連接件耐火性能進(jìn)行了研究；O′Neill[7]研究了木-混凝土復(fù)合地板在火災(zāi)中的力學(xué)演化特征；Fragiacomo等[8]研究了木-混凝土組合梁的長期行為，并對(duì)組合梁長期性能提供了簡(jiǎn)化的評(píng)價(jià)方法，同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)對(duì)木-混組合樓板與預(yù)制混凝土的時(shí)變行為[9]以及組合樓板在長期荷載作用下的剪力件連接性能[10]進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；通常，它以鋼質(zhì)材料作為連接件植入到被復(fù)合的木材和混凝土材料中，這樣，復(fù)合結(jié)構(gòu)體系在承受剪切或彎曲作用時(shí)，連接件能夠提供足夠的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，并且連接件也起到抵抗混凝土裂縫的開展的作用[11]。這些鋼質(zhì)連接件分為：柔性連接件(包括釘、螺釘、螺栓)和剛性連接件(主要是帶孔的鋼板)。木-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有較大的單位承載能力，彈性、韌性好，能承受沖擊和震動(dòng)作用[12-17]，木與混凝土用可靠的剪力件連接[18-19]共同作用，承載能力是傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的3倍，抗彎剛度是傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的6倍。

本文分別設(shè)計(jì)了布置1根、2根和3根螺栓情形的木-輕集料混凝土連接件，通過試驗(yàn)研究了推出過程中試件的極限變形、極限承載力及延性系數(shù)等。

1 試 驗(yàn)

當(dāng)前，我國木材市場(chǎng)提供的松木以俄羅斯進(jìn)口的樟子松最為常見。通過碳化、防腐等加工，木材在力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)尺寸上能夠適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的建設(shè)需要。本試驗(yàn)用樟子松型材的順紋抗拉強(qiáng)度137.2 MPa，抗彎強(qiáng)度86 MPa，彈性模量12.5 GPa，優(yōu)于一般結(jié)構(gòu)用的杉木和闊葉類木材的強(qiáng)度。試驗(yàn)用輕集料混凝土采用湖北宜昌產(chǎn)的0.6～20 mm連續(xù)級(jí)配頁巖陶粒和贛江產(chǎn)II區(qū)中砂組成的砂輕集料，水泥為海螺牌P·II型硅酸鹽水泥，減水劑為JM-8聚羧酸型等原材料拌制而成。試驗(yàn)用螺栓為江蘇泰州產(chǎn)奧氏體304不銹鋼螺栓，其拉伸強(qiáng)度為720 MPa，彈性模量195.3 GPa。剪切試驗(yàn)用木材從定制的木梁上截取，長度為360 mm，截面為140 mm×70 mm，含水率控制在15%左右。試驗(yàn)采用推出剪切的方法，通過改變輕集料混凝土強(qiáng)度、螺栓直徑及螺栓排列間距等因素(見表1)，共設(shè)計(jì)了32組96個(gè)試件，每個(gè)試件由1塊木板和2塊輕集料混凝土板組成，木板位于中間位置，輕集料混凝土板對(duì)稱布置于木板的兩側(cè)，并與木板通過螺栓連接件連接(見圖1)。

表1 試件參數(shù)表

(a) 1根螺栓

(b) 2根螺栓

(c) 3根螺栓

圖1 剪力連接件尺寸及螺栓布置 (mm)

表1中各類連接件在木-輕集料混凝土的界面處布置的螺栓等級(jí)為70級(jí)，螺栓通過鉆孔植筋(即鉆孔孔徑比螺栓直徑小1 mm，后機(jī)械楔入的方法把螺栓穿入木材中)，其中螺栓埋入輕集料混凝土深度為50 mm。剪力連接件的主要制作過程如圖2所示，其參數(shù)尺寸見表1。試驗(yàn)所用輕集料混凝土立方體28 d抗壓強(qiáng)度分別是：LC20型22.21 MPa和LC30型30.3 MPa。

剪切試驗(yàn)加載裝置采用電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，首先預(yù)壓2～5 kN，檢查位移、力信號(hào)在TDS采集儀上是否正常；剪切試驗(yàn)采用位移控制，加載速度為1 mm/min，接近破壞時(shí)改為0.5 mm/min直到試件完全剪裂失穩(wěn)破壞。試驗(yàn)過程中記錄木-輕集料混凝土連接件上、中、下3處界面的荷載-滑移關(guān)系、限承載力與推出變形、試件加載和破壞過程中的形態(tài)等，位移測(cè)量計(jì)布置于木與混凝土的界面處，每個(gè)試件布置6個(gè)電測(cè)位移計(jì)，分別測(cè)量試件竹材的上部(距離上邊緣50 mm)、中部、底端(距離底邊緣50 mm)與輕集料混凝土界面的相對(duì)滑移變形量(見圖3 )，位移計(jì)的底座統(tǒng)一固定于50 mm厚的鋼板上。

(a) 連接用螺栓

(b) 連接件澆筑前的情景

(c) 連接件澆筑成型(部分)

圖2 剪力連接件制作主要過程

(a) 試驗(yàn)加載裝置

(b) 測(cè)量裝置布置示意圖

圖3(b)中標(biāo)識(shí)的1和2為測(cè)量連接件上邊緣的電測(cè)位移計(jì)，3和4為測(cè)量連接件下邊緣的電測(cè)位移計(jì)(布置在另一面)，5和6為測(cè)量連接件中部的電測(cè)位移計(jì)

圖3 測(cè)量與加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞模式

對(duì)于1根螺栓連接(編號(hào)A、D、G)的試件，當(dāng)荷載值不超過極限荷載時(shí)，輕集料混凝土外觀無明顯裂縫。到達(dá)極限荷載后，隨著塑性變形的增大，在輕集料混凝土的中間部位(螺栓位置)首先出現(xiàn)細(xì)微的橫向裂紋，不久產(chǎn)生豎向裂紋，豎紋方向近似垂直于螺栓。繼續(xù)加載，橫向裂紋變寬，豎向裂紋逐漸往上往木材與輕集料混凝土界面處延伸，往下向支座外側(cè)邊緣處延伸。隨著荷載的持續(xù)，木材與輕集料混凝土的上、下邊緣發(fā)生了顯著的豎向相對(duì)位移(見圖4(a))，試件側(cè)面無輕集料混凝土塊剝落等破壞現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)木材與輕集料混凝土有分離現(xiàn)象，整個(gè)推出試驗(yàn)過程沒有發(fā)生劇烈的破壞反應(yīng)，破壞模式屬于延性破壞。

對(duì)于2根螺栓連接(編號(hào)B、E、H)試件，當(dāng)荷載值不超過極限荷載的40%時(shí)，整個(gè)試件的外觀無顯著變化，木材與輕集料混凝土的黏結(jié)界面幾乎無豎向的相對(duì)位移。當(dāng)荷載加載至極限荷載的80%時(shí)，試件的輕集料混凝土在螺栓連接件處分別出現(xiàn)橫向裂紋，隨著荷載的增加，下邊的橫向裂縫逐漸延伸，并且輕集料混凝土出現(xiàn)貫穿兩道橫向裂紋的斜裂紋，斜裂紋和橫向裂紋組合成一個(gè)楔形向混凝土外邊緣延伸并穩(wěn)定下來，最終試件由于輕集料混凝土在支座部分的破壞而失穩(wěn)破壞(見圖4(b))。從受力機(jī)理上分析，試件的破壞是由于輕集料混凝土受螺栓剪應(yīng)力效應(yīng)而產(chǎn)生主拉應(yīng)力，引起輕集料混凝土斜剪破壞，破壞過程發(fā)展迅速，破壞模式屬于脆性破壞。

(a) 1根螺栓

(b) 2根螺栓

(c) 3根螺栓

圖4 試件典型剪切破壞形態(tài)

對(duì)于3根螺栓連接的(編號(hào)C、F)試件，試件破壞始于螺栓連接件處輕集料混凝土部分的斜裂縫開展。斜裂縫擴(kuò)展隨荷載增大而發(fā)展迅猛，在加載的后期，試件的木材與輕集料混凝土發(fā)生明顯的垂直分離現(xiàn)象(見圖4(c))，其破壞機(jī)理是輕集料混凝土中螺栓排列緊密，由于推出剪切應(yīng)力與垂直界面方向的拉應(yīng)力共同作用，且剪切應(yīng)力為主導(dǎo)控制作用力，這樣在螺栓深入混凝土深度只有50 mm，其深度對(duì)斜裂縫開展未能起到有效的約束作用，因此，破壞模式也是剪切脆性破壞。

2.2 荷載-滑移曲線

根據(jù)32組(96根)木-輕集料混凝土螺栓接件復(fù)合剪切試件的剪切試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)在試件中使用1根、2根及3根螺栓的情況下：① 從圖5的(a)～(c)、(d)～(f)及(g)～(h)分別可以看出，減小螺栓間距并且提高輕集料混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，能較大地提高連木-輕集料混凝土螺栓接件的抗剪能力(極限承載力從30 kN增加到50 kN)；② 從圖5的(a)～(h)中還可以看出，LC20強(qiáng)度等級(jí)輕集料混凝土抗剪連接件，在沒有螺母的情況下，會(huì)出現(xiàn)抗剪極限承載力會(huì)比有螺母的連接件承載力低的現(xiàn)象；對(duì)于LC30強(qiáng)度等級(jí)輕集料混凝土抗剪連接件，當(dāng)使用1根、3根螺栓時(shí)，無螺母的連接件承載力比有螺母的連接件承載力大，當(dāng)使用2根螺栓時(shí)情況恰好相反。

對(duì)于螺栓直徑相同，根數(shù)不同情形下的剪切連接件：① 如圖5的(a)～(c)所示，使用直徑8 mm的螺栓復(fù)合連接件試驗(yàn)：在抗剪切能力方面，2根螺栓的剪切件承載力即可達(dá)極值，其中，螺栓根數(shù)對(duì)LC20等級(jí)的輕集料混凝土復(fù)合剪切件承載力影響不大，而對(duì)LC30等級(jí)的輕集料混凝土復(fù)合剪切件承載力顯著提高；在抗推出變形方面，螺栓根數(shù)增加，最大承載力處的推出變形也減小，并且隨輕集料混凝土強(qiáng)度等級(jí)高，變形減小的趨勢(shì)更加顯著。② 如圖5的(d)～(f)所示，使用直徑10 mm的螺栓復(fù)合連接件推出試驗(yàn)：螺栓根數(shù)增加，LC20輕集料混凝土復(fù)合剪切連接件的承載能力逐步提高現(xiàn)象；而LC30輕集料混凝土復(fù)合剪切連接件，當(dāng)螺栓根數(shù)達(dá)兩根時(shí)，剪切連接件的承載能力已經(jīng)不在增加。在推出位移方面，LC30型輕集料混凝土的連接件比LC20型輕集料混凝土的連接件抗剪切推出變形大，且有螺母的試件抗變形能力也強(qiáng)。③ 如圖5的(g)～(h)所示，使用直徑12 mm的螺栓后，復(fù)合連接件推出過程中：當(dāng)使用1根螺栓時(shí)，混凝土強(qiáng)度的增大對(duì)連接件的抗極限推出承載力基本沒有影響，當(dāng)螺栓為2根時(shí)，承載能力隨混凝土強(qiáng)度的增加而顯著增大。在抗推出變形方面，使用直徑12 mm的螺栓后，復(fù)合連接件在極限承載力處的推出位移基本上在(7±1)mm之間。

對(duì)于螺栓根數(shù)相同，而直徑不同的剪力連接件，可以得出如下結(jié)論：① 如圖5中(a)、(d)和(g)所示，當(dāng)只有1根螺栓時(shí)，復(fù)合連接件的極限承載能力隨螺栓直徑的增加基本沒有變化，維持在30 kN左右；但是在螺栓直徑增大的過程中，推出位移變化量與混凝土強(qiáng)度相關(guān)，其中，LC20型混凝土推出位移逐步降低，LC30型混凝土推出位移則先稍稍增加，再顯著降低。② 如圖5中(b)、(e)和(h)所示，當(dāng)使用2根螺栓后，隨著螺栓直徑的增大，對(duì)于LC20型混凝土，推出承載能力先增加再減小，推出位移變化量也有相同的規(guī)律；而對(duì)于LC30型混凝土，推出承載能力基本沒有變化，φ8 mm，φ10 mm螺栓連接件的推出位移約為10 mm，φ12 mm螺栓連接件的推出位移則只有6 mm。③ 如圖5中(c)、(f)所示，當(dāng)復(fù)合連接件使用3根同直徑的螺栓后，當(dāng)螺栓直徑從φ8 mm變成φ10 mm，對(duì)于LC20型混凝土的復(fù)合剪切件，抗推出承載能力增加10 kN，推出變形量降低2 mm；對(duì)于LC30型混凝土的復(fù)合剪切件，抗承載能力沒有顯著變化，但是推出變形量升高2 mm。

2.3 結(jié)果分析

從圖5可以看出，帶螺母的鏈接件制作的試件在推出過程中承載能力比沒有螺母時(shí)要好一些。以下著重分析、研究木材與LC20、LC30輕集料混凝土帶螺母的螺栓連接件試件的試驗(yàn)情況；主要試驗(yàn)結(jié)果見表2。

(a) 1根φ8 mm螺栓

(b) 2根φ8 mm螺栓

(c) 3根φ8 mm螺栓

(d) 1根φ10 mm螺栓

(e) 2根φ10 mm螺栓

(f) 3根φ10 mm螺栓

(g) 1根φ12 mm螺栓

(h) 2根φ12 mm螺栓

圖5 荷載-滑移量關(guān)系圖

注：圖中LC20Y，LC20N，LC30Y，LC30N含義：LC20、LC30為20 MPa和30 MPa等級(jí)的輕集料混凝土；Y，N表示螺栓有螺母和無螺母。各點(diǎn)數(shù)據(jù)為平行3個(gè)試件的均值

表2 帶螺母螺栓連接件的試件推出試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見，LC20等級(jí)的輕集料混凝土螺栓連接件，推出試驗(yàn)極限承載力在25.98～49.21 kN，對(duì)應(yīng)極限位移在5.57～12.14 mm；而LC30等級(jí)的輕集料混凝土螺栓連接件，推出試驗(yàn)極限承載力在27.36～61.61 kN，對(duì)應(yīng)極限位移在4.92～15.68 mm。LC20輕集料混凝土，螺栓間距為150 mm采用φ12 mm螺栓連接件的試件極限承載力最低，LC30輕集料混凝土，螺栓間距為150 mm，采用φ8 mm螺栓連接件的試件極限承載力最高。對(duì)比極限位移，使用1根φ8 mm螺栓型連接件的極限位移高達(dá)15.68 mm，使用3根φ10 mm螺栓型連接件的極限位移僅僅4.92 mm，極限位移相差近3倍；從延性系數(shù)分析來看，LC20輕集料混凝土，螺栓間距>150 mm，采用φ10 mm螺栓連接件的試件延性系數(shù)達(dá)到5.02，其他螺栓型連接件的延性系數(shù)僅僅1.51～3.08之間。對(duì)比各類試件不同受力階段的抗剪剛度，對(duì)應(yīng)極限荷載40%、60%、80%時(shí)的Ks,0.4、Ks,0.6和Ks,0.8表現(xiàn)出的割線剛度差別不顯著。

3 結(jié) 論

通過對(duì)32組不同類型的木-輕集料混凝土剪力連接件的推出試驗(yàn)，分析得出不同連接方式的試件破壞形態(tài)和荷載-滑移曲線的變化規(guī)律，可以得到以下結(jié)論：

(1) 螺栓型剪力連接件的破壞模式與使用的螺栓根數(shù)有關(guān)，采用1根螺栓時(shí)屬于延性破壞，采用2根和3根時(shí)，破壞模式屬于脆性破壞。

(2) 螺栓型剪切件推出荷載-滑移曲線存在完全塑性階段，在達(dá)到峰值荷載后仍具有極大的滑移變形能力。

(3) 剪切件極限位移、極限承載力在使用兩根φ8 mm或φ10 mm型號(hào)螺栓、輕集料混凝土強(qiáng)度為30 MPa的時(shí)，性能最佳。

(4) 采用1根φ10 mm螺栓連接件的LC20輕集料混凝土剪切件延性系數(shù)最大達(dá)5.02。

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An Experimental Study on the Shear Test of Wood-lightweight Aggregate Concrete by Bolted Joint

HU Yafeng， WEI Yang， WANG Tong， ZHAO Longlong

(College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

In order to study the shear effect of wood-lightweight aggregate concrete specimens connected by bolt keys, static load tests were carried out on 96 sets of 32 types wood-lightweight aggregate concrete shear connectors with electro-hydraulic servo universal tester and TDS data collecting machine. The test results showed when two more bolts were used, shear failure mode of the connectors, belongs to brittle failure; if the bolts were arranged equally, the ductility coefficient of the low intensity of lightweight aggregate concrete LC20 increases and fits out deformation. Considering specimen limit displacement and applying bearing capacities of comprehensive performance, we could get the best performance by the using two ofφ8 orφ10 type bolts and the intensity of lightweight aggregate concrete is 30 MPa. The results of the study provide reference values for the design and application of wood and lightweight aggregate concrete composite structure.

bolted joints composite structure; wood; lightweight aggregate concrete; composite structure; load-slip relationship

2016-11-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51208262);江蘇省自然科學(xué)基金(BK20151520);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

胡亞風(fēng)(1980-),男，安徽六安人，博士生,研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)理論與運(yùn)用。

Tel.:025-58427752; E-mail:hill_hu_2003@163.com

魏 洋(1978-),男，安徽合肥人，教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樾滦筒牧吓c結(jié)構(gòu)。

Tel.:025-85427747; E-mail:wy78@njfu.edu.cn

TU 375.3

A

1006-7167(2017)08-0034-06