木-混凝土組合梁栓釘剪力連接件疲勞性能研究

丁子淵，周俊康，陳摯翔

（中南林業科技大學，湖南長沙 410004）

0 引言

木-混凝土復合結構是近代興起的新型復合結構。其中木-混凝土組合梁上部結構為混凝土板，下部結構為木梁，結合面通過剪力連接件將兩部分連接成整體［1］，上部混凝土板在外部載荷下承壓，下部木梁受拉，提高了膠合木梁的強度和剛度，充分利用兩種材料的優異性能［2］。其次，傳統的混凝土結構污染大，抗震性能差，而木結構存在易燃、易腐蝕的缺點。木-混凝土組合梁則能夠充分彌補兩者的不足，具有環保、結構簡單、抗震性能優良的優點。但目前國內外對木-混凝土組合梁的研究僅停留在靜力研究階段，對疲勞性能的研究還只在理論階段，而木-混凝土組合結構中最重要的部分為剪力連接件，栓釘剪力連接件作為使用最廣泛的剪力連接件，對其研究能夠為木-混凝土結構的疲勞性能提供依據。

1 疲勞荷載計算

本研究中剪力推出件荷載計算是根據實際木-混凝土組合梁簡化模型進行的。本文參照文獻［3］得，單片梁尺寸l=2 m，混凝土板寬bc=0.24 m，混凝土板高hc=0.05 m，木梁寬bt=0.7 m，木梁高ht=0.16 m，混凝土彈性模量Ec=30 000 MPa，木梁彈性模量Et=8 000 MPa，混凝土容重γc=25 kN/m3，東北落葉松容重γt=6.89 kN/m3。

根據文獻［3］可得：恒載作用下主梁跨中彎矩M恒=1.56 kN·m，活載彎矩M活=7.92 kN·m，恒載及活載作用效果組合下彎矩M組=12.9 kN·m。

由材料力學［4］中簡支梁跨中彎矩可知：

式中：M為跨中彎矩；P為跨中集中力。

由結構力學中等效彎矩可知：集中荷載P恒=3.12kN；集中荷載P活=15.84kN；集中荷載P組=25.80kN。

2 疲勞試驗

2.1 模型制作

2.1.1 推出件試件制作

本次試驗模型木材選取東北落葉松，混凝土采用C30混凝土，兩個推出件試件的混凝土尺寸為400 mm×300mm×60mm，木塊尺寸為400mm×200mm×120mm。制作過程中在木材加工廠預制出木塊，木塊間膠水采用南京工業大學木-混凝土專用膠水。為保證螺栓與木塊之間的充分連接，制作時提前用11.5 mm鉆頭預鉆孔60 mm，再通過人工鑿錘的方式打入30 mm，使螺栓在木塊中的入木深度為90 mm。混凝土的澆筑采用機器攪拌加人工配比的方式制作C30混凝土。澆筑混凝土之前，在螺栓上粘貼沿螺栓方向的應變片以便在試驗過程中測量螺栓的應變。

2.1.2 組合梁試件制作

組合梁試件制作采用與推出件試件同樣的材料，木材采用東北落葉松，混凝土采用C30混凝土，具體尺寸如表1所示。

表1 組合梁試件主要參數

在制作過程中，同樣采取用11.5 mm鉆頭預打孔的形式，鉆孔深度為60 mm，人工鑿錘30 mm。組合梁中鋼筋及混凝土攪拌、澆灌均在中南林業科技大學實驗大廳內完成。

2.2 疲勞試驗

2.2.1 推出件疲勞試驗

本次推出件疲勞試驗采用等幅正弦波加載方式，試驗機器設置加載平率為5 Hz。兩個試件均進行200萬次疲勞循環荷載，疲勞上限值設置為0.4 Pu即15.88 kN，疲勞荷載下限值為0.05 Pu即1.92 kN。

疲勞試驗前分五級至疲勞荷載上限值Pmax進行預加載，以消除推出件與各儀器間的不良接觸，測驗各測量儀器是否正常工作。之后分五級卸載至零，觀察各測量儀器是否回到初始狀態。

正式加載時每3萬次停機一次檢查儀器設備情況，在循環次數為30萬次、60萬次、90萬次、120萬次、140萬次、160萬次、180萬次、200萬次時停機進行荷載上限為Pmax的靜力試驗，測量各測點應變、撓度、裂縫寬度及裂縫分布情況等數據。進行200萬次后對推出件進行破壞試驗。

根據30萬次、60萬次、90萬次、120萬次、140萬次、160萬次、180萬次、200萬次停機時測得的F1、F2荷載-位移曲線圖和荷載-應變曲線圖可以看出：推出件在循環荷載作用下，木塊會發生擠壓變形，螺栓與木塊之間會產生孔洞。停機時荷載在加載過程中會先使螺栓位移至接觸木塊再開始承力，使得曲線不是初始的一條直線而是呈現兩條折線狀。整體趨勢來看位移量隨循環次數增加而不斷增加，說明構件的剛度在不斷地減小，其中木塊和混凝土的剛度在加載過程中變化不大，主要為栓釘的剛度以及栓釘與木塊接觸的局部區域剛度呈下降趨勢。最終循環200萬次后破壞試驗的承載力分別為32 kN和30 kN，相較于靜力試驗測得的極限承載力38.9 kN下降了17.8%和22.9%，其中栓釘的強度下降約50%。

2.2.2 組合梁疲勞試驗

本次組合梁疲勞試驗過程均采用等幅正弦波加載方式，加載頻率取為5 Hz。通過模型分析得到本次組合梁疲勞壽命分別是200萬次和120萬次，試驗過程以力控制，設置疲勞荷載上限值分別為20 kN和44.8 kN，疲勞荷載下限值為4 kN。

在疲勞試驗前預先分三級施壓至疲勞荷載上限值Pmax，以消除支座之間的不良接觸，檢查測試儀表及各測點通道是否正常，然后分三級卸載至零，看各測試儀表是否回到初始狀態。

預加載完畢確認各儀器試件正常后開始進行疲勞試驗。試驗過程中設定FSCB-2在20萬次、47萬次、74萬次、101萬次、128萬次、155萬次、183萬次、200萬次停機，FSCB-3預定在5萬次、10萬次、29萬次、56萬次、83萬次停機，分別進行荷載上限為Pmax的靜力試驗，觀察靜力試驗的試驗現象，測量各測點應變、撓度、裂縫寬度及裂縫分布情況等數據。

對于組合梁FSCB-2隨著循環次數的增加，初期殘余變形逐漸增大，在47萬次時發生快速剛度退化，之后疲勞損傷積累變緩，導致剛度退化趨于平穩。當疲勞荷載加載到183萬次～200萬次時，沒有殘余變形，靜力變形量比155萬次時明顯減少。因木材材性屬多孔材料，在疲勞荷載作用下，木材中孔洞會因擠壓而壓實導致剛度有所提高。經過200萬次循環加載后組合梁未發生破壞，混凝土上可觀察到細微裂紋，敲開混凝土可觀察到栓釘存在細微的彎曲。

對于組合梁FSCB-3由于疲勞荷載幅值變大，前期整體梁的剛度退化速度更快，在56萬次時，變形速率開始放緩。疲勞荷載加載到100萬次時，木節處裂縫沿著梁長方向延伸，木梁拉斷，混凝土板上緣面出現一條明顯的縱向裂縫。

通過組合梁停機靜力試驗測得的各截面荷載-滑移曲線圖、荷載-應變曲線圖可得，在疲勞荷載作用下，木梁及混凝土板的荷載-應變基本上呈線性關系。組合梁FSCB-2在47萬次之前梁的疲勞損傷積累較快，之后疲勞損傷積累變緩。最后組合梁內木材部分孔洞會被壓實整體剛度會略微增加。組合梁FSCB-3因荷載幅值的增大，在29萬次之前疲勞損傷發生快速積累，之后隨著疲勞荷載的持續作用，同樣出現木材部分孔洞被壓實、整體剛度增加的現象，在100萬次時發生疲勞破壞。

總體來說，組合梁的疲勞損傷呈增加的趨勢。但在疲勞荷載的持續作用下，木材部分孔洞被壓實，剛度會略微增強。荷載幅值的增大，會加快疲勞損傷的積累。

3 有限元分析

有限元采用ANSYS Workbench分析軟件進行分析，模型中材料特性數值根據材性試驗數據取值。本文中栓釘有限元實體模型采用的是八邊形近似模擬。栓釘模型的裁剪需先建立一塊截面為邊長20 mm的正方形，長度120 mm的長方體模型，然后在表面上切出一個內接圓半徑為6 mm的八邊形，并將該八邊形逆時針旋轉22.5°，最終沿八邊形切割線貫通。本試驗中對木材、混凝土、栓釘的實體模型進行劃分網格時，均采用MultiZone（多區域法），這樣劃分的好處在于可以保證每個節點的網格線均是一一對應，以防出現不收斂的情況，同時這樣劃分能夠減少網格線，使模型運算的速度更快，方便調試有限元模型。

根據模型分析板塊中的疲勞分析板塊可以得出疲勞壽命云圖，通過疲勞壽命云圖可以觀察到在疲勞荷載作用下，推出件中栓釘在木塊與混凝土交界處部分最先發生疲勞破壞，且附近木塊也出現破壞現象，整體為局部破壞。組合梁在支座處的剪力連接件最先發生疲勞失效。

4 結語

本文通過栓釘剪力連接件推出件疲勞試驗和木-混凝土組合梁疲勞試驗，得出木-混凝土組合梁在承受疲勞荷載時，支座處的剪力連接件最先失效，木梁與混凝土板發生分離導致跨中木梁缺陷處應力集中發生受拉破壞。由此說明木-混組合梁支座處的剪力連接件力學性能對組合梁整體性能起關鍵作用。

在推出件的疲勞性能試驗中可發現，推出件在承受疲勞荷載時，木塊與混凝土的交界面上，螺栓會因應力集中而發生變形，木塊會產生局部擠壓變形，整個構件會發生局部破壞但不會發生結構破壞。在循環200萬次之后，推出件的剛度分別下降了17.8%和22.9%，其中栓釘的強度下降約50%。栓釘的強度和栓釘與木塊間的連接件力對剪力連接件的力學性能起關鍵作用。