木-混凝土組合梁螺釘連接件受力性能及計算方法研究*

江雨辰， 胡夏閩

(1 無錫太湖學院土木工程學院， 無錫 214064； 2 南京工業大學土木工程學院， 南京 211816)

0 引言

木-混凝土組合梁是一種新型的組合構件，木梁通過可靠的抗剪連接件體系與混凝土板連接成一個整體，共同受力(圖1)。與純木樓蓋相比，木-混凝土組合梁的承載能力和剛度顯著提高，具有更好的抗火、隔音和振動性能，更容易滿足樓蓋的舒適度要求?？辜暨B接件是傳遞木梁與混凝土板之間縱向剪力，保證兩者共同工作的關鍵部件，其抗剪性能對木-混凝土組合梁的抗彎承載力和抗彎剛度有著重要的影響[1-3]。

圖1 木-混凝土組合梁截面示意圖

釘類連接件施工簡便、成本較低，并且具有較好的延性，在木-混凝土組合結構中得到廣泛的研究和應用[2-3]。1993年，Ahmadi等[4]通過試驗研究了釘類連接件(普通木釘、螺釘、螺栓)嵌入木材的深度對其抗剪承載力的影響，結果表明：釘類連接件的抗剪承載力隨其嵌入木材深度的增加而增大，但是當嵌入深度超過11倍的釘桿直徑，連接件的承載力就不再增大。1999年，Gelfi等[5]通過對栓釘連接件抗剪性能的研究，得到了與Ahmadi等相類似的結論。2005年，Dias[6]開展了一系列的釘類連接件推出試驗研究，發現連接件的形狀以及材料特性對其抗剪承載力有重要的影響。2007年，Fragiacomo等[7-8]對采用普通混凝土和輕骨料混凝土的栓釘連接件的抗剪性能進行對比，結果發現混凝土類型對栓釘連接件的短期和長期性能均沒有明顯的影響。2010年，Jorge等[9]通過推出試驗研究了一種特殊緊固螺釘(SFS)連接件的抗剪性能，重點評估了混凝土類別和螺釘直徑對連接件抗剪性能的影響，結果表明：SFS連接件的抗剪承載力和剛度隨螺釘直徑的增大而增大；SFS在輕骨料混凝土中的抗剪承載力較在普通混凝土中明顯降低，而剛度基本一致。2012年，Khorsandnia等[10]對3種木-混凝土釘類連接件(普通螺釘、SFS和六角螺釘)進行了推出試驗研究，并通過非線性回歸建立了3種連接件的荷載-滑移曲線表達式。2016年，江雨辰等[11]通過推出試驗研究了螺釘直徑、螺釘嵌入長細比、混凝土強度以及螺釘布置方式等因素對螺釘連接件抗剪承載力的影響。結果表明：螺釘連接件抗剪承載力隨螺釘直徑的增大而增大；螺釘連接件抗剪承載力隨螺釘嵌入木材部分長細比的增大而增大，但增長幅度趨于平緩；混凝土強度和螺釘布置方式對抗剪承載力的影響很小。

我國擁有豐富的竹材資源，近年來，與木-混凝土組合梁相類似的竹-混凝土組合梁得到較多的研究，相關研究成果可為木-混凝土組合梁釘類連接件的研究和應用提供借鑒。2015年，俞宏等[12]通過推出試驗研究了螺釘直徑、釘入角度、順紋方向排列間距對竹-混凝土螺釘連接件抗剪承載能力的影響，并提出其抗剪承載能力和抗剪剛度的計算公式。研究發現：螺釘的抗剪承載能力隨著螺釘直徑的增大有明顯的增加；當螺釘處于拉剪狀態時，其承載能力最大；螺釘沿受力方向的排列間距對連接件抗剪承載能力的影響不大。魏洋等[13]對膠合竹-混凝土螺栓連接件的抗剪性能進行了試驗及理論研究，并在試驗的基礎上提出了銷栓連接件的荷載-滑移曲線模型。結果表明：銷栓連接件的延性較好，其荷載-滑移曲線可分為彈性、彈塑性、完全塑性3個階段。單波等[14]采用植筋螺栓作為連接件，對6組膠合竹-混凝土推出試件進行了試驗研究，結果表明：推出試件的主要破壞模式為膠合竹材在螺桿局部擠脹作用下的縱向開裂，同時螺栓在膠合竹材內部產生明顯的彎折變形；螺栓連接件的抗剪性能隨著螺桿直徑的增大而增強，但提高效應呈遞減趨勢。

使用輕骨料混凝土代替普通混凝土可以進一步減輕木-混凝土組合樓蓋的自重，減小上層建筑對基礎的壓力，并且有效地降低地震作用。然而，根據現有研究成果，使用輕骨料混凝土代替普通混凝土對螺釘連接件抗剪性能的影響還未有定論。鑒于此，筆者通過推出試驗，研究了螺釘連接件在輕骨料混凝土中的破壞模式和受力機理；對比螺釘連接件在普通混凝土和輕骨料混凝土中受力性能的差異；分析在輕骨料混凝土中螺釘直徑對連接件抗剪性能的影響。此外，通過分析螺釘的實際受力狀態，建立了木-混凝土螺釘連接件抗剪承載力的理論計算模型。

1 推出試驗研究

1.1 試件設計

推出試件參數 表1

圖2 推出試件尺寸/mm

推出試件中的木構件采用平均含水率w為13.30%，平均氣干密度ρ為0.54g/cm3的花旗松膠合木。根據材性試驗結果，花旗松膠合木的順紋抗壓強度為43.47MPa，順紋方向彈性模量為10 680MPa，螺釘在木材中的嵌入強度為39.6MPa；六角木螺釘的屈服強度為360MPa，極限抗拉強度為450MPa；強度等級為C30和LC30(輕骨料)混凝土的立方體抗壓強度平均值分別為29.2，28.7MPa。

1.2 加載方案及測點布置

螺釘連接件推出試件采用20t萬能試驗機進行加載。如圖3所示，在推出試件兩側的混凝土板底墊橡膠墊，以確保混凝土板與臺面緊密接觸，防止混凝土板底部不平整而造成應力集中。在木構件頂部設置鋼墊板，將壓力傳感器的集中荷載轉換為均布荷載。在推出試件兩側對稱位置各安裝一個位移計，監測試驗過程中膠合木與混凝土之間的相對滑移。

圖3 推出試驗加載裝置

推出試驗按照規范EN 26891∶1991[15]中的加載制度(圖4)進行加載，其中Fest為推出試件的預估極限荷載,t為時間，Fest主要來自經驗估計和公式計算。在達到70%的預估極限荷載之前，加載由力控制，在達到70%的預估極限荷載之后，加載由位移控制，直至試件破壞。若試驗結果與預估極限荷載的偏差超過20%，則需要重新定義預估極限荷載。

圖4 推出試驗加載制度

1.3 試驗結果及分析

1.3.1 試驗現象及破壞模式

從開始加載到最終喪失承載力，4組推出試件的混凝土板基本保持完好。按照設計預期，螺釘連接件均發生雙鉸彎曲破壞(圖5(a))。其中，采用直徑為8mm的螺釘時，兩根螺釘都在塑性鉸處發生斷裂(試件LC-S-3a除外)；采用直徑為10mm的螺釘時，其中一根螺釘在塑性鉸處發生斷裂。通過觀察發現，螺釘斷裂面有明顯的頸縮現象(圖5(b))，這說明螺釘發生拉彎破壞。試件LS-S-3a由于加載偏心，混凝土板與木梁過早地分離，導致承載力較低。螺釘連接件推出試驗的主要結果見表2。可以看出，螺釘連接件在喪失承載力時滑移值較大，具有較好的延性。

圖5 螺釘連接件破壞現象

螺釘連接件推出試驗結果 表2

對比試件組NC-S-1和試件組LS-S-1可以發現，使用輕骨料混凝土代替普通混凝土對螺釘連接件的受力性能沒有明顯影響。在木-混凝土螺釘連接件中，混凝土的彈性模量遠大于木材的彈性模量，螺釘在混凝土中的嵌入強度(側限抗壓強度)也遠大于在木材中的嵌入強度，連接件的承載力和剛度主要由其幾何尺寸以及木材和螺釘的材料性能控制。

對比試件組LC-S-1～LC-S-3可以發現，螺釘直徑對螺釘受力性能有顯著的影響。隨著螺釘直徑的增加，螺釘連接件的承載力和剛度明顯增大。

1.3.2 荷載-滑移特性

荷載-滑移曲線可以直觀地反映螺釘連接件的承載力、剛度和延性等性能指標，也是分析界面滑移對木-混凝土組合梁受力性能影響的重要依據。圖6為4組螺釘連接件的荷載-滑移曲線，從中可以看出，螺釘連接件的荷載-滑移曲線在加載初期為線性增長關系，隨著荷載增加，滑移增長速度明顯大于荷載增長速度，荷載-滑移曲線呈明顯非線性。此外，螺釘連接件發生破壞時，滑移值均較大，具有良好的延性。需要指出的是，試件LC-S-3a混凝土板與木梁過早分離，位移計發生脫落，未能采集到完整的滑移數據。

圖6 螺釘連接件荷載-滑移曲線

2 抗剪承載力計算

2.1 歐洲規范計算方法

歐洲規范EN 1995-1-1[16]基于Johansen屈服理論[17]，給出了木-木連接和鋼-木連接的螺釘連接件抗剪承載力計算方法。然而，歐洲規范EN 1995-1-1中并沒有給出木-混凝土螺釘連接件抗剪承載力計算公式。若混凝土被假設為剛體，則鋼-木連接的計算公式可以被用來近似計算木-混凝土螺釘連接件的抗剪承載力。在這種情況下，發生雙鉸彎曲破壞的螺釘連接件承載力Fu計算公式為：

(1)

式中：My為螺釘的屈服彎矩；fh為螺釘在木材中的嵌入強度；d為螺桿直徑；Fax為螺釘在木材中的抗拔承載力，可按以下公式進行計算[14]：

Fax,α=nef(πdlef)0.8fax,α

(2)

(3)

式中：Fax,α為螺釘與木材順紋方向呈α角的抗拔承載力；nef為有效螺釘個數；lef為螺釘在木材中的有效嵌入深度；fax,α為螺釘與木材順紋方向呈α角的抗拔強度；ρ為木材的氣干密度。

若假設混凝土為彈塑性材料，則可以利用木-木連接件的計算公式來確定木-混凝土螺釘連接件的抗剪承載力。此時，雙鉸彎曲破壞模式所對應的螺釘連接件抗剪承載力計算公式為[16]：

(4)

式中β=fh,c/fh,t，其中fh,c，fh,t分別為螺釘在混凝土和木材中的嵌入強度，根據混凝土在螺釘作用下的受力特性，fh,c可以取混凝土局部抗壓強度，混凝土局部抗壓強度則可根據CEB-FIP中的計算公式確定[8]。

2.2 本文計算方法

歐洲規范EN 1995-1-1中，無論是木-木連接還是鋼-木連接的螺釘連接件抗剪承載力計算公式，都是基于經驗來估算螺釘抗拔效應對抗剪承載力的貢獻，這往往與螺釘連接件的實際受力特性存在差異。本文對螺釘連接件的實際受力狀態進行分析，建立了如圖7所示的螺釘連接件雙鉸彎曲破壞力學模型。取嵌入木材部分的螺釘進行受力分析，螺釘的屈服彎矩My可以表示為：

(5)

則：

(6)

式中：x為螺釘在木材中的塑性鉸到木-混凝土交界面的距離；α為螺桿變形后與木材順紋方向的夾角。

圖7 雙鉸彎曲破壞模式螺釘連接件抗剪承載力計算模型

根據平衡條件，雙鉸彎曲破壞模式下的螺釘連接件抗剪承載力可以表示為：

Fu=Tucosα+Vusinα

(7)

Tu=faxdlef

(8)

(9)

式中：Tu，Vu分別為螺釘在與螺桿平行和垂直方向的分力；fax為螺釘在木材中的抗拔強度。

將式(6)，(8)和(9)代入式(7)則有：

(10)

根據螺釘連接件推出試驗結果，達到極限承載力時，螺桿與木材順紋方向的夾角α約為70°～75°,本文保守取α=75°，則螺釘連接件抗剪承載力可以表示為：

(11)

2.3 計算結果對比

將本文提出的計算公式以及歐洲規范EN 1995-1-1計算公式的理論值與試驗值進行對比，結果如圖8所示。其中，試驗數據來源于本文螺釘連接件以及文獻[11]中發生雙鉸彎曲破壞的螺釘連接件。P1，P2，P3分別為公式(1)，(4)和(11)的計算結果。由圖8可以看出，歐洲規范EN 1995-1-1中的計算方法低估了螺釘連接件的承載力，而本文計算公式的計算值和試驗值吻合良好，兩者之比的平均值為0.98，離散系數為7.5%，本文公式可以更加準確地預測螺釘連接件發生雙鉸彎曲破壞時的抗剪承載力。

圖8 螺釘連接件抗剪承載力試驗值與理論值對比

3 結論

通過4組木-混凝土組合梁螺釘連接件的推出試驗，重點研究了混凝土種類和螺釘直徑對螺釘連接件抗剪性能的影響。在對螺釘的實際受力狀態進行分析的基礎上，建立了木-混凝土螺釘連接件抗剪承載力的理論計算模型，并與現有計算理論進行比較。主要得到以下兩點結論：

(1)使用輕骨料混凝土代替普通混凝土對螺釘連接件的受力性能沒有明顯影響，螺釘連接件的承載力和剛度主要由其幾何尺寸以及木材和螺釘的材料性能控制；隨著螺釘直徑的增大，螺釘連接件的承載力和剛度顯著提高。

(2)歐洲規范EN 1995-1-1中的計算方法低估了木-混凝土螺釘連接件的抗剪承載力，而本文計算公式的計算值與試驗結果吻合良好，可以更為準確地預測木-混凝土螺釘連接件的抗剪承載力。