竹條螺釘連接節點性能試驗研究

彭慧

（浙江大學建筑工程學院，杭州 310058）

0 引言

中國是世界上竹資源最豐富的國家，素有“竹子王國”之稱，據第8次森林資源調查（2014）結果顯示，中國竹林面積601多萬公頃［1］。竹子作為可再生材料相比于鋼筋混凝土以及磚石材料都更為低碳環保，具有保護環境的優勢［2，3］。竹子具有強度高、彈性好、性能穩定、強度和剛度高于木材等優點［4，5］，同時由于其生長周期快、價格低廉，近年來被廣泛用于建筑材料［6，7］。

竹結構建筑中，連接節點對結構整體的穩定性和安全性有著至關重要的作用，節點構造問題是現在原竹建筑發展的主要制約因素［8］。竹管的幾何不均勻和空心薄壁的特性導致其連接起來較為復雜，竹條相較于竹管柔韌性更好，更易加工和連接，越來越多以竹條為受力構件的竹結構被設計和使用。Villegas等［9］設計了由竹管和竹條組裝而成的桁架，通過設計新型的鋼夾以實現頂部和底部竹管與對角線和垂直竹條元件之間的連接，并進行結構測試，試驗結果表明該結構具有良好的受力性能。Garcia等［10］對螺栓和鋼墊板連接的竹條梁進行加載試驗，試驗表明梁的破壞主要是由竹條受壓屈曲導致，而連接節點并未失效，證明了竹條螺栓連接節點的可靠性。

目前對于竹條連接節點的相關規范設計和研究較少，為了提供一種竹條方便快捷的連接方式，文中將通過對竹條螺釘連接節點順紋加載試驗，研究竹條螺釘連接節點的破壞方式和極限承載力，討論螺釘直徑、端距、中距等因素對極限承載能力和破壞形式的影響，為此類原竹結構螺釘節點連接的工程應用提供依據。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗所用材料包括竹條、304自攻螺釘、不銹鋼片。

竹子采用中國種植面積最廣的毛竹，竹齡為3～4年，產地為安吉。竹筒開片后經粗刨加工及防護干燥處理，含水率為18%，竹條厚度為7mm，經切割后長度為100mm，寬度選用24mm和40mm。自攻螺釘采用304不銹鋼十字沉頭螺釘，包括3、4、5、6mm這4種規格。鋼片采用厚2mm、寬40mm、長120mm的不銹鋼片，自行設計后由工廠定做，根據設計的螺釘孔的尺寸位置進行打孔，方便與竹條連接。

1.2 試件設計與分組

試驗所用鋼片強度、剛度遠大于竹條，因此螺釘連接節點的破壞模式和極限承載力主要取決于竹材和螺釘的材料性能。根據螺釘直徑、端距、中心距和個數設計12組試件，并對其進行編號，其中D表示螺釘直徑，Dj表示端距，Zj表示中距，N表示螺釘個數，字母后面的數字表示各參數值。具體試驗分組如表1所示。

表1 螺釘連接節點試驗設計參數

試件制作時，為防止螺釘鉆入竹條時發生劈裂，先對竹條進行預鉆孔，鉆孔大小比螺釘直徑小1mm。連接方式如圖1所示。

圖1 螺釘連接節點

1.3 加載方法與設備

靜力加載試驗在WE-58液壓式萬能試驗機上完成，試驗機的最大加載值為50kN。用萬能試驗機上兩端的剛性夾頭分別固定鋼片和竹條，通過承臺移動對試件施加拉力。參照木結構銷類連接性能試驗方法［11］，在正式加載前先對構件進行預加載，預加載以夾具是否對試件夾緊固定為準，消除試件和夾具之間的縫隙。正式加載采用位移作為加載控制條件，加載速度通過手動旋轉儀器送油閥的松緊進行控制，保證勻速加載，當試件發生破壞，儀表盤指針回轉，記錄此時的荷載值，即為試件的極限荷載。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

根據試驗得到各試件的極限荷載，試驗結果見表2所示。

表2 螺釘連接節點極限承載力試驗值

2.2 螺釘連接節點的破壞形態

對12組試件的破壞形態進行分析，其破壞形式可以分為：

（1） 端距小于3d時，試件容易發生端部剪切破壞見圖2（a）。由于螺釘距竹條端部的端距過小，竹材端部剪切面面積較小，對螺釘的約束作用較小。加載過程中，螺釘旋轉對螺孔產生擠壓作用，螺孔壁逐漸壓潰并帶出竹屑；隨著荷載增加，竹條表面產生剪切裂縫并向竹條端部發展，同時裂縫沿竹條厚度方向貫穿整個截面，端部竹材發生塊狀剪出，試件隨即喪失承載力，連接節點承載力主要由竹材抗剪強度決定。

（2） 劈裂破壞見圖2（b）多發生于端距小于3d的單螺釘連接節點。加載初始階段，螺釘受力后首先對螺孔孔壁上部造成擠壓，由于端距較小，螺孔兩側出現剪切裂縫。隨著荷載增加，螺釘發生傾斜旋轉，竹條螺孔壁下部也受到來自螺釘螺桿的壓力，在端部出現剪切擴孔損傷的基礎上，隨著螺釘的旋轉，螺孔下部受壓并產生貫通竹材厚度的劈裂裂縫，承載力迅速下降，試件發生破壞。隨著螺釘直徑增加，劈裂裂縫發展速度加快，這主要由于越大的螺孔直徑對竹材截面的削弱越大，竹材的裂縫更易發展。

（3） 端距小于3d且邊距小于2d時，節點剪切破壞和劈裂破壞同時發生見圖2（c）。由于端距較小，竹條端部出現剪切破壞，同時較小的邊距導致竹材對螺釘的約束作用較弱，邊部竹材受到螺釘橫向的擠壓而產生劈裂，節點喪失承載力。

（4） 承壓破壞見圖2（d）發生于端距≥3d的螺釘連接節點。隨著螺釘端距增加，竹材端部剪切面面積增大，此時發生剪切破壞所需的荷載增大，竹材端部對螺釘的約束作用增加，端部竹材不易發生剪切破壞。加載時，螺釘傾斜旋轉對竹條螺孔產生擠壓，隨著荷載增加，螺孔外側受力較大，竹材壓潰變形，并帶出竹屑，同時螺釘受到來自螺孔的反向壓力，因彎矩作用產生彎曲變形，此時連接節點承載力主要由竹材螺孔承壓強度決定。

圖2 螺釘連接節點破壞模式

2.3 極限承載力影響因素分析

單螺釘連接節點，端距為2d時，隨著螺釘直徑增大，極限承載力增大見圖3（a），由于節點均產生剪切破壞，節點承載力由竹材剪切強度決定，大直徑螺釘的端端距較大，剪切面面積較大，抗剪承載力也就越大。其中6mm直徑螺釘連接節點承載力降低，原因可能是螺釘在受力過程中，螺釘沿螺桿方向發生拔出，節點力學性能未得到充分發揮。

雙螺釘連接節點，螺釘直徑、中心距和邊距相同，s＜3d，隨著端距增加，端部剪切面面積增大，極限承載力增大；s≥3d，極限承載力增加趨于平緩，這主要是由于竹條螺孔發生承壓破壞，此時承載力由螺孔承壓強度決定，在直徑一定時，螺孔承壓面積相同，節點承載力相差不大。Dj20由于釘子被過早拔出，發生了承載力下降的情況見圖3（b）。

雙螺釘連接節點，螺釘直徑一定，端距為2d時，節點發生脆性破壞，螺釘連接節點承載力隨中心距增加變化不大見圖3（c）。

對比D4、Zj12和N3的極限承載力見圖3（d），雙螺釘連接節點極限承載力和三螺釘連接節點的極限承載力分別為單螺釘節點的1.6倍和1.8倍，極限承載力隨螺釘個數增多而增大，但并非隨螺釘個數增加呈倍數增長的關系，其間存在折減系數，原因可能是多螺釘連接節點各螺釘之間存在相互影響，各螺釘受力并不均勻，因此多螺釘連接節點極限承載力并不能由單螺釘連接節點的極限承載力乘以螺釘個數來計算。

圖3 各參數對螺釘連接節點極限承載力影響

3 結語

通過對竹條螺釘連接節點試件的靜力加載試驗，研究了其破壞形態以及螺釘直徑、螺釘個數、端距、中距對極限承載力的影響，得到以下結論：

（1） 竹條螺釘連接節點受到順紋方向施加的荷載時，螺釘直徑、端距和中心距對節點破壞形式均有影響。端距較小時，端部竹材剪切面較小，抗剪能力較弱，此時節點端部容易發生剪切破壞；端距大于等于3d時，節點破壞向銷槽承壓破壞轉變，同時螺釘受力發生彎曲。螺釘直徑較大時，對竹條截面削弱容易導致劈裂裂縫發展。節點中心距較大，而邊距較小時，邊部竹材在螺釘擠壓作用下容易產生劈裂。

（2） 竹條螺釘連接節點的極限承載力隨螺釘直徑和端距增加而增大，當端距大于3d（d為螺釘直徑）時，節點螺孔處發生承壓破壞，此時增加端距對極限承載力影響不大。端距為2d，節點發生脆性破壞時，中心距增大對極限承載力影響較小。極限承載力隨螺釘個數增大而增加，由于螺釘間可能存在相互影響，極限承載力并非隨著螺釘個數增加呈倍數增加。