新型復合竹層積材的順紋銷槽承壓強度計算公式

李霞鎮，鐘 永，2，任海青，2

（1.中國林業科學研究院 木工所，北京100091；2.國家林業局 木材科學與技術重點實驗室，北京100091）

中國竹資源擁有量和品質均居世界首位，竹子具有生長速度快、成材早和產量高等特性，屬于短期的可再生資源［1］。隨著新型復合竹質工程材料技術的突破，將改變中國竹質材料大多被應用于地板和集裝箱等非建筑結構應用領域的現狀，為其在建筑結構領域奠定基礎。

在現代木結構設計中，銷槽承壓強度是銷連接設計的基礎參數之一，被列入各國木結構設計規范中［2－4］。國外學者Kweonhwan［5］、Douglas［6］、Kei［7］、Wataru［8］、Chui－Ki［9］、Marc［10］、M.A.［11］、Alfredo［12］等，研究了木材密度、銷徑、端距、含水率、紋理方向等因素對規格材、膠合木等工程木銷槽承壓力學性能影響，得到了銷槽承壓強度理論計算公式。黃紹胤［13－14］、樊承謀［15］、王振家［16］最早研究了 銷徑、孔 徑和進鉆速度等因素對銷槽承壓強度的影響，得到了圓鋼銷連接承彎、承壓的可靠度指標。劉柯珍［17］研究了銷徑、厚度、紋理方向等對膠合木銷槽承壓的力學性能影響。但作為新型復合竹質材料的銷槽承壓力學性能，尚未有相關研究。

為研究該新型復合竹層積材順紋銷槽承壓的力學性能，課題組參照木結構試驗方法［18］，進行了7組，共28個銷槽承壓試件測試，分析了竹層積材厚度、銷直徑和端距對其力學性能的影響，建立了其承壓強度的計算公式，將為其在建筑結構中的設計與應用提供初步參考。

1 試驗概況

1.1 銷槽試件制造

針對竹層積材順紋銷槽承壓的影響因素，共設計了7個測試組，其中竹層積材厚度T、銷直徑D、端距S變化各3組，ZT－3測試組又兼為ZS－3和ZD－3，每組含4個試樣，測試組的具體參數見表1。

表1 測試組的基本參數

竹層積材銷槽承壓試件見圖1，X為順紋方向，即竹層積材的長度方向；Y為徑向，即厚度方向；Zv為弦向，即寬度方向。其中，竹層積材銷開半圓孔，孔直徑比銷直徑大1mm。銷的材料為 Q235，等級為4.8級［2］。

圖1 銷槽承壓試件示意圖

1.2 試驗用竹層積材

試驗用竹層積材為典型的正交各向異性材料，為四川竹元科技公司制造的新型高性能竹基復合材料，材種為叢生竹，其加工過程為：竹材→剖分→疏解→膠前干燥→浸膠→膠后干燥→裝模→熱壓固化→脫模→竹層積材。

采用10tInstron5582萬能力學試驗機測試竹層積材的物理力學性能［19］。測得其含水率約為4%，密度為1.1～1.3g／cm3。表2為各方向的強度平均值及其變異系數。

表2 竹層積材材性

1.3 試驗加載及量測

圖2為試驗加載裝置圖。采用30t萬能力學試驗機對竹層積材銷槽承壓試件進行測試，加載速度為1mm／min［18］。當鋼銷完全嵌入竹層積材試件或載荷出現明顯下降時，停止加載。

圖2 試驗加載裝置

2 試驗結果分析

2.1 破壞現象

竹層積材順紋銷槽承壓時，各測試組的破壞形式均相同，見圖3。

圖3 銷槽承壓的破壞模式

鋼銷的彈性模量、強度均遠高于竹層積材，因此可假設銷為剛體，即銷在整個加載過程中不發生變形。竹層積材在加載初期處于彈性階段。隨著載荷增加，竹層積材的銷開孔兩端受局部擠壓變形并出現細微裂紋。持續加載，裂紋沿竹層積材表面擴展，并逐漸向里延伸，直至裂紋貫穿整個竹層積材，載荷出現明顯下降，停止加載。

2.2 荷載-位移曲線

圖4為竹層積材順紋銷槽承壓各測試組的荷載-位移曲線，其曲線形式基本一致，呈脆性破壞。曲線在加載初期呈非線性，主要原因是加工精度誤差導致銷與竹層積材間存在初始空隙。隨著載荷增加，初始空隙消除，竹層積材處于線彈性階段，曲線進入線性階段。

持續加載，竹層積材的銷開孔兩端因應力集中的影響［20］，局部產生塑性變形并出現細微裂紋，此時竹層積材仍能繼續承載。但因細微裂紋的快速擴展導致整個竹層積材被裂紋貫通，銷槽散失承載力，曲線進入破壞階段。

但文獻［17］中膠合木順紋銷槽承壓測試的塑性變形階段較明顯，并未發生脆性破壞，與文中采用竹層積材測試的結果不一致。從上述測試的竹層積材順紋承壓荷載-位移曲線（圖5）可知，有明顯的塑性變形階段。結合圖3～5及實驗現象，可判斷竹層積材順紋銷槽承壓呈脆性破壞，主要是因為竹層積材用膠為脆性材料，當局部應力達到膠粘強度時，竹層積材表面出現細紋裂紋且產生局部塑性變形，但隨著裂紋快速貫通整個竹層積材，載荷出現明顯下降，竹層積材大部分銷槽承壓截面并未達到順紋承壓強度。

2.3 剛度、最大載荷、承壓強度

從圖4中分析可知，竹層積材順紋銷槽承壓時，基本無塑性變形階段，文中取最大載荷值Fmax計算銷槽承壓強度，對應的位移作為最大位移值［21］。其承壓強度計算公式如下：

式中：fe為銷槽承壓強度，MPa；Fmax為銷槽承壓的最大載荷，kN；D為銷直徑，mm；T為竹層積材厚度，mm。

圖4 試件荷載-位移曲線

圖5 竹層積材順紋方向抗壓荷載-位移曲線

竹層積材銷槽承壓各測試組的力學性能參數統計的平均值見表3。

表3 銷槽承壓計算結果

續表3

由于竹層積材為工程復合材料，避免了竹節、空洞和腐朽等天然缺陷所導致的力學性能差異［21］，且與規格材、結構膠合木等木質材料相比，其密度的變異系數可忽略不計，因此各測試組試樣的力學性能參數均較穩定。

3 影響因素分析

3.1 竹層積材厚度

比較竹層材厚度（測試組ZT－1、2、3）對銷槽承壓的剛度K、最大載荷Fmax和承壓強度fe等力學性能的影響，見圖6。

圖6 竹層積材厚度T對銷槽承壓性能的影響

從圖6可知，隨著竹層積材厚度的增加，銷槽承壓的剛度、最大載荷和最大位移均大致呈線性增長，增幅分別為0.772（kN／mm）／mm、1.557kN／mm、0.009 2mm／mm。而承壓強度值則隨厚度的增加，基本保持不變，主要是因為銷槽承壓截面沿厚度的應力不均勻分布現象［20］，在局部塑性變形后可發生內應力重新分布，與文獻［13－16］結果相同。

3.2 端距

比較端距（測試組ZS－1、2、3）對銷槽承壓的剛度K、最大載荷Fmax和承壓強度fe等力學性能的影響，見圖7。

從圖7可知，隨著端距的增加，銷槽承壓的剛度、最大載荷均先增加后基本保持不變。而最大位移則隨厚度增加，基本保持不變。對于承壓強度，當端距為48mm時，其承壓強度明顯小于其它測試組；當端距大于64mm，其承壓強度基本保持不變。從木結構設計規范可知［2－4］，端距在滿足一定幾何構造要求后，可避免銷槽發生撕裂破壞。對于該新型復合竹層積材，則要求端距不應小于64mm。

3.3 銷直徑

比較銷直徑（測試組ZD－1、2、3）對銷槽承壓的剛度K、最大載荷Fmax和承壓強度fe等力學性能的影響，見圖8。

圖7 端距S對銷槽承壓性能的影響

圖8 銷直徑D對銷槽承壓性能的影響

從圖8中可知，隨著銷直徑的增加，銷槽承壓的剛度、承壓強度和最大位移基本保持不變，而承壓強度則呈線性遞減，與文獻［2－4］結果一致。

4 順紋銷槽承壓強度計算公式

銷槽承壓強度為銷連接設計的基礎參數之一。由于缺乏試驗基礎數據，中國現有木結構設計規范中規定銷槽承壓的強度取值為木材的順紋承壓強度［2］。而加拿大、美國木結構設計規范則采用木材相對密度G和銷直徑D作為基礎參數進行計算，如下：

加拿大設計公式［3］：

美國設計公式［4］：

因木材密度與其順紋承壓強度之間基本呈線性［21］，式2、3中的密度用木材順紋承壓強度代替后，與中國木結構設計規范銷槽承壓強度取值方法相同。

通過上述竹層積材順紋銷槽承壓力學性能的影響因素分析（圖6～8），表明其承壓強度主要受銷直徑D的影響。基于此及文獻［2－4］，建立了竹層積材順紋銷槽承壓強度的理論計算公式：

式中：KD為銷直徑的影響系數；fc，0為竹層積材順紋抗壓強度161.46MPa，a0為待確定系數。

以測試組ZD－3（T＝90mm、D＝12mm、S＝64mm）作為基準組，其KD取值為1.0，則系數值a0等于其銷槽承壓強度與竹層積材順紋抗壓強度的比值fe／fc，0，即0.88。由圖8（d）知銷直徑與承壓強度大致成線性遞減，因此對測試組ZD－1、2、3，以D／12為橫坐標，以各測試組相對于基準組的承壓強度比值為縱坐標，采用線性回歸擬合，如圖9所示。

圖9 銷直徑影響系數KD的擬合結果

從圖9中的擬合回歸分析結果，表明竹層積材順紋銷槽承壓中的銷直徑影響系數KD可采用公式5計算：

采用以上影響系數代入式fe＝0.88 KDfc，0計算各測試組的銷槽承壓強度，并與實測值比較見表4（不包含測試組ZS－1），表明該理論計算公式能夠準確預測竹層積材順紋銷槽承壓強度值。

表4 銷槽承壓計算結果比較

5 結 論

通過7組共28個復合竹層積材順紋銷槽承壓試件的試驗研究，獲得如下結論。

1）竹層積材順紋銷槽承壓破壞形式呈脆性破壞。

2）竹層積材順紋銷槽承壓強度主要受銷直徑D的影響，而受竹層積材厚度的影響較小。當其端距不小于64mm時，端距對銷槽承壓強度的影響可忽略不計。

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