基于螺栓連接的木-輕集料混凝土構件剪切研究

胡亞風， 魏 洋, 王 彤， 趙龍龍

(南京林業大學 土木工程學院，南京210037)

基于螺栓連接的木-輕集料混凝土構件剪切研究

胡亞風， 魏 洋, 王 彤， 趙龍龍

(南京林業大學 土木工程學院，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，設計了32組96個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機及TDS數據采集儀等設備進行了靜載推出試驗。結果表明：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；螺栓根數相同時，LC20等級的輕集料混凝土連接件推出變形延性系數大；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等級的輕集料混凝土時，綜合性能最佳。試驗成果對木材與輕集料混凝土復合結構的設計、應用等提供一定的參考價值。

螺栓連接件； 木材； 輕集料混凝土； 復合連接件； 荷載-滑移關系

0 引 言

木材是世界主要工業的原材料之一，也是其中唯一能再生的資源；只要科學經營、合理采伐，木材就取之不盡，用之不竭[1]。近年來，木結構的研究與應用伴隨著高效膠黏劑的發展有了長足的進步，已從天然木材結構發展到平行、層疊、定向木片膠合木結構[2]；木材加工制作實現工廠機械化流水線生產，木與木連接方式從傳統螺栓、釘連接演化發展到沖壓齒板連接[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合材料在建筑領域的應用。木材與輕集料混凝土的密度較小，成型后的組合結構(構件)質量輕、安裝也方便。但是，當前關于木-輕集料混凝土組合的相關研究不多，而木-混凝土組合作為一種結構技術，開始在已有樓面體系或者新結構的防火、增加強度或增大剛度工程中得到應用。如Gerard[6]針對預應力木-混凝土復合結構連接件耐火性能進行了研究；O′Neill[7]研究了木-混凝土復合地板在火災中的力學演化特征；Fragiacomo等[8]研究了木-混凝土組合梁的長期行為，并對組合梁長期性能提供了簡化的評價方法，同時，該團隊對木-混組合樓板與預制混凝土的時變行為[9]以及組合樓板在長期荷載作用下的剪力件連接性能[10]進行了系統的研究；通常，它以鋼質材料作為連接件植入到被復合的木材和混凝土材料中，這樣，復合結構體系在承受剪切或彎曲作用時，連接件能夠提供足夠的剪應力和拉應力，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-混凝土組合結構具有較大的單位承載能力，彈性、韌性好，能承受沖擊和震動作用[12-17]，木與混凝土用可靠的剪力件連接[18-19]共同作用，承載能力是傳統木結構的3倍，抗彎剛度是傳統木結構的6倍。

本文分別設計了布置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等。

1 試 驗

當前，我國木材市場提供的松木以俄羅斯進口的樟子松最為常見。通過碳化、防腐等加工，木材在力學性能和結構尺寸上能夠適應現代工程結構的建設需要。本試驗用樟子松型材的順紋抗拉強度137.2 MPa，抗彎強度86 MPa，彈性模量12.5 GPa，優于一般結構用的杉木和闊葉類木材的強度。試驗用輕集料混凝土采用湖北宜昌產的0.6～20 mm連續級配頁巖陶粒和贛江產II區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。試驗用螺栓為江蘇泰州產奧氏體304不銹鋼螺栓，其拉伸強度為720 MPa，彈性模量195.3 GPa。剪切試驗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。試驗采用推出剪切的方法，通過改變輕集料混凝土強度、螺栓直徑及螺栓排列間距等因素(見表1)，共設計了32組96個試件，每個試件由1塊木板和2塊輕集料混凝土板組成，木板位于中間位置，輕集料混凝土板對稱布置于木板的兩側，并與木板通過螺栓連接件連接(見圖1)。

表1 試件參數表

(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為70級，螺栓通過鉆孔植筋(即鉆孔孔徑比螺栓直徑小1 mm，后機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，其參數尺寸見表1。試驗所用輕集料混凝土立方體28 d抗壓強度分別是：LC20型22.21 MPa和LC30型30.3 MPa。

剪切試驗加載裝置采用電液伺服壓力試驗機，首先預壓2～5 kN，檢查位移、力信號在TDS采集儀上是否正常；剪切試驗采用位移控制，加載速度為1 mm/min，接近破壞時改為0.5 mm/min直到試件完全剪裂失穩破壞。試驗過程中記錄木-輕集料混凝土連接件上、中、下3處界面的荷載-滑移關系、限承載力與推出變形、試件加載和破壞過程中的形態等，位移測量計布置于木與混凝土的界面處，每個試件布置6個電測位移計，分別測量試件竹材的上部(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滑移變形量(見圖3 )，位移計的底座統一固定于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) 試驗加載裝置

(b) 測量裝置布置示意圖

圖3(b)中標識的1和2為測量連接件上邊緣的電測位移計，3和4為測量連接件下邊緣的電測位移計(布置在另一面)，5和6為測量連接件中部的電測位移計

圖3 測量與加載裝置

2 試驗結果

2.1 破壞模式

對于1根螺栓連接(編號A、D、G)的試件，當荷載值不超過極限荷載時，輕集料混凝土外觀無明顯裂縫。到達極限荷載后，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)首先出現細微的橫向裂紋，不久產生豎向裂紋，豎紋方向近似垂直于螺栓。繼續加載，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，往下向支座外側邊緣處延伸。隨著荷載的持續，木材與輕集料混凝土的上、下邊緣發生了顯著的豎向相對位移(見圖4(a))，試件側面無輕集料混凝土塊剝落等破壞現象，未發現木材與輕集料混凝土有分離現象，整個推出試驗過程沒有發生劇烈的破壞反應，破壞模式屬于延性破壞。

對于2根螺栓連接(編號B、E、H)試件，當荷載值不超過極限荷載的40%時，整個試件的外觀無顯著變化，木材與輕集料混凝土的黏結界面幾乎無豎向的相對位移。當荷載加載至極限荷載的80%時，試件的輕集料混凝土在螺栓連接件處分別出現橫向裂紋，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楔形向混凝土外邊緣延伸并穩定下來，最終試件由于輕集料混凝土在支座部分的破壞而失穩破壞(見圖4(b))。從受力機理上分析，試件的破壞是由于輕集料混凝土受螺栓剪應力效應而產生主拉應力，引起輕集料混凝土斜剪破壞，破壞過程發展迅速，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

對于3根螺栓連接的(編號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。斜裂縫擴展隨荷載增大而發展迅猛，在加載的后期，試件的木材與輕集料混凝土發生明顯的垂直分離現象(見圖4(c))，其破壞機理是輕集料混凝土中螺栓排列緊密，由于推出剪切應力與垂直界面方向的拉應力共同作用，且剪切應力為主導控制作用力，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32組(96根)木-輕集料混凝土螺栓接件復合剪切試件的剪切試驗結果，當在試件中使用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度等級，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強度等級輕集料混凝土抗剪連接件，在沒有螺母的情況下，會出現抗剪極限承載力會比有螺母的連接件承載力低的現象；對于LC30強度等級輕集料混凝土抗剪連接件，當使用1根、3根螺栓時，無螺母的連接件承載力比有螺母的連接件承載力大，當使用2根螺栓時情況恰好相反。

對于螺栓直徑相同，根數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的螺栓復合連接件試驗：在抗剪切能力方面，2根螺栓的剪切件承載力即可達極值，其中，螺栓根數對LC20等級的輕集料混凝土復合剪切件承載力影響不大，而對LC30等級的輕集料混凝土復合剪切件承載力顯著提高；在抗推出變形方面，螺栓根數增加，最大承載力處的推出變形也減小，并且隨輕集料混凝土強度等級高，變形減小的趨勢更加顯著。② 如圖5的(d)～(f)所示，使用直徑10 mm的螺栓復合連接件推出試驗：螺栓根數增加，LC20輕集料混凝土復合剪切連接件的承載能力逐步提高現象；而LC30輕集料混凝土復合剪切連接件，當螺栓根數達兩根時，剪切連接件的承載能力已經不在增加。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。③ 如圖5的(g)～(h)所示，使用直徑12 mm的螺栓后，復合連接件推出過程中：當使用1根螺栓時，混凝土強度的增大對連接件的抗極限推出承載力基本沒有影響，當螺栓為2根時，承載能力隨混凝土強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。

對于螺栓根數相同，而直徑不同的剪力連接件，可以得出如下結論：① 如圖5中(a)、(d)和(g)所示，當只有1根螺栓時，復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度相關，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，當使用2根螺栓后，隨著螺栓直徑的增大，對于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律；而對于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，當復合連接件使用3根同直徑的螺栓后，當螺栓直徑從φ8 mm變成φ10 mm，對于LC20型混凝土的復合剪切件，抗推出承載能力增加10 kN，推出變形量降低2 mm；對于LC30型混凝土的復合剪切件，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情況；主要試驗結果見表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-滑移量關系圖

注：圖中LC20Y，LC20N，LC30Y，LC30N含義：LC20、LC30為20 MPa和30 MPa等級的輕集料混凝土；Y，N表示螺栓有螺母和無螺母。各點數據為平行3個試件的均值

表2 帶螺母螺栓連接件的試件推出試驗結果

由表2可見，LC20等級的輕集料混凝土螺栓連接件，推出試驗極限承載力在25.98～49.21 kN，對應極限位移在5.57～12.14 mm；而LC30等級的輕集料混凝土螺栓連接件，推出試驗極限承載力在27.36～61.61 kN，對應極限位移在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。對比極限位移，使用1根φ8 mm螺栓型連接件的極限位移高達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達到5.02，其他螺栓型連接件的延性系數僅僅1.51～3.08之間。對比各類試件不同受力階段的抗剪剛度，對應極限荷載40%、60%、80%時的Ks,0.4、Ks,0.6和Ks,0.8表現出的割線剛度差別不顯著。

3 結 論

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

(1) 螺栓型剪力連接件的破壞模式與使用的螺栓根數有關，采用1根螺栓時屬于延性破壞，采用2根和3根時，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型號螺栓、輕集料混凝土強度為30 MPa的時，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最大達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

國家自然科學基金項目(51208262);江蘇省自然科學基金(BK20151520);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

胡亞風(1980-),男，安徽六安人，博士生,研究方向為工程結構理論與運用。

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

魏 洋(1978-),男，安徽合肥人，教授,博士生導師,研究方向為新型材料與結構。

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

TU 375.3

A

1006-7167(2017)08-0034-06