木- 纖維輕骨料混凝土構件剪切研究

陳寶琪 荀 勇

（1 蘇州科技大學土木工程學院；2 鹽城工學院土木工程學院)

1 引言

木材作為天然的裝飾材料[1-2]，給人自然美的享受。與傳統木結構相比，木材與混凝土的結合，能夠有效提高建筑耐火等級、耐久性、抗彎剛度和承載力[3-4]。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，增加強度或提高剛度工程中得到應用[5]。木-混組合結構具有較大的單位承載力，彈性、韌性，可以承受沖擊和震動作用[6-9]。木材與輕骨料混凝土的密度較小，成型后的組合構件質量輕，從而降低了運輸和安裝成本。然而，目前關于木-纖維輕集料混凝土的研究并不多。

國內外不少研究人員對木-混凝土組合結構進行了研究。Richart 等[10]研究釘類構件嵌入木材的角度對受剪承載力和剛度的影響，當螺釘與受剪承載方向呈45°嵌入木材，連接件的受剪承載力和剛度最大。Ahmadi 等[11]對螺釘嵌入深度和極限承載力進行了研究，得出了承載力隨著嵌入深度的增加而變大的結論。Dias[12]通過試驗得出螺釘極限荷載并根據試驗數據推出屈服荷載計算模型，計算模型考慮到了混凝土抗壓強度、木材順紋抗壓強度、尺寸的影響。Jorge 等[13]對SFS 螺釘連接件在短期荷載作用下進行試驗研究，分析螺釘直徑、混凝土種類對構件受剪承載力與剛度的影響。得出螺釘連接件受剪承載力以及剛度隨直徑增大而增大等結論。

胡亞風等[1]設計了32 組木-輕集料混凝土試件，采用2 根直徑8mm 或者10mm 的螺栓及LC30 等級的輕集料混凝土時，綜合性能最佳。俞宏等[14]完成了9 組27個推出試件的推出試驗，提出了剪力鍵抗剪承載力和抗剪剛度的公式。

本文探討了螺釘直徑、縱向間距、螺釘根數、螺釘剪切面積、開槽、開槽加釘等不同界面處理方式對界面粘結性能的影響，并通過試驗推出件的荷載-滑移曲線、極限承載力及延性系數等對結構進行分析比較。

2 試驗概況

2.1 試件設計

試驗共設計了15 組木-纖維輕骨料混凝土推出試件，每組3 個試件。每個試件由兩塊木板和一塊輕骨料混凝土組成，輕骨料混凝土放在中間位置，木板對稱布置在混凝土的兩側。試件選用的木材種類為樟子松，含水率控制在15%左右。樟子松板的尺寸為224mm×140mm×55mm，纖維細骨料混凝土的尺寸為224mm×140mm×150mm，推出試件采用的六角木螺釘屈服強度為320Mpa，極限抗拉強度為400MPa。將15 組推出試件進行編號。A 組推出件采用不同直徑大小的螺釘對界面進行處理，每側木板布置2 根螺釘總共4 根螺釘；B 組推出件采用不同縱向間距雙排螺釘布置形式，每側木板布置4 根螺釘，螺釘的直徑為10mm；C 組推出件共兩種不同形式分別為每側木板布置3 根直徑為10 和4 根直徑為8 的螺釘，具體布釘位置見圖1（d～e）；KC 組推出件采用改變槽深對界面進行不加釘處理，開槽深度為15mm、20mm、25mm；F 組推出件采用開槽和加釘兩種處理方式結合，且槽深都為20mm；N 組推出件界面無處理，詳細參數設置表1。

2.2 纖維輕骨料混凝土配比

采用海螺牌P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥,其配合比為：水泥:粉煤灰:硅灰:砂:水=1:0.25:0.08:2.5:0.379。減水劑占水泥質量的0.632%，聚丙烯纖維（pp）摻量為所配置體積的0.2%。在標準養護室里養護28d,測得抗壓強度52.08MPa,抗折強度9.6MPa。

2.3 試件制作

按照試驗設計的尺寸，將買好的木板用切割機裁剪。本次試驗加釘試驗組先用馬克筆定點劃線，然后用鉆孔機器進行預鉆孔，待鉆孔完畢后，采用扳手將螺釘擰進木板中。依次將木板安裝到模板中，在木板和木模所圍成的空間中澆筑細骨料混凝土。由于采用細骨料混凝土有較好的流動性，所以輕微的振搗即可密實。澆筑混凝土如圖2（c）。澆筑完成后，覆蓋塑料薄膜澆水養護28d，具體見圖2（d）。

圖1 結合面處理示意圖(mm)

表1 推出試件參數

圖2 構件制作主要過程

2.4 試驗裝置與加載方案

試驗裝置：試驗在YAW-600C 型電液伺服萬能試驗機上進行，現場加載裝置如圖3。試驗目的主要測量纖維輕骨料混凝土與木板之間的滑移，本次試驗中忽略木板受壓而產生的形變，假定試件的滑移量等于試驗機壓力板的位移。因此，在試驗機器左右兩側上布置2 個位移計測量試驗機壓力板的位移，取2 個數值的平均值作為推出件的滑移值。

圖3 現場加載圖

加載方案：參考俞宏等[14]的試驗加載方案，在混凝土上墊好鐵板，并用砂子找平。試件對中后，進行預壓，以消除加載裝置存在的孔隙以及檢驗位移、力信號通道是否正常。整個試驗加載過程的加載速率為5.88kN/min，采集儀每隔5 秒采集一次數據。當荷載不再增加即試件出現較大滑移變形則停止加載。

3 試驗結果

3.1 試驗現象及破壞形式

A4-D8 組推出件在加載初期無明顯現象；當荷載加載至8.6kN 左右時，接觸面有明顯的斷裂聲；當荷載加載至13.8kN，開始出現嘶嘶的響聲，木材在螺釘的擠壓下發生壓縮變形，木板與混凝土之間出現較明顯的縫隙，此時相對滑移值為5mm 左右，滑移并不明顯；隨著荷載的增加，木材發出噼里啪啦的聲響，當試驗力接近極限荷載時，滑移迅速增加，木材與混凝土之間明顯脫開，此時螺釘發生彎曲破壞，具體見圖4（a）。此外，A4-D10、A4-D12、B8-D10-50、B8-D10-70、B8-D10-90、C6-D10、C8-D8 也發生螺釘彎曲破壞。

KC-20 組推出件在加載初期無明顯現象；當荷載加載到9kN，發出嘶嘶的聲響,上部界面層開始剝離；當荷載加至25.8kN 左右時，出現木材斷裂的聲響，此時相對滑移不明顯；隨著荷載增加，下部混凝土表面開始出現裂縫，裂縫不斷往上拓展，下部裂縫寬度也不斷變大，同時上部形成新的細微裂縫，且這些新的縫不斷往中間沿伸發展；待荷載接近極限承載力時，滑移量迅速增加，只聽砰地一聲，混凝土被剪斷，構件瞬間喪失承載能力，混凝土發生剪切破壞，具體可見圖4（b）。此外，KC-15、KC-25 組推出件也發生混凝土剪切破壞。

F4KCD8 組推出件在加載初期無明顯現象；當荷載加載至54.3kN 時，混凝土下表面出現細微裂縫；當荷載加載至71kN 時，下面裂縫往上沿伸，此時螺釘和混凝土協同受力，相對滑移不明顯；當荷載加載至91kN，裂縫持續發展并往斜向上方向沿伸；當荷載接近極限承載力時，混凝土發生斷裂，此時螺釘發生瞬間彎曲破壞，具體可見圖4（c）。此外，F4KCD10 組推出件發生混凝土剪切破壞和螺釘發生彎曲破壞。

N 組推出件是自然對照組，當荷載加載至4kN 左右時，木板與混凝土就完全脫離，喪失承載力，具體可見圖4（d）。

根據試驗結果可以發現，本次試驗破壞只要分為三種形式，分別為螺釘彎曲破壞、混凝土剪切破壞以及混凝土剪切破壞加螺釘彎曲破壞。

3.2 荷載- 滑移曲線

荷載-滑移曲線是反映組合結構的承載能力和變形性能重要指標，因此對推出試件荷載-滑移關系分析是十分必要的。根據試驗實測的數據可以繪制出不同界面處理形式下的荷載-滑移曲線，如圖5 所示。

圖4 試件破壞形態

由圖5 可以看出，由于木材本身材質存在一定的離散性以及混凝土澆筑存在一些偏差，同一組試件荷載-滑移曲線存在一定的差異，但總體趨勢是相近的。對于螺釘根數相同，直徑不同的剪力連接件，如圖5（a～c）所示，荷載-滑移整體趨勢線可以分為兩個階段。在加載初期，試件處于彈性階段，此時界面之間的化學粘結力和機械咬合力起著一定的作用，在彈性階段中，螺釘所受荷載與滑移量大致呈線性。當荷載加載至屈服點時，試件進入了塑性階段。此階段，螺釘所受荷載與滑移量不僅呈非線性，而且隨著滑移量的增加，所受荷載還有一定程度的增加，但增幅有限，直徑為12mm 的構件抗剪承載力在3 組構件中最高。

隨著螺釘根數增大，圖形也趨于飽滿。對于不同縱向間距的荷載-滑移曲線，如圖5（d～f）所示。縱向間距對構件抗剪承載力影響較小，滑移量都在4mm 附近，荷載增加幅度變緩、位移迅速增加且三組試件極限承載力基本維持52kN 左右。

對于開槽組，荷載-滑移曲線如圖5（i～k）所示，極限承載力隨著槽深呈先增大后減少的趨勢，最大極限承載力為110kN 左右。與前面幾組相比，開槽構件并沒有測得下降段，這是由于構件達到極限荷載時就瞬間喪失了承載能力，破壞模式是輕集料混凝土發生脆性破壞。對照開槽加釘組，荷載-滑移曲線如圖5（l～m）所示，荷載-滑移曲線有一個明顯的下降階段，加入一定數量的螺釘，可以有一定程度的提高整體結構的延性。

圖5 荷載- 滑移曲線

為了較為準確的反映推出件的性能，將推出試驗極限荷載與螺釘數量之比（P/n）作為單個螺釘受剪承載力[15]，表2 給出了本次推出件的受剪承載力的實測值。根據EN 26891[16]的規定，試驗中推出試件允許的最大滑移量為15mm。當構件極限荷載所對應的滑移值大于15mm時，截取滑移量為15mm 時所對應的荷載值作為極限荷載值。

4 結果分析

4.1 螺釘直徑對抗剪承載力的影響

A 組共設計3 種不同直徑（8mm、10mm、12mm）的構件來分析不同直徑對界面抗剪承載力的影響。由表2 可知，φ10 的木螺釘構件的抗剪承載力比φ8 木螺釘構件的抗剪承載力提高了26.7%，φ12 的木螺釘構件的抗剪承載力比φ10 螺釘構件的抗剪承載力提高了23.8%。利用試驗數據，用數理統計的方法進行擬合，如圖6 所示，R2為0.90，可以看出螺釘直徑與單個螺釘承載力具有極強的相關性，螺釘連接件受剪承載力隨著直徑的增大而增大。

表2 主要試驗結果

4.2 縱向間距對承載力的影響

B 組構件縱向間距大小不同，分別為50mm，70mm，90mm。由表2 可知，縱向間距為50mm 的單個螺釘平均抗剪承載力為6.77kN，縱向間距為70mm 的單個螺釘平均抗剪承載力為6.85kN，縱向間距為90 的單個螺釘平均抗剪承載力為6.36kN。最大值與最小值差值僅為0.49kN，可見縱向間距對構件界面抗剪承載力影響較小。

4.3 螺釘根數和剪切面積對構件抗剪承載力的影響

探討螺釘根數和剪切面積對構件界面抗剪承載力的影響，推出件A4-D12、C6-D10、C8-D8 組螺釘總面積分別為452.38mm2、471.24mm2、402.12mm2和 平均極限荷載分別為35.2kN，40.8kN，40.6kN。A4-D12、C6-D10 兩組構件在剪切面積基本相同的情況下，C6-10 組構件抗剪承載力明顯高于A4-D12 組，可以看出木板兩側螺釘根數對界面的抗剪承載力影響較大；A4-D12、C8-D8 兩組構件在前者剪切面積明顯大于后者的情況下，C8-D8 的抗剪承載力明顯高于A4-D12，從中可以看出螺釘根數對界面抗剪承載力影響較大；C6-D10、C8-D8 兩組構件在前者剪切面積明顯大于后者的情況下，兩者的抗剪承載力基本相同，前者平均極限荷載稍微高于后者。綜上所述，螺釘根數對抗剪承載力影響較大，而剪切面積對界面抗剪承載力影響較小。其原因可能是隨著螺釘布置數量的增多可以更好抵抗纖維輕骨料混凝土裂縫的開展，最佳螺釘根數和剪切面積還需進一步試驗研究和理論驗證。

4.4 槽深對構件抗剪承載力的影響

考慮開槽深度對界面抗剪承載力的影響，槽深15mm 的構件平均極限荷載為88.58kN；槽深20mm 的構件平均抗剪承載力為118.45kN；槽深25mm 的構件平均極限荷載為60.96kN。槽深20mm 的構件較15mm 的極限承載力提高了33.7%。槽深25mm 的構件相較20mm 的極限承載力下降了48.5%，總而言之，槽深為20mm 時，界面抗剪承載力最高。開槽相較于加螺釘組能夠更加有效提高構件的極限承載力，極限荷載隨著槽深的增加呈現先增后減的趨勢，具體見圖7。

4.5 開槽加釘承載力分析

F 組構件為開槽加釘試驗組，且設計槽深都為20mm，對照組KC-20 平均界面抗剪承載力為118.45kN。F4KCD8 組平均界面抗剪承載力為132.03kN，相較于對照組承載力提高了11.46%。F4KCD10 組平均界面抗剪承載力為133.24kN 相較于KC-20 承載力提高了12.49%。開槽加釘構件極限承載力約為開槽的1.11 倍，由此可以看出，開槽加釘組的極限承載力比其他組有著極大的提升。

4.6 延性分析

圖6 受剪承載力隨著螺釘直徑的變化

圖7 開槽深度對極限承載力的影響

5 結論

通過15 組不同類型木-纖維輕骨料混凝土試件的推出試驗，分析出不同試件破壞形態和荷載-滑移曲線的變化規律，得出以下主要結論：

⑴本次構件主要破壞形式有混凝土剪切破壞和螺釘彎曲破壞，對木材進行開槽、加釘均可在不同程度上提高木-纖維輕骨料混凝土抗剪承載力。

⑵螺釘連接件在根數相同的情況下，受剪承載力隨著螺釘直徑的增大而增大且縱向間距對構件界面抗剪承載力影響不大；在螺釘布置形式不同的情況下，螺釘根數比螺釘剪切面積對界面抗剪承載力影響要大；通過對試驗數據進行擬合，R2為0.90，可得出擬合程度好。

⑶開槽相較于螺釘組能夠更加有效提高構件的極限承載力，極限荷載隨著槽深的增加呈現先增后減的趨勢。當槽深為20mm 時，界面抗剪承載力提高最大，比無處理組構件的抗剪強度提高了286.13%。

⑷開槽加釘組合形式的極限承載力為僅開槽組的1.11 倍，且隨著螺釘的加入其延性并沒有明顯變化，在極限荷載作用下，構件容易發生脆性破壞，因此在設計螺釘根數和直徑大小時需特別注意。