新型增強輕型木結構剪力墻端部面板釘節點受力性能1)

邸靜 左宏亮

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

隨著國家對綠色建筑的大力發展和支持，木結構逐漸在國內受到廣泛關注[1-3]。其中，輕型木結構因采用綠色節能材料，且具有抗震性能好的優點，廣泛應用在住宅結構中[4-5]。覆面板與墻骨架之間的釘連接，即面板釘節點，作為輕型木結構中剪力墻的主要組成部分，是影響結構抗側力性能的重要因素[6-7]。國內外學者對面板釘節點的性能做了大量試驗研究和有限元分析，且對釘節點的研究，主要集中于對傳統輕型木結構剪力墻研究，即對覆面板為定向刨花板(OSB板)、面板釘為圓釘墻體中面板釘節點方面的研究[8-10]。已有研究結果表明：影響面板釘節點受力性能的因素，包括釘節點的構造特點和材料規格，如釘邊距、覆面板厚度、釘直徑等。但對于受力性能較弱的OSB板釘節點，由于受到OSB板材料性能的局限，改變以上影響因素對面板釘節點受力性能的效果有限，且相應的傳統輕型木結構剪力墻的破壞，主要原因仍然是端部位置面板釘節點失效。為此，本研究在輕型木結構剪力墻的上下端，局部使用材料性能較好的覆面板材料給予增強；對使用不同覆面板材料、面板釘的面板釘節點試件進行了單調加載試驗，分析覆面板材料種類、面板釘種類、加載方向對面板釘節點破壞形態及受力性能的影響，旨在為解決傳統輕型木結構剪力墻中OSB板面板釘節點受力性能較弱的問題提供參考。

1 材料與方法

依據美國規范ASTM-D1761[11]試驗方法制作試件。由于云杉-松-冷杉木板(SPF木板)、重組竹板具有明顯且規則的紋理，為了配合覆面板材料的特性，面板釘分別采用圓釘、自攻釘，并且在SPF木板、重組竹板的面板釘節點上，需預先鉆直徑為2.5 mm的預留孔，以方便試件制作。面板釘節點所用材料見表1。

表1 面板釘節點材料及尺寸

依據不同的加載方向、覆面板種類、面板釘種類，面板釘節點試件分為10組，每組均為6個試件。面板釘節點試件詳圖見圖1，分組見表2。

圖1 面板釘節點試件詳圖

表2 面板釘節點試件分組

試驗設備采用電子萬能力學試驗機。為保證在試驗過程中荷載的傳遞，自行設計并制作了鋼制夾具，用以連接試驗機與固定試驗構件(見圖2)。根據規范ASTM-D1761[11]，面板釘節點試驗，單調加載速率為2.54 mm/min，當荷載下降至極限荷載的80%或試件嚴重破壞時停止試驗。

2 結果與分析

2.1 不同種類面板釘節點破壞形態的差異性

由圖3可見：覆面板采用OSB板的面板釘節點，試件的破壞形態主要有面板釘拔出、面板釘嵌入覆面板；覆面板采用SPF木板的面板釘節點，試件的破壞形態包括面板釘彎曲、SPF木板橫紋撕裂；覆面板采用重組竹板的面板釘節點，試件的破壞形態包括面板釘彎曲并拔出、面板釘斷裂、重組竹板撕裂。試驗結果表明，加載方向對面板釘節點的破壞形態影響較小。覆面板的材料性能，決定了面板釘節點在破壞時面板釘的彎曲程度；具有較強力學性能的覆面板，會導致面板釘在最終破壞時的變形較大。面板釘種類，對SPF木板釘節點的破壞形態影響較小，而對重組竹板釘節點的破壞形態影響較大。

圖2 試驗裝置

2.2 不同種類面板釘節點荷載-位移曲線

由圖4可見：垂直于骨架纖維方向加載的面板，釘節點荷載-位移曲線在加載初期的斜率，大于平行加載面板釘節點荷載-位移曲線的初期斜率；重組竹板釘節點的荷載-位移曲線，高于SPF木板釘節點的荷載-位移曲線；面板釘節點中，面板釘使用圓釘的曲線呈非線性，而面板釘使用自攻釘的曲線趨于線性。此外，重組竹圓釘節點、OSB板釘節點的荷載-位移曲線延性較好；而其他組面板釘節點的荷載-位移曲線，在達到極限承載力后荷載驟降，表現為脆性。

由表3可見：在面板釘節點的極限位移方面，在垂直荷載作用下，OSB板釘節點極限位移最大、SPF木板圓釘節點極限位移最小，除此外各組極限位移水平較相近。荷載平行于骨架纖維方向的面板釘節點中，SPF木板圓釘極限位移較小，重組竹板圓釘節點的極限位移略大于OSB板圓釘節點的極限位移，重組竹板自攻釘節點與SPF木板自攻釘節點極限位移相近。試驗結果表明，不同加載方向對圓釘面板釘節點的變形能力影響較大，尤其對OSB板釘節點。覆面板使用重組竹板可增強SPF木板的變形能力。使用自攻釘可增加SPF木板釘節點的變形能力，但會限制重組竹板釘節點的變形能力。

表3 面板釘節點極限承載力及位移

2.3 不同種類面板釘節點極限承載力

由圖5可見：加載方向與骨架材料纖維方向垂直的面板，釘節點的極限承載力，均高于加載方向與骨架材料纖維方向平行的面板釘節點的極限承載力，其中OSB板釘節點、重組竹板自攻釘節點中垂直加載與平行加載的差距最大。這是由于在不同加載方向的面板，釘節點中面板釘變形程度相差較小，此時木材纖維與面板釘之間的握裹力對面板釘節點的極限承載力影響較大，而在SPF木板釘節點中面板釘的拔出量較小，在OSB板釘節點中面板釘的拔出量較大，所以加載方向對SPF木板釘節點的極限承載力影響較小，對OSB板釘節點極限承載力影響較大。此外，重組竹板圓釘節點，由于預留孔與釘直徑相同，圓釘與其周圍的木材纖維摩擦力較小，所以加載方向對極限承載力影響較小。

圖3 3種面板釘節點破壞形態

圖4 面板釘節點荷載-位移曲線

圖5 面板釘節點極限承載力

對于采用不同種類覆面板的面板釘節點，SPF木板釘節點的極限承載力低于OSB板釘節點的極限承載力，重組竹板釘節點的極限承載力高于SPF木板釘節點的極限承載力。在面板釘為圓釘時，覆面板使用重組竹板可將SPF木板釘節點極限承載力提高98%；在面板釘為自攻釘時，覆面板使用重組竹板可將SPF木板釘節點提高135%。這是由于SPF木板的抗橫紋撕裂能力較弱，而重組竹板的抗橫紋撕裂能力較強，因此重組竹板釘節點中釘抗彎承載力能夠發揮的更充分。

對于采用不同種類面板釘的面板釘節點，自攻釘節點的極限承載力，大于圓釘節點的極限承載力。覆面板為SPF木板時，面板釘使用自攻釘，至少比圓釘面板釘節點的極限承載力高59%；覆面板為重組竹板時，面板釘使用自攻釘，比使用圓釘面板節點的極限承載力高138%；可見在面板為重組竹板時，面板釘使用自攻釘可大幅提高面板釘節點的承載力。覆面板使用重組竹板，面板釘使用自攻釘，比傳統面板釘節點在垂直荷載作用下的極限承載力高98%，在平行荷載作用下的極限承載力高133%。這是由于自攻釘的抗彎性能、抗拔性能均優于圓釘，并且覆面板采用力學性能較好的重組竹板，能夠更好地利用自攻釘的力學性能。

3 結論

對新型增強輕型木結構剪力墻中重要的受力元件端部面板釘節點進行了單調受力試驗，得到了各組面板釘節點的破壞形態及平均荷載-位移曲線，并分析了加載方向、覆面板種類、面板釘種類對面板釘節點抗側極限承載力的影響規律。

重組竹板圓釘節點與OSB板釘節點的破壞形態較為相似，均表現為面板釘拔出且彎曲；SPF木板釘節點的破壞形態，主要為SPF木板的橫紋撕裂；重組竹板釘節點的破壞形態，主要為釘斷裂。

面板釘使用圓釘的面板，釘節點的荷載-位移曲線非線性較明顯；面板釘使用自攻釘的面板，釘節點荷載-位移曲線更趨向于線性。在平行荷載作用下，覆面板為重組竹板的面板，釘節點的荷載-位移曲線，均高于傳統面板釘節點的荷載-位移曲線。

加載方向與骨架纖維垂直的面板，釘節點的極限承載力，高于加載方向平行于骨架纖維的面板釘節點的極限承載力。覆面板使用重組竹板、面板釘使用自攻釘，比傳統面板釘節點在垂直荷載作用下的極限承載力高98%，在平行荷載作用下的極限承載力高133%。