緊固件數量對CLT鋼木連接節點性能的影響?

鐘淼麟 李 靜 強智森 胡憲睿

（華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641）

近年來，我國高度重視生態文明建設和節能減排，積極推動建筑產業轉型。隨著國內林業產業的蓬勃發展，木結構建筑重新煥發生機，國內外學者積極推動木結構新結構形式的發展[1]。正交膠合木（以下簡稱CLT）是一種由至少三層實木鋸材或結構復合材在層與層之間正交組坯膠合而成的預制實心工程木板，因其具有較高的尺寸穩定性和承載力，被廣泛應用于重型木結構的墻、板等構件[2]。近年來CLT結構以及構件性能得到了大量研究，盧布爾雅那大學（the University of Liubljana, Slovenia）對CLT墻體系統進行了單調加載和循環加載試驗以充分探究其結構性能，該試驗包括改變CLT墻的錨固方式[3]、采用不同的豎向荷載與邊界條件[4]及不同的洞口尺寸[5]。由IVALSA（Institute of the National Research Council） 主導的SOFIE項目對CLT的結構性能進行了全面且深入的研究，包括CLT墻體系統的抗側向力測試[6]、三層CLT足尺結構振動臺試驗[7]和七層CLT足尺結構振動臺試驗[8]。加拿大的FPInnovations也對CLT墻體的結構性能進行了一系列研究[9-12]。這些研究表明，CLT結構的變形主要產生于金屬連接節點的彎曲和滑移而不是木材的撕裂破壞。在CLT結構中，一般采用抗拔件和角鋼使基礎與CLT墻、CLT墻與CLT板連成一個整體，這些連接節點均為耗能節點，決定了CLT結構的整體耗能能力與抗震能力[13-15]。因此對該類型連接節點的力學性能研究成為了熱點。本文通過對以抗拔件、角鋼為連接件的CLT連接節點進行大量的單調與循環加載試驗[16-21]，分析其力學性能及破壞機制，為CLT結構的設計提供更多有效的改進方案。

目前關于CLT結構或構件的研究中，角鋼連接件中的緊固件數量（如環紋釘）一般為12 個，并無相關研究說明緊固件數量對其力學性能的影響。如上所述，以角鋼為連接件的連接節點決定著CLT結構的耗能能力[22-24]。基于此，本文進行了以角鋼為連接件的CLT鋼木連接節點試驗，通過改變連接節點中緊固件數量，分別在平行于木紋方向和垂直于木紋方向（以CLT最外層層板紋路為準）進行剪力單調加載試驗，分析緊固件數量對鋼木連接節點的力學性能如初始剛度、屈服強度、最大承載力、極限強度、延性等的影響，為今后研究鋼木連接節點對CLT結構抗震性能的影響提供試驗基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗主要材料有：1）五層CLT層板：層板材料為歐洲云杉，等級C24，尺寸為450 mm×600 mm，板厚為140 mm（40-20-20-20-40），如圖1 所示；2）角鋼：尺寸為60 mm×160 mm×120 mm，厚度3 mm，由廈門固捷五金制品有限公司生產，如圖2 所示；3）螺栓：直徑為12 mm，等級8.8；4）緊固件：釘長為60 mm的環紋釘，環紋增強釘的抗拔力，釘帽有利于增強延性，由辛普森公司（Simpson Strong-Tie）生產，如圖3 所示。

圖1 CLT層板Fig. 1 Cross-laminated timber

圖2 角鋼Fig. 2 Angle bracket

圖3 環紋釘Fig. 3 Annular-ringed shank nails

1.2 試驗裝置

試驗裝置由煙臺新天地試驗技術有限公司生產。如圖4 所示，CLT墻通過環紋釘與角鋼連接，而角鋼與鋼板通過4 個螺栓連接，每個CLT樣板均未進行預鉆孔。試驗裝置還包含電動伺服系統、DH3816N靜態應變儀、位移傳感器。電動伺服系統用于控制試驗的加載過程，DH3816N靜態應變儀用于采集在加載過程中的位移-力曲線數據，位移傳感器用于測量鋼木連接節點在剪力方向的位移，并在基礎鋼板上方安裝了4 個“L”型鋼板，在CLT板上方設置了滑動導軌以避免平面外彎矩對試驗的影響。

圖4 試驗裝置示意圖Fig. 4 Experimental setups

1.3 加載方案

本試驗采用位移控制的單調加載連續方式。根據EN 1382Timber Structures-Test methods-Withdrawal capacity of timber fasterners標準，控制實驗室相對濕度在（65±5）%、溫度為（20±2） ℃范圍內。單調加載方案采用EN 26891Timber structures-Joints made with mechanical fasteners-General principles for thedetermination of strength and deformation characteristics(ISO 6891:1983)標準，通過CEN. EN 1995-1-1. Eurocode 5:Design of timber structures-Part 1-1: General-Common rules and rules for buildings中的計算模型估算試驗連接節點的最大承載力（Fest），用于確定在加載初期時卸載的點位0.40Fest，卸載至0.10Fest后繼續單調加載直至連接節點破壞，節點破壞狀態定義為節點最大承載力的80%。加載速率設置在0.05～0.2 mm/s范圍內，控制整個單調加載過程所需時間不超過15 min。

1.4 試件說明

基于目前應用于CLT結構中角鋼緊固件數量基本為12 個，本試驗角鋼中設置數量為6、9、12、15、18個緊固件。所有連接節點在承擔剪力荷載下分別在平行于木紋方向和垂直于木紋方向進行單調加載試驗，每一類型為5 個試件，試件共計50 個。試件命名規則為：“S”代表平行于木紋方向，“P”代表垂直于木紋方向，“M”代表單調加載，“S”后面的數字代表緊固件數量，“M”后面的數字代表試件編號。如S9M2 表示緊固件為9 個、平行于木紋方向單調加載的第二個試件。

2 結果與分析

2.1 破壞現象

分別對不同緊固件數量的鋼木連接節點在平行和垂直于木紋方向下進行剪力單調加載試驗。對于每一節點，在加載初期，試件均未出現明顯的破壞現象，當所受剪力荷載達到極限荷載約45%時，木材發出脆裂聲，此時連接節點處雖無可見裂縫，但可觀察到角鋼“L”形處翹起。不同類型的節點在達到極限荷載時的破壞現象有差異。如圖5 所示，在平行于木紋和垂直于木紋方向上，當緊固件數量較少時，節點的主要變形源于環紋釘與木材銷槽的相互作用，角鋼變形較小；隨著緊固件數量的增加，所能承受的剪力荷載增大，通過螺栓連接至底部鋼板基座的角鋼底部由于受到約束限制，不能產生水平移動，而是向上傾斜，這由上部角鋼傳遞的拉力所致，基于上述原因，角鋼底部的“L”形處伸展程度越大，節點極限位移也相應增大。

在平行于木紋方向，不管緊固件數量多少，CLT板均未出現明顯的破壞現象；在垂直于木紋方向，當節點緊固件數量較少時，木基無破壞現象，而當緊固件為15 個或18 個時，可以明顯看到CLT板最外層層板發生撕裂破壞，這是因為CLT局部層板由環紋釘傳遞至銷槽的壓力達到了銷槽承壓強度。由于角鋼上一側環紋釘嵌入木基，另一側環紋釘有拉伸趨勢，因此可觀察到角鋼產生一定的平面外扭轉變形。如圖5 g所示，在加載過程中，緊固件的破壞形態主要包括釘帽的彎剪破壞和環紋釘的彎曲變形，主要原因是角鋼孔洞直徑為5 mm，環紋釘直徑為4 mm，直徑相差1 mm，導致連接節點在加載前，每個環紋釘與角鋼的緊貼度有所不同，環紋釘在加載過程中受力不均，局部環紋釘所承受的剪力達到了其截面的抗剪承載力因而發生斷釘，而有些環紋釘出現2 個明顯的塑性鉸，有些環紋釘則基本無變形的現象。

圖5 鋼木連接節點破壞Fig. 5 Failure of steel-to-timber connections

2.2 荷載-位移曲線

每次試驗均記錄CLT板與基礎鋼板在剪力方向的相對位移，確定節點的荷載-位移曲線。圖6 和圖7 分別為節點在垂直于木紋方向和平行于木紋方向時，緊固件為18 個時的連接節點全部荷載-位移曲線。

圖6 垂直于木紋方向環紋釘為18 個時的鋼木連接節點荷載-位移曲線Fig. 6 The load-displacement curve of steel-to-timber connections perpendicular to the direction of the grain with the annular-ringed shank nails number of 18

圖7 平行于木紋方向環紋釘為18 個時的鋼木連接節點荷載-位移曲線Fig. 7 The load-displacement curve of steel-to-timber connections parallel to the direction of the grain with the annular-ringed shank nails number of 18

由圖可見，個別試件因孔徑差導致在加載初期時產生空載，出現一定的滑移現象；緊接著節點荷載與位移成線性增加，處于彈性工作狀態；隨著位移的增大，荷載與位移成非線性增加，此時可觀察到角鋼中靠近剪力加載一側的環紋釘被拔出一定長度并發生彎曲變形；在達到最大荷載后，因環紋釘受力不均，部分環紋釘釘帽首先達到載力極限狀態發生釘帽彎剪破壞，其余環紋釘則繼續承受剪力荷載。試件的荷載-位移曲線在破壞階段呈現周期性的上下波動。

2.3 節點性能分析

根 據EN 12512Timber Structures – Test methods –Cyclic testing of joints made with mechanical fasteners.Comité Européen de Normalisation的 標 準 程 序，采 用“方式b”對試驗數據進行分析，得出鋼木連接節點的相關力學性能如初始彈性模量（kser）、屈服荷載（Fy）、最大荷載（Fmax）、極限荷載（Fu）、屈服位移（Vy）、最大荷載對應位移（Vmax）、極限位移（Vu）、延性比（Duct）等，每一類型連接節點的力學性能取其平均值（u）和變異系數COV[σ]。

2.3.1 節點性能共性分析

表1 和表2 所示分別為垂直于木紋方向和平行于木紋方向的鋼木連接節點力學性能。由表中數據可知，由于材料、試驗裝置和試驗操作具有一定的差異性，試驗結果具有一定的離散型，但其變異系數均小于0.15，說明數據可靠。隨著緊固件數量的增加，無論是垂直于木紋方向還是平行于木紋方向，連接節點的初始剛度、屈服荷載、最大荷載、極限荷載增大，其對應的位移也相應增大，如在垂直于木紋方向，緊固件為6、9、12、15、18 個時，連接節點的最大荷載分別為21.85、31.12、33.84、42.12、50.05 kN，其對應的位移分別為13.43、17.59、16.68、20.35、21.98 mm；在 平 行于木紋方向，緊固件為6、9、12、15、18 個時，連接節點的最大荷載分別為23.97、36.79、39.88、46.99、54.38 kN，其對應的位移分別為17.48、18.70、23.63、26.62、28.25 mm。連接節點的變形主要有環紋釘的彎剪變形、木材銷槽承壓變形、角鋼彎曲變形3 部分組成。在達到破壞時，每一類型的環紋釘、木材變形基本一致，但環紋釘數量越多，節點承受的荷載也越大，角鋼彎曲變形增大，對應的位移也增大。這也使得節點的延性性能和耗能能力增大。在節點的延性比上，以垂直于木紋方向時為例，緊固件數量為6、9、12、15、18 個，對應的延性比分別為1.65、1.74、2.13、2.16、2.19，延性比越大，能量耗散的能力也越強，對應的結構抗震能力也越強，因此在CLT設計時建議采用緊固件數量較多的連接節點以提高結構的抗震能力。

2.3.2 節點性能差異分析

對比表1 和表2 數據，得出鋼木連接節點在垂直于木紋方向和平行于木紋方向力學性能差異主要體現在以下幾個方面：

1）相同緊固件數量的節點垂直于木紋方向的初始剛度比平行于木紋方向的初始剛度大，但數值相差不大，緊固件數量為6、9、12、15、18個時分別相差9.5%、2.9%、0.7%、2.9%、4.1%，需注意的是，在CEN.EN 1995-1-1.Eurocode 5中，適用于實木或層交膠合木等木制品的鋼木連接節點初始剛度計算方式是隨著緊固件的增加呈線性增加，從表中數據可知該計算方式并不適用于CLT連接節點。

2）相同緊固件數量的節點在平行于木紋方向的屈服強度、最大強度、極限強度大于垂直于木紋方向，緊固件數量為6、9、12、15、18個的節點最大強度分別相差8.84%、15.40%、15.14%、10.36%、7.96%，緊固件數量在9、12個時，兩者數值相差較大。在CEN. EN 1995-1-1.Eurocode 5中采用歐洲屈服理論計算鋼木節點的承載力，該標準建議在緊固件直徑小于8 mm時不考慮木紋方向的影響。基于此，后續需完善CLT結構基于承載力設計方法[25]中強度增大系數γRd的計算方式，以提高結構設計的準確性。

3）木材順紋受壓時，木纖維受壓屈曲，而在橫紋方向缺少纖維聯系，木材在順紋方向具有更強的塑形變形能力，因此平行于木紋方向的連接節點的屈服位移、最大荷載對應位移、極限位移均大于垂直于木紋方向。如表1 和表2 所示，當緊固件為18 個時，平行于木紋的節點極限位移為35.96 mm，垂直于木紋的節點極限位移為28.96 mm，兩者相差為7.00 mm。

表1 垂直于木紋方向的鋼木連接節點力學性能Tab.1 Mechanical properties of steel-to-timber perpendicular to the grain direction

表2 平行于木紋方向的鋼木連接節點力學性能Tab.2 Mechanical properties of steel-to-timber parallel to the grain direction

4）當緊固件數量相同時，平行于木紋方向的節點延性比大于垂直于木紋方向的節點延性比，耗能能力更強。當緊固件數量較小時，其對垂直于木紋方向的節點延性比影響較為顯著，當緊固件數量大于12 個時，節點延性比趨于平緩；而緊固件數量在6～18 個時，其對平行于木紋方向的節點延性比影響均較為顯著。

3 結論

1）鋼木連接節點的主要破壞形式是環紋釘的釘帽彎剪破壞且局部環紋釘形成塑性鉸；隨著緊固件數量的增加，角鋼“L”形處變形程度越大；在垂直于木紋方向，當緊固件數量大于15 個時，可觀察到最外層CLT層板發生撕裂破壞。

2）無論是在垂直于木紋方向還是平行于木紋方向，CLT鋼木連接節點的初始剛度、屈服荷載、最大荷載、極限荷載及其對應的位移均隨著緊固件的增加而增大。

3）在相同緊固件數量下，垂直于木紋的節點初始剛度大于平行于木紋方向的節點初始剛度；由于順紋具有較強的塑性變形能力，因此平行于木紋的節點屈服位移、最大強度對應位移、極限位移均大于對應垂直于木紋的節點。

4）緊固件數量對平行于木紋方向的節點影響顯著，且在相同緊固件數量下平行于木紋的節點延性比大于垂直于木紋的節點延性比，延性性能和耗能能力較強；緊固件數量越多，節點的延性比越大，在CLT結構設計中建議采用緊固件數量多的連接節點以提高結構的抗震性能。