膠合木結(jié)構(gòu)植筋連接性能研究現(xiàn)狀

郭峰旭，房 夢，李 軍，*，王 燕

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525；2.山東省金鄉(xiāng)縣水務(wù)局，濟(jì)寧 272200)

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于住宅建筑、公共建筑，隨著膠合木進(jìn)入中國木結(jié)構(gòu)市場，其結(jié)構(gòu)和構(gòu)件形式也受到工程界的關(guān)注。膠合木克服原木的缺點(diǎn)，由短變長、積薄為厚、層板優(yōu)化，使現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑具備了跨度空間大、承載能力高、耐火性能好的優(yōu)點(diǎn)。

近年來，國內(nèi)外在膠合木植筋連接的黏結(jié)性能、植筋節(jié)點(diǎn)抗震性能等方面做了較多研究，其中前者通常首先被關(guān)注。膠合木植筋連接中需要注入黏結(jié)材料，即黏結(jié)膠，由于注膠量的控制、木材孔內(nèi)壁的粗糙度等存在不穩(wěn)定性，迄今關(guān)于黏結(jié)材料對植筋連接性能影響的研究尚不充分。我國膠合木植筋連接節(jié)點(diǎn)研究相對較少，應(yīng)用也不甚廣泛，有必要明確進(jìn)一步的研究內(nèi)容和空間。本文分析國內(nèi)外有關(guān)植筋技術(shù)、植筋式膠合木結(jié)構(gòu)、膠合木植筋連接相關(guān)研究、膠合木植筋節(jié)點(diǎn)性能以及膠合植筋研究方法的研究現(xiàn)狀，闡述尚待解決的問題，對于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用具有重要意義。

1 植筋技術(shù)

植筋技術(shù)最早廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固與補(bǔ)強(qiáng)，因?yàn)槿藗儗π陆ńㄖ锏男枨笙鄬p退，很多人選擇在已有的建筑基礎(chǔ)上進(jìn)行維修加固，這種方式更加綠色，更加環(huán)保，從而使植筋技術(shù)的發(fā)展得到促進(jìn)。我國在混凝土植筋技術(shù)方面雖然相對國外起步較晚，但從2000年開始后的幾年內(nèi)，在抗拉拔性能、節(jié)點(diǎn)抗震性能方面有了一定數(shù)量的代表性成果。熊學(xué)玉等[1]研究了不同埋深試件可能會出現(xiàn)的破壞模式，認(rèn)為屈服破壞模式為較理想。閆鋒等[2]采用循環(huán)往復(fù)加載試驗(yàn)研究了4種結(jié)構(gòu)膠混凝土柱的破壞形態(tài)、承載力以及抗震性能，認(rèn)為這些參數(shù)與非植筋整澆混凝土試件相差不大。迄今，我國尚無混凝土植筋方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

受混凝土植筋技術(shù)的啟發(fā)，國內(nèi)外木結(jié)構(gòu)植筋技術(shù)研究有了新的進(jìn)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于梁端拼接、柱腳連接以及墻體的錨固和木結(jié)構(gòu)橋梁等。早在20世紀(jì)80年代國外就對膠合木中植入螺紋桿的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。近年，MEHRAB Madhoushi等[3]研究了基于玻璃纖維增強(qiáng)塑料植筋接長技術(shù)的旋切板膠合木植筋連接性能，認(rèn)為梁韌性大、能量吸收作用明顯。孫小鸞等[4]提出新型裝配式植筋木網(wǎng)殼植筋節(jié)點(diǎn)，并研究了不同參數(shù)影響下的節(jié)點(diǎn)受力性能。

日本建筑學(xué)會在2009年出版的《木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊》中，就圖1所示組合桿式接頭的抗拉、抗彎和抗剪性能計(jì)算提出了建議公式[5]，值得我國借鑒。

圖1 組合桿接頭的受力特征

2 植筋式膠合木結(jié)構(gòu)

近年來，膠合木在國內(nèi)外木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用中受到青睞。膠合木結(jié)構(gòu)形式種類多樣，本文僅就植筋式膠合木結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述，就目前應(yīng)用情況看，主要包括木框架結(jié)構(gòu)、大跨木結(jié)構(gòu)。

2.1 木框架結(jié)構(gòu)

膠合木結(jié)構(gòu)植筋方式多用于柱與基礎(chǔ)連接、梁柱連接，適用于框架結(jié)構(gòu)。國外較早將膠合木植筋用于框架結(jié)構(gòu)。FAIRWEATHER R H針對多層木結(jié)構(gòu)建筑的4種梁柱連接形式[6]，分別采用不同種類植筋與環(huán)氧樹脂膠粘劑植入梁柱構(gòu)件進(jìn)行連接，通過試驗(yàn)證明所采用的梁柱植筋節(jié)點(diǎn)延性較好，環(huán)氧樹脂表現(xiàn)出的黏結(jié)強(qiáng)度比木材更強(qiáng)，采用膠合木植筋連接方式可充分利用膠合木強(qiáng)度、增加節(jié)點(diǎn)剛度。

我國已有多層木結(jié)構(gòu)框架案例，但植筋連接主要體現(xiàn)在局部，如柱-基礎(chǔ)連接[7]。這種裝配式框架結(jié)構(gòu)安裝方便，外觀木質(zhì)感突出。王洪鶴[8]對2種不同的意楊旋切板木框架結(jié)構(gòu)通過擬靜力試驗(yàn)進(jìn)行了研究，認(rèn)為意楊LVL螺栓鋼填板連接純框架的承載力大于植筋連接純框架，但是植筋連接純框架的抗側(cè)剛度要略勝于螺栓鋼填板連接框架。

植筋方式還可以用于加強(qiáng)剛架的力學(xué)性能。JUNG H J等分別采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)桿和金屬桿植入落葉松膠合木門式剛架[9]，對門式剛架施加橫向荷載，結(jié)果表明兩種植筋構(gòu)成的門式剛架的承載力、剛度等性能幾乎相同。

總體來看，膠合木結(jié)構(gòu)植筋方式適用于抗側(cè)能力要求較高的框架結(jié)構(gòu)，在節(jié)點(diǎn)延性、剛度等方面具有優(yōu)勢，可以使膠合木的強(qiáng)度得到充分利用。

2.2 大跨木結(jié)構(gòu)

孫小鸞等[4]通過試驗(yàn)方法研究了不同截面網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)的受力性能，認(rèn)為矩形截面試件受彎承載力大于方形截面試件。VAEK M以K6型單層木網(wǎng)殼的鋼轂與植筋混合網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)為研究對象[10]，依據(jù)實(shí)際受力情況對網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬分析，結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)無較大彎曲變形，受力性能良好。從實(shí)際試驗(yàn)情況看，初始缺陷對節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，因此，初期安裝偏差影響值得重視。

目前來看，大跨木結(jié)構(gòu)的研究主要集中在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，盡管膠合木植筋連接方式也可應(yīng)用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)中[11-12]，但相關(guān)報道較少，膠合木植筋在大跨木結(jié)構(gòu)方面的研究與應(yīng)用有待深入。

3 膠合木植筋連接黏結(jié)性能研究現(xiàn)狀

膠合木植筋連接研究目前主要包括兩方面，即基于拉拔試驗(yàn)的膠合木植筋連接黏結(jié)性能研究、構(gòu)件相連接或拼接組成的試件中植筋連接處的受力性能研究。關(guān)于連接的計(jì)算方法，國內(nèi)外尚未形成共識。

3.1 膠合木植筋連接黏結(jié)性能的影響因素

圖2所示為膠合木植筋基本連接件，由膠合木、膠層和植筋組成。該連接可能會產(chǎn)生以下破壞模式：植筋發(fā)生屈服破壞的植筋屈服模式、膠層發(fā)生剪切破壞的植筋剪切模式、膠層周圍發(fā)生的局部木材破壞模式、木材自身破壞模式。大量研究表明植筋連接宜按照植筋屈服破壞模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。以下從膠合木、植筋、膠層以及幾何參數(shù)4個方面的影響分別闡述。

圖2 膠合木植筋基本連接件剖面

1) 膠合木的影響：目前來看，國內(nèi)外學(xué)者研究主要集中于木材的密度和含水率。

CIMADEVILA J Esteves[13]和CHANS M D Otero[14]等對兩種不同密度的木材進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：隨著木材密度的增大植筋的抗拔性能也隨之增大，但是二者之間并不存在線性關(guān)系。理論上，木材密度對于植筋的抗拔性能影響是通過改變其他參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，即隨著木材密度的增加影響膠合植筋抗拔性能的參數(shù)也會產(chǎn)生改變，說明木材密度的影響是間接的。國內(nèi)學(xué)者聶玉靜[15]對兩種不同密度木材進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，指出木材密度在一定程度上會使其他參數(shù)發(fā)生改變，間接影響膠合植筋抗拔性能。

含水率會影響植筋連接的強(qiáng)度，主要因?yàn)槟静暮实淖兓沟媚静陌l(fā)生干濕縮漲，膠層與木材之間的連接應(yīng)力會隨著含水率的增大而變小[16]。同時含水率變化的影響與使用的膠粘劑的種類也有一定的關(guān)系，AICHER S等[17]在高濕度環(huán)境下，對不同膠粘劑制作的植筋試件進(jìn)行試驗(yàn)研究，認(rèn)為選用環(huán)氧樹脂膠合植筋試件基本不受高濕度環(huán)境影響。RIBERHOLT H[18]的試驗(yàn)研究表明：環(huán)氧樹脂膠粘劑受木材含水率變化影響較小，而含水率對木材本身受力性能影響較大。

2) 植筋的影響：通常采用鋼筋作為植筋。湯舉等[19]采用試驗(yàn)方法研究了相同直徑的光圓鋼筋與螺紋鋼筋的抗拉拔性能，結(jié)果表明：后者的極限破壞荷載遠(yuǎn)高于前者。玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)和碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)也可以作為植筋，其優(yōu)點(diǎn)在于輕質(zhì)、易加工、耐腐蝕性好[20]。

3) 膠層的影響：用于植筋連接的膠粘劑種類很多，目前應(yīng)用最多的是環(huán)氧樹脂(EXP)膠粘劑。BROUGHTON J G等[21]通過試驗(yàn)方法，研究了不同種類膠粘劑的植筋試件，指出環(huán)氧樹脂膠粘劑試件較其他試件具有較強(qiáng)的抗拔承載力。聶玉靜[15]采用單端與雙端拉拔試驗(yàn)方法研究了環(huán)氧樹脂膠與木材、植筋的黏結(jié)性能，證明其具有良好的黏結(jié)強(qiáng)度，抗拔承載力較高。

4) 幾何參數(shù)的影響：植筋的錨固長度顯著影響膠合木植筋連接的承載力以及破壞模式[22]，主要表現(xiàn)為隨著錨固長度的增加植筋連接承載能力提高但不伴隨明顯的線性關(guān)系。但是，植筋的直徑對膠合木植筋連接的抗拔承載力影響不呈明顯的線性關(guān)系[23]。SENNO M等提出將植筋直徑與錨固長度兩參數(shù)結(jié)合，即將長細(xì)比作為影響植筋連接承載能力的因素[24]。TLUSTOCHOWICZ G等指出多桿植筋構(gòu)件中的植筋邊距與植筋間距對承載力的影響顯著[25]，并提出最小邊距2.5d、間距不宜小于4d的建議，其中d為植筋直徑。有研究表明：當(dāng)植筋膠層厚度不斷增加時，植筋連接承載力會有一定程度的增大，隨后趨于穩(wěn)定，建議膠層厚度取2～4 mm[8]。

3.2 基于拉拔試驗(yàn)的膠合木植筋連接黏結(jié)性能計(jì)算

國內(nèi)外對木結(jié)構(gòu)植筋連接黏結(jié)性能研究較多，所提出的計(jì)算方法具體可分為兩大類：一類為基于拉拔試驗(yàn)的膠合木植筋連接性能；另一類為膠合木植筋連接組合桿式接頭受力性能計(jì)算方法，后者在植筋節(jié)點(diǎn)部分介紹。

AICHER S等[26]考慮錨固長度(la)、植筋直徑(da)影響，首先提出軸向拉拔力Fax,mean=πdalafv,mean，其中fv,mean為植筋的平均錨固強(qiáng)度；又考慮密度影響對上述軸向拉拔力計(jì)算公式進(jìn)行了修正[17]。STEIGER R[27]和WIDMANN R[28]等分別提出橫紋植筋和順紋植筋時的軸向拉拔力計(jì)算公式，指出：拉拔力的大小與植筋從木材不同紋理方向植入相關(guān)，不同方向植入植筋連接的計(jì)算方法不同。

近年來，我國對基于拉拔試驗(yàn)的膠合木植筋連接黏結(jié)性能計(jì)算研究成果突出，湯舉等提出了鋼筋屈服狀態(tài)下的極限破壞荷載和平均剪切強(qiáng)度計(jì)算公式[19]，公式中引入了長細(xì)比概念，即植筋錨固長度與直徑的比值。凌志彬[29]通過螺紋鋼植筋試件與螺紋桿植筋試件的拉拔試驗(yàn)研究，提出植筋連接拉拔試件承載力計(jì)算公式。

綜上所述，對于膠合植筋的連接計(jì)算方法國內(nèi)外都有一定的研究成果，但影響連接性能的因素有很多，仍待深入探討。

4 膠合木植筋節(jié)點(diǎn)性能研究現(xiàn)狀

4.1 膠合木植筋節(jié)點(diǎn)受力性能研究

膠合木植筋連接節(jié)點(diǎn)主要包括梁-柱節(jié)點(diǎn)、柱-基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)等，國內(nèi)外學(xué)者在這些節(jié)點(diǎn)的受力性能研究方面做出諸多貢獻(xiàn)。

凌志彬[29]采用試驗(yàn)方法研究了引入耗能連接件的組合式膠合木植筋連接節(jié)點(diǎn)抗震性能，指出與純植筋節(jié)點(diǎn)相比組合式植筋節(jié)點(diǎn)雖然剛度略微降低，但其耗能能力高、延性性能好、加工安裝方便且易于檢修。時境晶等[30]以重型木結(jié)構(gòu)植筋節(jié)點(diǎn)為研究對象，分析了該類植筋節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理、破壞模式，認(rèn)為植筋屈服破壞能夠充分發(fā)揮植筋節(jié)點(diǎn)的耗能能力。BUCHANAN A H等[31]提出一種帶有加強(qiáng)支架的膠合木梁柱植筋節(jié)點(diǎn)，即在梁柱接觸處引用金屬連接件分別和梁柱伸出的植筋相連接，試驗(yàn)研究結(jié)果表明：采用這種連接方式的節(jié)點(diǎn)在滿足承載力的同時又提高了其抗震性。

PARIDA G等[32]的裝配式木墻體試驗(yàn)研究表明：木墻體具有較高的承載力和剛度，但其延性較低，最終的破壞模式為植筋木材的剪切破壞，要避免這種脆性破壞模式還需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

目前來看，國內(nèi)外對膠合木梁柱植筋連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究相對較多，由于整體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)難以在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，數(shù)值模型的精確性就顯得非常重要，考慮節(jié)點(diǎn)剛度的整體結(jié)構(gòu)分析具有合理性。

4.2 膠合木植筋節(jié)點(diǎn)中的各部位計(jì)算

4.2.1 梁柱植筋節(jié)點(diǎn)受彎矩作用時的計(jì)算模型

對于梁柱植筋節(jié)點(diǎn)彎矩承載力的計(jì)算可以轉(zhuǎn)化為受拉植筋的拉力和受壓植筋的壓力、膠合木所受拉力與壓力組成的力偶，圖3為梁柱植筋節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型。

圖3 計(jì)算模型

4.2.2 拼接節(jié)點(diǎn)和梁柱節(jié)點(diǎn)中的各部位計(jì)算

圖1所示拼接節(jié)點(diǎn)和梁柱節(jié)點(diǎn)中的植筋抗拉、接頭處抗彎和節(jié)點(diǎn)抗剪性能，依據(jù)《木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊》[5]計(jì)算如下。

1) 植筋所受軸力Ra的計(jì)算：

Ra=min(τ×A′,at×ft)

(1)

式中：τ為黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；A′為有效黏結(jié)面積，mm2；at為鋼筋的截面面積，mm2；ft為鋼筋的抗拉強(qiáng)度，MPa。

2) 接頭處所受彎矩Ma的計(jì)算：

Ma=min(τ×A′,at×ft)×j

(2)

式中：j為上下植筋之間的距離。

3) 節(jié)點(diǎn)所受剪力Qa的計(jì)算：

Qa=ag×fs

(3)

式中：ag為承受剪力的鋼筋截面面積；fs為承受剪力的鋼筋的抗剪強(qiáng)度。

5 結(jié)束語

膠合木植筋連接性能受多種因素影響。木材選擇間接地影響膠合植筋連接黏結(jié)性能；植筋直徑越大，試件的剛度越大；當(dāng)植筋邊距較小時，試件易發(fā)生劈裂破壞，應(yīng)控制邊距；植筋不宜采用光圓筋，可采用復(fù)合材料進(jìn)行膠合木植筋連接；膠層厚度建議取2～4 mm；膠合木植筋連接在高溫等外界環(huán)境影響下的黏結(jié)錨固性能如何還需做深入研究。值得重視的是：市場上膠粘劑種類多樣，廠家配比不一，適于膠合木植筋并具有較好穩(wěn)定性的膠粘劑性能指標(biāo)有待明確。

膠合木植筋連接的研究和應(yīng)用范圍有待擴(kuò)展。目前植筋多用于木框架梁端拼接、膠合木橋梁等，植筋技術(shù)用于大跨木結(jié)構(gòu)已經(jīng)可行。現(xiàn)階段大跨木結(jié)構(gòu)的研究主要集中在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)方面的植筋研究較少。用于大跨木結(jié)構(gòu)的植筋試件的力學(xué)性能研究已有報道，但關(guān)于大跨木結(jié)構(gòu)中的植筋節(jié)點(diǎn)研究較少，考慮節(jié)點(diǎn)剛度的結(jié)構(gòu)整體分析有待深化。從膠合木植筋連接性能的研究現(xiàn)狀看，應(yīng)用于大跨結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究從數(shù)量和內(nèi)容上尚顯不足，精細(xì)化的數(shù)值模擬研究更為鮮見。

已有研究多采用靜力加載、考慮拉拔性能，但實(shí)際工程往往還伴有彎矩作用，甚至還有疲勞破壞可能，有必要結(jié)合結(jié)構(gòu)形式進(jìn)一步考慮整體工況進(jìn)行研究。

膠合木植筋連接在耐久性方面應(yīng)該存在一定的優(yōu)勢，但相關(guān)研究仍鮮見報道。