木結構剪切螺栓屈服破壞模式及影響因素分析★

曹東平,張蘇俊,朱旭東

(1.揚州大學建筑工程學院，江蘇 揚州 225100； 2.揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225100)

我國是最早使用木結構的國家之一，早在7000年前的古代已有“掘土為穴”和“構木為巣”的原始遺跡。而現代木結構建筑更多的是預制裝配式建筑，為了滿足安全性，適用性，可靠性的三大要求，對于木結構建筑來說，連接位置的強度與穩定性至關重要，因此對連接方法和連接件強度性能都要引起重視[1]。螺栓連接是目前在現代木結構節點連接中應用最廣泛的連接方式，與其他連接方式相比具有施工簡單，靈活的優點。但是由于木材各項異性的特點，剪切螺栓的材料性能、螺紋的深淺、螺桿的長短粗細、螺栓之間組合排列、工作環境的溫度與濕度等[2]，使得螺栓連接的受力性能等變得復雜，剪切螺栓屈服破壞的模式也不盡相同，因此研究木結構剪切螺栓連接的屈服破壞模式及其影響因素對實際工程應用具有重大意義。

1 受力方式

剪切螺栓通過螺栓桿本身固有的鋼材強度抵抗剪力和螺栓桿對木構件上銷槽承壓孔壁承傳遞壓力實現木結構連接功能。根據剪切螺栓受剪的剪力方向和剪力個數，可以大致分為單剪螺栓連接、對稱螺栓連接和不對稱螺栓連接3種連接類型[3]。各種受力類型示意圖見圖1～圖3。

2 屈服模式

1949年丹麥科學家Johanson[4]提出了剪切螺栓連接承載力計算方法，該計算方法中所使用的屈服模式也被稱為“歐洲屈服模式”，該屈服模式主要以銷槽承壓孔和螺栓桿的應力-應變剛塑性模型為基礎。經過大量的實驗和數據驗證，該屈服模式得到的計算結果與實驗結果基本一致，所以該屈服模式不僅被國際公認，也被許多國家用作木結構規范當中的計算模型。剪切螺栓受剪屈服模式[5]類型如表1所示。

表1 螺栓連接節點屈服模式

其中Im和Is統稱為Ⅰ型屈服，由于剪切螺栓的強度很高而銷槽承壓孔的承載力不足導致的屈服。不同之處在于Im屈服是由于厚的木構件的銷槽承壓孔強度低于薄的木構件銷槽承壓孔強度，受壓屈服后導致厚的木構件無法約束螺栓桿，甚至產生相對滑移。Is屈服是厚的木構件強度不小于薄的木構件時，薄的木構件受壓屈服以后無法約束螺栓桿，甚至產生相對滑移。Ⅱ屈服模式發生在不論薄厚，兩側木結構構件銷槽承壓孔強度小于螺栓桿強度，木構件承壓孔均受壓屈服無法約束螺栓桿，產生相對滑移。這3種屈服模式都是由于銷槽承壓孔承載力不足導致的屈服失效。Ⅲm,Ⅲs,Ⅳ屈服模式表現為螺栓桿在木構件承壓孔內形成塑性鉸后螺桿在剪力作用下屈服彎曲失效。Ⅲm：薄構件的銷槽承壓孔的強度遠高于較厚構件的承壓孔強度并對螺栓桿有足夠大的約束則會在薄構件中出現塑性鉸，厚構件由于承壓孔處強度較低，所以承壓孔螺栓桿產生相對滑移甚至承壓孔處發生撕裂或者壓潰。Ⅲs：厚構件內銷槽承壓孔的強度不大于薄構件的承壓孔強度，且對螺栓桿有足夠大的約束則塑性鉸發生在厚構件的承壓孔內，螺栓桿在薄構件承壓孔內產生相對滑移或者木構件承壓孔處撕裂，壓潰。Ⅳ：螺栓桿的強度低或者直徑較小，兩側木結構內的承壓孔都可以約束螺栓桿，在兩側木構件承壓孔中都產生塑性鉸，連接處的螺栓桿受剪屈服。Ⅳ型屈服模式產生了2個塑性鉸，使螺栓桿屈服彎曲，充分發揮了螺栓桿的材料性能，所以在這種模式下無法通過增加木構件厚度來提高承載力，故也被稱為“兩鉸屈服”或者“最大屈服”。Soltis[6]和McLain[7]通過理論分析和試驗發現在Ⅰ,Ⅱ屈服模式下連接節點發生脆性破壞，Ⅲm,Ⅲs,Ⅳ屈服模式下連接節點發生塑性破壞。

3 影響因素

木結構剪切螺栓根據在荷載作用下發生屈服破壞的構件破壞類型可以分為兩類：剪切螺栓螺桿發生屈服彎曲破壞和木構件承壓孔應力過大發生強度破壞。所以剪切螺栓連接的影響因素根據屈服失效的對象也可以分為剪切螺栓因素和木構件因素。

3.1 剪切螺栓因素

3.1.1 螺桿直徑

中南林業科技大學周巍宇[8]研究了不同直徑的螺桿螺栓在落葉松膠合木上的連接性能，試驗方式采用了半孔試驗。研究發現在螺栓強度等級相同的情況下，隨著螺桿尺寸的增大，膠合木的承壓孔的屈服強度降低，但是承壓孔的最大承載力增加。通過實驗對比分析，周巍宇認為螺桿的直徑增大，膠合木的承壓孔直徑也要增大，這樣就削弱了木構件的截面尺寸，減小了有效受力面積，所以屈服強度降低；隨著螺桿直徑的增大，膠合木承壓孔與螺桿的接觸面積增大，受到的應力減小，也避免了應力集中的現象，所以增加了最大承載力。根據試驗結果發現主要是膠合木構件發生脆性屈服破壞。破壞方式包括：木構件的木節開裂；承壓孔壓潰；膠縫開裂。屈服模式可以認為是Ⅰ型屈服和Ⅱ型屈服。

3.1.2 木-木螺栓連接與鋼-木螺栓連接

在實際工程應用中尤其是現代木結構建筑常見的剪切螺栓連接構件有木構件與木構件的連接，木構件與鋼構件的連接，其中木構件與鋼構件的連接包括單純的木材與鋼材連接以及木材與木材中間插入鋼填板的連接。鋼-木螺栓連接由于有高強度鋼板的存在，鋼板對螺栓有足夠強的鉗制力故在鋼板承壓孔處基本不會發生Ⅰ型屈服和Ⅱ型屈服。所以鋼-木連接的屈服時的承載力是會比同條件下木-木螺栓連接的屈服承載力更高。在建筑工程領域內這種螺栓鋼填板連接常見木結構受力較大以及受力復雜的節點，如梁柱節點、主梁與次梁節點、桁架連接節點、柱腳與基礎節點。SOJIDIN等[9]通過建立有限元分析模型在彈塑性工作原理下對鋼-木剪切螺栓連接的屈服破壞模式與承載力的分析也驗證了同條件下鋼-木連接確實比木-木連接性能更好。GB 50005—2003木結構設計規范[10]中規定，計算鋼夾板螺栓連接承載力時取木構件與木構件螺栓連接承載力系數的最大值，即在Ⅳ型屈服模式下木-木螺栓連接形成兩個塑性鉸時的承載力，而且并未規定鋼填板螺栓連接的計算方法。這是因為鋼填板的銷槽承壓孔強度遠遠大于木構件中銷槽承壓孔強度，在木構件中植入鋼填板以后鋼填板銷槽承壓孔會對螺栓桿形成強大的約束，對螺栓桿的轉動具有巨大的鉗制力。GB 50005—2017木結構設計手冊[11]采用了NDS—2015美國木結構設計規范[12]的方法，將鋼板視為一種銷槽承壓孔承壓強度很高的“木材”，承載力的計算方法與木-木螺栓連接相同。EC5歐洲結構設計規范[13]也對螺栓鋼填板連接做出了計算公式，不同的是歐洲結構設計規范對鋼填板作出了薄厚區分：厚鋼板對螺栓桿有足夠的約束作用，而薄鋼板類似于木構件對螺栓桿受剪時約束較小。類似于Johanson對于木-木剪切螺栓連接提出的“歐洲屈服模式”，EC5歐洲設計規范中也對鋼-木剪切螺栓連接的屈服模式做出了詳細規定和說明。鋼-木剪切螺栓連接屈服模式如表2所示。

表2 鋼-木剪切螺栓連接屈服模式

表2中下角標m表示鋼板,s表示木構件;Ⅰs表示木構件銷槽承壓屈服;Ⅱ表示銷剛體轉動;Ⅲm表示銷在木構件中形成塑性鉸;Ⅲs表示銷在厚鋼板邊部或薄鋼板中部形成塑性鉸;Ⅳ表示銷在木構件中以及厚鋼板邊部或薄鋼板中部均形成塑性鉸。

祝恩淳等[14]學者通過兩塑性鉸之間的力矩平衡關系得到Ⅳ型屈服模型下承載力公式：

其中,My為螺栓的塑性鉸彎矩;fha為木材的銷槽承壓孔承壓強度;d為螺栓直徑。

通過公式的對比可以發現，在木構件尺寸，材料強度，螺栓直徑相同的情況下，鋼-木剪切螺栓連接是木-木剪切螺栓連接承載力的1.4倍。原因是厚鋼板的銷槽承壓孔處的強度很高，剪切螺栓塑性鉸形成于鋼板的邊部，銷槽承壓孔處壓力的力臂小于在木構件內部形成塑性鉸的情況，故形成塑性鉸所需的作用力增大，示意圖如圖4,圖5所示。

3.1.3 螺栓的排列方式及中距，邊距，端距

為了防止在受剪情況下由于彎矩的出現導致連接件發生旋轉和滑移的情況出現，極少出現單個螺栓連接的情況，為了保證結構的安全性和穩定性，一般會采取多個剪切螺栓共同連接的方法來抵抗剪力。目前在實際工程應用中常見的排列方式主要包括：并列和錯列，這兩種排列方式互有優點與缺點，并列布置的形式簡單，所用到的連接板尺寸較小，方便施工，但是由于螺栓的并列螺栓的軸線在同一垂直方向上，會削弱構件截面。錯列布置的方式雖然由于銷槽承壓孔軸線不在同一垂直方向上，減小了對木構件截面的削弱，但是布置方式復雜，一般用于尺寸較大的木構件。根據《木結構設計手冊》(第三版)有關規定應采取兩行排列布置螺栓的方式，其中包括兩縱行齊列和兩縱行錯列，示意圖如圖6，圖7所示。

目前對于木結構剪切螺栓的齊列排列和錯列排列對連接承載力的影響還處于研究階段，沒有形成統一的理論。Trayer[15]認為，應盡量避免螺栓的錯列排列，因為它會阻礙應力由拉伸區域向連接節點的傳遞。而Kunesh[16]認為，錯列排列的螺栓減小了對截面的削弱所以提高了螺栓承載力。雖然對于兩種排列方式存在不同的意見但是各國學者通過對兩種剪切螺栓群的排列試驗中發現，靠近木構件端部的螺栓所受到的荷載是大于內部螺栓的，且荷載的分布是不均勻的，所以為了得到準確的連接件屈服破壞承載力，國際上一般常用做法是求得剪切螺栓的承載力之和后再乘以一個修正系數。Doyle[17]對單個螺栓和多個螺栓(兩行兩列)進行了承載力試驗，通過對比試驗結果發現剪切螺栓順紋加載時，群體螺栓的單個螺栓承載力低于單個螺栓承載力，單個螺栓承載力是群體螺栓中單個螺栓承載力的1.1倍。剪切螺栓橫紋加載時，兩者單個螺栓的承載力幾乎相同。

除了螺栓排列方式外螺栓之間的距離，螺栓與木構件之間的距離也會影響螺栓的屈服破壞。Trayer在1932年的研究中就提出了中距、邊距和端距的概念。如果邊距過小，木構件的承壓孔強度不足就無法約束螺栓的轉動會發生Ⅰ型破壞，木構件撕裂。如果中距和端距過小木構件會發生順紋受剪破壞，這些破壞都是脆性破壞，應當避免發生。因此我國《木結構設計手冊》對齊列和錯列的中距、邊距和端距做出了以下規定，見表3。

表3 螺栓排列最小間距

3.2 木構件影響因素

3.2.1 木構件厚徑比

通常情況下，木構件承壓孔的強度是低于螺栓強度的，在相同條件下增加木材的厚度可以增大承壓孔受力面積，提高剪切螺栓連接承載力。Soltis[18]在木結構螺栓連接研究中提出了厚徑比(L/D)的概念，即木構件厚度與螺栓直徑的比值。在一定范圍內，隨著木構件厚度的增加，螺栓連接的承載力也隨著增加，螺栓連接的破壞模式由Ⅰ,Ⅱ型屈服破壞轉變為Ⅲ,Ⅳ型屈服破壞。徐德良在木材-鋼夾板螺栓連接研究中對螺栓直徑一定(11.78 mm)時，對不同L/D的木構件施加荷載，通過試驗發現主構件L/D值在2.25～3.92時，連接節點的破壞模式為Ⅰ型模式；L/D值為6.42時，螺栓連接節點的破壞模式為Ⅱ型模式;L/D值為8.92時，螺栓連接節點的破壞模式為Ⅲ型模式。隨著厚徑比的增加，破壞部位也從木構件的銷槽承壓孔單獨破壞變為銷槽承壓孔和螺栓桿彎曲的同時破壞。

3.2.2 木構件受力方向

螺栓從制作到加工到安裝都是工業化，專業化，標準化操作，螺栓的質量一直都處于一個很好的可控范圍內。但是木材是一種各向異性的彈塑性纖維材料，順紋強度，橫紋強度以及在各個方向上的抗拉，抗剪強度各不相同。因為木結構剪切螺栓節點的布置十分靈活，連接位置不僅可以設置在順紋受剪的部位，也可以設置在橫紋受剪的部位。國外學者同樣對此進行了大量研究，分析了兩種受力方向下剪切螺栓連接屈服破壞模式。Trayer發現當剪切螺栓連接節點受到順紋理方向的剪力，連接節點具有良好的強度和剛度，但隨著荷載的增大，木構件容易發生Ⅰ型和Ⅱ型屈服破壞，木構件銷槽承壓孔處發生撕裂破壞。當剪切螺栓連接受到垂直于紋理方向的剪力時，連接節點的強度有所下降，但是具有更好的延性。

3.2.3 木材含水率的影響

在木材中含有多種水分，根據水分的存在位置可以分為自由水、結合水、附著水三大類。纖維飽和點是指木材中自由水含量(質量分數)為0而附著水含量達到飽和時的含水率。纖維飽和點不僅是木材含水率的一個重要指標更是木材性能的重要影響因素[19]。現代木結構常用的木構件材料在加工時會通過干燥，烘干等方式將含水率(質量分數)控制在20%左右，使構件含水率低于纖維飽和點獲得最優的材料性能。當含水率高于纖維飽和點時，木材強度較低且不隨含水率的變化而變化，當含水率低于纖維飽和點時，木材強度隨含水率降低而增加。Nicolas等[20]進行了以木構件含水率低于纖維飽和點為前提條件下不同含水率的木構件剪切螺栓連接承載力試驗，研究發現屈服破壞模式屬于Ⅰ，Ⅱ型脆性破壞。當含水率(質量分數)小于14%時，木構件承壓孔處發生撕裂破壞，當14%≤含水率(質量分數)≤19%時，木構件承壓孔發生撕裂或壓潰破壞，當含水率(質量分數)大于19%木構件承壓孔僅發生壓潰破壞。

3.2.4 木構件環境溫度

通過孫元光等[21]學者的研究發現，當溫度低于-2 ℃時，木材中的自由水會結晶，溫度進一步降低時木材內的附著水也會結冰。木材中的水以結晶狀態存在會提高木材的強度，但是水分結晶會發生膨脹，使木材韌性降低。對比試驗數據發現在這種低溫條件下木構件的塑性和沖擊韌性會降低，但是抗拉強度和抗剪強度均有所增加。因此在低溫環境中的剪切螺栓連接屈服時可以承受更高的荷載，但是由于塑性的降低，發生Ⅰ，Ⅱ型屈服破壞的概率將大大提高。所以在我國東北等嚴寒地區的木結構螺栓連接也要重點考慮溫度影響。龔仁梅等[22]研究了在正溫度下，溫度對木材力學性能的影響。試驗結果通過曲線擬合表明，在中、低溫度下，溫度與木材的橫紋抗壓強度和抗彎彈性模量成反比，在高溫地區，溫度與抗彎強度成反比，與橫紋抗壓強度成正比。在正溫度的情況下由于溫度的升高會導致木材抗彎強度或者抗彎彈性模量的降低，所以木構件承壓孔容易發生脆性屈服破壞。

4 結論與展望

1)木結構剪切螺栓連接的屈服模式與塑性鉸有很大關系。當承壓孔強度較低或者木構件過薄，不能形成塑性鉸約束螺桿就容易發生Ⅰ,Ⅱ型脆性屈服破壞，屈服承載力也較低。當連接節點可以產生塑性鉸約束螺桿時，螺桿容易發生受彎屈服，發生Ⅲ,Ⅳ型塑性破壞。

2)對比上述影響因素發現：螺栓影響因素中鋼-木剪切螺栓連接是最大的影響因素。鋼-木剪切螺栓連接由于塑性鉸約束作用更強，鋼板相對于木構件性能更加優越，不僅提高了承載力(鋼-木連接承載力是木-木連接承載力的1.4倍),還更易發生延性破壞。在木構件的影響因素中，木構件受力方向是最大的影響因素，所以順紋剪切屈服破壞的承載力遠大于橫紋剪切屈服破壞的承載力。

3)國際上對木結構螺栓連接的排列方式目前還沒有統一的結論與計算公式，可以重點研究各種不同條件下齊列與錯列對于木結構螺栓連接屈服破壞模式以及影響因素，并且將研究成果應用到實際工程中。

4)由于木結構螺栓連接可靠、靈活、安全的特點，可以考慮采取與螺栓連接及其他連接件共同工作的組合形式。并且通過試驗，理論計算等方式研究屈服破壞情況與影響因素。比如可以將螺栓連接與齒板連接組合起來應用于木結構連接。

5)目前，大部分的研究都是對新構件，新螺栓進行加載實驗，很少涉及木結構螺栓連接的蠕變和耐久性實驗。美國學者曾做過木結構承載力失效實驗，發現木構件在持續荷載的作用下，在3 a～5 a以后只能承受原有極限荷載的60%。所以對于木構件剪切螺栓連接在耐久條件下的屈服模式和影響因素同樣值得研究。