陳志勇,祝恩淳,潘景龍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,哈爾濱150090)

木材是天然綠色的建筑材料,由其建造的輕型木結(jié)構(gòu)房屋具有施工快捷、構(gòu)造簡單、節(jié)能美觀及抗震性能好等優(yōu)點。因此,輕型木結(jié)構(gòu)住宅在歐洲、美洲和亞洲的多個國家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。中國木結(jié)構(gòu)經(jīng)19世紀80-90年代短暫的停歇后,在20世紀之交再度復(fù)興起來,尤以北京、上海、蘇州及成都等地區(qū)建造的輕型木結(jié)構(gòu)建筑為一大熱點。

輕型木結(jié)構(gòu)(Light wood framEconstruction)是由規(guī)格材和木基結(jié)構(gòu)板材釘合而成的剪力墻和橫隔(樓蓋和屋蓋)組合而成[1],因此釘連接的側(cè)向抗剪承載性能是輕型木結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載的關(guān)鍵問題。1949年,Johansen[2]提出了用于計算銷連接承載力的“屈服理論”(Yield Theory),之后M?ller[3]將該理論推廣到釘連接的多種連接形式的承載力計算中。Siimes[4]、Mack[5]、Aune[6]、Larsen[7]和Norén[8]等分別先后通過大量試驗驗證了“屈服理論”的適用性,并將其應(yīng)用到各國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中。Aune[9-10]、Jorissen[11]、Blass[12-13]、Steve[14]、Chui[15]、Hirai[16]和 Johansson[17]等從試件形式 、群銷效應(yīng)、楔入效應(yīng)或施工工藝等方面研究了連接形式對釘連接承載性能的影響;Dolan[18]、Dujic[19]、David[20]、 Kuilen[21]、 Robert[22]、 Hirai[16]、Nakajima[23]和Scott[24]等從反復(fù)荷載作用、荷載持續(xù)作用或環(huán)境因素等方面對釘連接承載性能衰退效應(yīng)進行了研究;David等[25]研究了釘連接在側(cè)向荷載和拔出荷載共同作用下的工作機理;Larsen[26]、Kuipers[27]、Douglas[28]、David[25]和 Dujic[19]等通過試驗對其他連接形式和釘連接的承載性能進行了對比。

既有釘連接的試驗分析和理論研究,大都基于具有足夠邊距和端距的直釘釘連接試件的側(cè)向抗剪試驗[29],但輕型木結(jié)構(gòu)的覆面板釘連接往往并不滿足設(shè)計規(guī)范[30-31]對其邊距或端距的要求,尤其是兩塊覆面板共用一根規(guī)格材(墻骨或擱柵)時采用斜釘方式的情況。因此,該文參考工程實際設(shè)計制作了16組共222個具有輕型木結(jié)構(gòu)覆面板釘連接構(gòu)造特點的試件,通過單調(diào)加載試驗研究揭示了釘入方式、覆面板主方向與規(guī)格材木紋夾角α、及荷載方向與規(guī)格材木紋夾角θ等因素對釘連接承載性能的影響規(guī)律,并與歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC5[31]釘連接計算公式的計算結(jié)果進行對比分析,通過增加角度修正項得到了適合中國工程輕型木結(jié)構(gòu)覆面板釘連接剛度的計算公式,為計算分析剪力墻和橫隔(樓蓋和屋蓋)的抗側(cè)力性能提供參考。

1 釘連接側(cè)向抗剪試驗

1.1 試件材料

根據(jù)中國GB 50005-2003[30]《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定和當(dāng)前工程實踐,輕型木結(jié)構(gòu)中覆面板和規(guī)格材之間的釘連接最常用直徑為2.8mm、長度為50mm的2寸普通圓鋼釘。從市場購得釘子的平均實測直徑為2.92mm,平均彎曲屈服強度為802mPa,平均抗拉強度為1 007mPa。覆面板采用北美進口厚度為9.5mm的定向木片板(OSB),實測平均含水率(MC)為10.7%,平均氣干密度(MC=12%)為620 kg/m3。規(guī)格材選用截面尺寸為 38mm×89mm北美進口Ⅱc級云杉-松-冷杉(S-PF),實測平均含水率為13.8%,平均氣干密度(MC=12%)為 440 kg/m3。

1.2 試件設(shè)計與制作

在輕型木結(jié)構(gòu)中,剪力墻和橫隔(樓蓋和屋蓋)通常是由規(guī)格材構(gòu)成框架,再覆以木基結(jié)構(gòu)板材(結(jié)構(gòu)膠合板或OSB)作面板,覆面板與規(guī)格材用釘子按一定間距釘結(jié)。由于規(guī)格材截面寬度為38mm,沿剪力墻和橫隔周邊覆面板釘連接的邊距或端距即為19mm;當(dāng)兩塊覆面板與同一根規(guī)格材連接時,釘子在覆面板的邊距或端距為10mm,而在規(guī)格材的則為 7mm,且需斜釘連接。這都比GB 50005-2003[30]對直徑為2.92mm釘子的最小邊距(11.68mm)和端距(43.8mm)要求低。當(dāng)剪力墻或橫隔受面內(nèi)水平荷載作用時,覆面板上各點釘連接的荷載方向與規(guī)格材木紋夾角θ均不相同。歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC5[31]規(guī)定木結(jié)構(gòu)普通釘連接的邊距和端距不得小于(3+4sinθ)倍釘子直徑。由此可知,只有當(dāng)夾角θ小于6.1°時其最小邊距和端距才不大于10mm,然而大部分覆面板釘連接的夾角θ都大于6.1°,不能滿足最小邊距和端距的要求。因此,為考察實際工程中釘連接的承載性能,設(shè)計制作了兩類試件進行單調(diào)加載試驗。第1類試件:采用斜釘方式,釘連接邊距或端距為10mm,按荷載方向與規(guī)格材木紋夾角 θ分為 0°、45°、90°、-45°和 -90°共 5 大組(如圖1所示),每大組有30個試件。第2類試件:采用直釘方式,釘連接邊距或端距為19mm,按夾角 θ分為 0°、45°和 90°3大組(如圖1所示),每大組有24個試件。以上8大組試件又分覆面板主方向與規(guī)格材木紋平行(I型)和垂直(II型)兩種情況,即共有16組222個試件,試件參數(shù)詳見表1,各組試件形式如圖2所示。

表1 釘連接試件參數(shù)設(shè)計

圖2 釘連接試件形式

為避免含水率的影響,先將切割好的覆面板與規(guī)格材放置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境(溫度為20℃±2℃、相對濕度為65%±5%)的人工氣候室中養(yǎng)護,直至含水率達到平衡后再釘合成試件。

1.3 試驗方案和裝置

中國尚無釘連接側(cè)向抗剪試驗方法標(biāo)準(zhǔn),故參考國際上常用的3個試驗標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1761[32]、EN 26891[33]和NT Build 133[34],制定了試驗方法和研制了加載夾具(如圖3所示)[35]。圖3(a)、(b)和(c)分別為進行荷載方向與規(guī)格材木紋夾角θ=0°、±45°和±90°的釘連接側(cè)向抗剪試驗的加載夾具。為使試件盡可能地接近實際工程中輕型木結(jié)構(gòu)的使用與受力特點,將釘合好的試件存放在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的人工氣候室中養(yǎng)護2周,然后在具有同樣溫濕度環(huán)境的實驗室內(nèi)進行釘連接側(cè)向抗剪試驗。試驗時,將釘連接試件、力傳感器和百分表安裝到加載夾具上并連通采集系統(tǒng)后,如圖3所示,以 2.50mm/min勻速加載,至荷載降到最大荷載Pmax的80%時停止加載。試驗表明,該試驗方法及加載夾具是有效和可靠的。

2 試驗結(jié)果

2.1 覆面板釘連接的破壞模式

圖3 釘連接試驗裝置

釘連接的承載力與其屈服破壞模式[2]密切相關(guān),根據(jù)主、邊材的厚度及銷槽承壓強度和釘子直徑及抗彎強度等因素的關(guān)系,單剪釘連接共有6種屈服模式(如圖4所示)[31]:M-a1(釘桿與主材未屈服而邊材屈服)、M-a2(釘桿與邊材未屈服而主材屈服)、M-b(釘桿未屈服而主、邊材都屈服)、M-c1(釘桿屈服出現(xiàn)1個塑性鉸,邊材屈服而主材部分屈服)、M-c2(釘桿屈服出現(xiàn)1個塑性鉸,主材屈服而邊材部分屈服)和M-d(釘桿屈服出現(xiàn)2個塑性鉸,主、邊材部分屈服)。根據(jù)釘連接試件所用材料特性,按歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC5[31]釘連接承載力公式預(yù)測,該文所有試件的屈服模式均應(yīng)為M-c1。從破壞試件中取出釘子,其屈服形態(tài)如圖5所示?？梢?95%以上釘連接試件的屈服模式為M-c1,尚有不足5%的試件以M-d模式屈服。由此再次驗證了EC5[31]釘連接設(shè)計公式能基本反映釘連接承載力與材料性能間的關(guān)系。

圖4 釘連接屈服破壞模式

圖5 部分釘連接試件的釘子屈服破壞模式

然而,A組試件由于其覆面板邊距(10mm)太小,個別試件在連接屈服前發(fā)生覆面板斷裂破壞,如圖(6a)所示;B組和C組試件因其覆面板或規(guī)格材端距(10mm)太小,較多試件在連接屈服前發(fā)生覆面板剪壞或規(guī)格材撕裂兩種脆性破壞,如圖6(b)和6(c)所示;個別釘連接釘子的釘帽直徑偏小,致使覆面板在釘帽下局部承壓破壞而發(fā)生釘子穿透,如圖(6d)所示。

圖6 釘連接其他破壞形式

2.2 荷載—滑移曲線

圖7為16組釘連接側(cè)向抗剪試驗的荷載—滑移曲線。由圖可見,釘連接在受力初始階段的荷載和滑移關(guān)系表現(xiàn)為近似線彈性,然后進入屈服強化階段,除B、C兩大組試件塑性變形較小且因覆面板剪壞(如圖6(b)所示)或規(guī)格材撕裂(如圖6(c)所示)而在達到最大荷載后立即失去承載力外,其它6大組試件塑性變形較大且在達到最大荷載后逐漸失去承載力。

圖7 釘連接側(cè)向抗剪試驗荷載—滑移曲線

3 試驗結(jié)果分析

3.1 承載力和剛度定義

按EN26891[33]的規(guī)定,取荷載值分別為10%Pmax和40%Pmax兩點間的割線斜率為釘連接的剛度K;參考NT Build 133[34]將釘連接在滑移不大于7.62mm(0.3 in.)時的最大荷載定義為釘連接的承載力 Py,如圖8所示。

試驗結(jié)果與國際上幾本主要木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的釘連接承載力和剛度計算公式[36]比較,發(fā)現(xiàn)與歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC5[31]的計算結(jié)果吻合最好,詳見表2。表中實測承載力與計算值接近,而實測剛度除荷載方向垂直于規(guī)格材木紋方向(θ=90°)時稍大于計算剛度外,其他情況皆小于計算剛度,這是因為試件釘合后并未立即進行加載試驗,而是放置了14 d后再進行試驗,使釘連接的銷槽承壓應(yīng)力松弛從而導(dǎo)致釘連接剛度降低[37]。這體現(xiàn)了試件放置時間對釘連接剛度的顯著影響[35]。

圖8 釘連接剛度K和承載力Py定義示意圖

表2 釘連接承載力和剛度統(tǒng)計

3.2 釘連接的承載力

為分析荷載方向與規(guī)格材木紋夾角θ、釘入方式、覆面板主方向與規(guī)格材木紋夾角α等因素對釘連接承載力的影響,將實測承載力(Py)除以由歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC5[31]釘連接計算公式得到的承載力(Pser),即得Py/Pser,此比值與夾角θ的關(guān)系如圖9所示。圖中,荷載方向與規(guī)格材木紋夾角θ=315°和270°分別為 θ=-45°和 -90°的情況。因 θ=135°、180°和 225°的釘連接形式分別與θ=45°、0°和 -45°的釘連接試件相同(如圖1 所示),故前者承載力與后者相同。

圖9 釘連接承載力Py/Pser比與夾角θ的關(guān)系

荷載方向與規(guī)格材木紋夾角θ的影響 由圖9可見,斜釘和直釘各種θ情況的承載力比(Py/Pser)的連線基本呈圓形和半圓形,表明釘連接的承載力基本不受夾角θ的影響。

釘入方式及覆面板主方向與規(guī)格材木紋夾角α的影響由表2和圖9可知,直釘試件的承載力比值(Py/Pser)平均比斜釘試件約大14.2%,即直釘連接承載力比斜釘連接的高。無論是斜釘還是直釘試件,其I類試件(覆面板主方向與規(guī)格材木紋夾角α=0°)的 Py/Pser比II類試件(α=90°)的稍大 ,但不超過5%,故夾角α的影響可忽略不計。同時,與文獻[35]中放置7 d的試件比較,其覆面板主方向垂直于規(guī)格材木紋的試件的承載力為平行時的91.6%,由此可知,夾角α對釘連接承載力的影響隨試件放置時間的增加而減小。

3.3 釘連接的剛度

為分析荷載方向與規(guī)格材木紋夾角θ、釘入方式、覆面板主方向與規(guī)格材木紋夾角α等因素對釘連接剛度的影響,與3.2的處理相似,將實測剛度(K)除以由歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC5[31]釘連接計算公式得到的剛度(Kser),即得K/Kser。此比值與夾角θ的關(guān)系如圖10所示。圖中,荷載方向與規(guī)格材木紋夾角θ=315°和 270°分別為θ=-45°和 -90°的情況。因θ=135°、180°和225°的釘連接形式分別與θ=45°、0°和 -45°的釘連接試件相同(如圖1所示),故前后兩者的剛度相同。

圖10 釘連接剛度比K/Kser與夾角θ的關(guān)系

荷載方向與規(guī)格材木紋夾角θ的影響 由圖10可見,斜釘和直釘各種θ情況剛度比(K/kser)的連線基本呈橢圓形和半橢圓形,表明夾角θ對釘連接的剛度影響較大。對于夾角θ=0°、-45°和-90°的斜釘試件,因覆面板與規(guī)格材受力端的端距(覆面板≥50mm,規(guī)格材＞10mm)足夠大,且斜釘方向?qū)︶斪涌箯澯欣?如圖1所示釘桿與荷載方向的夾角小于90°),所以其 K/kser受夾角 θ的影響較小,基本為一定值 ,約為0.5;經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn) ,夾角θ=0°、45°和90°的斜釘試件,其K/kser與夾角 θ成線性遞增關(guān)系 ;對于夾角 θ=0°、45°和 90°直釘試件,板受力端的端距為19mm,其K/Kser與夾角θ成指數(shù)遞增關(guān)系?？梢?釘連接在覆面板或規(guī)格材受力端的端距足夠大時,其剛度受荷載與規(guī)格材木紋夾角θ的影響很小;在覆面板或規(guī)格材受力端的端距較小時,其剛度受夾角θ的影響很大。

釘入方式及覆面板主方向與規(guī)格材木紋夾角α的影響 直釘試件的剛度除夾角θ=45°的情況比斜釘?shù)牡屯?其它θ情況與斜釘試件的基本相同。無論是斜釘還是直釘試件,其I類(覆面板主方向與規(guī)格材木紋夾角α=0°)試件的K/kser都比II類(α=90°)試件的稍大,但基本不超過 5%,故夾角α的影響可忽略不計。同時,與文獻[35]中放置7 d的試件比較,其覆面板主方向垂直于規(guī)格材木紋的試件剛度為平行時的84.0%,從而可知,夾角α對釘連接剛度的影響隨試件放置時間的增加而減小。

考慮夾角θ和試件放置時間影響的剛度計算公式由以上分析可知,荷載方向與規(guī)格材木紋夾角θ對釘連接的剛度有明顯影響。通過對試驗數(shù)據(jù)進行擬合(如圖10所示),可在EC5[31]釘連接剛度公式基礎(chǔ)上增加一角度修正項,得到輕型木結(jié)構(gòu)覆面板釘連接剛度計算公式:

式中,k為覆面板釘連接剛度,N/mm;λK,θ為夾角θ修正系數(shù),如式(2)所示;kser為歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC5[31]釘連接的計算剛度,N/mm。

4 結(jié)論

通過16組共222個釘連接試件在單調(diào)荷載作用下的試驗研究,獲得如下主要結(jié)論:

1)輕型木結(jié)構(gòu)覆面板釘連接主要發(fā)生模式M-c1屈服破壞,符合歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC5[31]釘連接設(shè)計公式的結(jié)果。但一些試件因覆面板或規(guī)格材端距或邊距太小而在連接完全屈服前就發(fā)生了覆面板斷裂、剪壞或規(guī)格材撕裂破壞;個別試件的釘子釘帽直徑太小而發(fā)生釘子穿透。

2)直釘試件的承載力比斜釘試件平均高14.2%,但兩者的剛度基本相同。覆面板主方向與規(guī)格材木紋夾角α對釘連接的承載力和剛度的影響可以忽略不計。釘連接的承載力基本不受荷載方向與規(guī)格材木紋夾角θ的影響。當(dāng)釘連接覆面板或規(guī)格材受力端端距足夠大時,其剛度不受夾角θ的影響;在覆面板或規(guī)格材受力端端距較小時,其剛度則隨夾角θ的增大而增加。

3)養(yǎng)護2周后再進行試驗的釘連接,其實測承載力與EC5[31]計算公式結(jié)果接近,而由于木材應(yīng)力松弛導(dǎo)致其實測剛度與EC5[31]計算公式結(jié)果相差較大,同時以上2個公式都未曾考慮荷載方向與規(guī)格材木紋夾角θ的影響。通過在EC5[31]釘連接剛度公式的基礎(chǔ)上增加一角度修正項,得到了輕型木結(jié)構(gòu)覆面板釘連接剛度的計算公式,為計算分析剪力墻和橫隔(樓蓋和屋蓋)的抗側(cè)力性能提供參考。

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