張雪雯 張?zhí)K俊, 朱旭東 杜姚姚

（1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

木結(jié)構(gòu)建筑體系的整體承載能力、剛度和穩(wěn)定性主要取決于連接結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度。當(dāng)木結(jié)構(gòu)建筑遇到地震、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害時(shí)，結(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)不當(dāng)往往是引起整個(gè)結(jié)構(gòu)損壞的主要原因[1]。連接結(jié)點(diǎn)是木結(jié)構(gòu)建筑研究較為關(guān)鍵的部分。

我國(guó)古代的木結(jié)點(diǎn)連接方式都以榫卯連接為主，其具有一定的強(qiáng)度、韌性以及變形能力，在遇地震荷載作用時(shí)，通常會(huì)通過(guò)變形將一部分地震能量抵消掉[2-3]。但組成榫卯結(jié)點(diǎn)的構(gòu)件加工過(guò)程比較繁瑣、費(fèi)時(shí)，加工精密程度對(duì)整個(gè)木結(jié)構(gòu)的受力有很大影響，同時(shí)榫卯結(jié)點(diǎn)處的構(gòu)件截面削弱程度較其他部位的大，是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的薄弱位置，容易出現(xiàn)脫榫、開(kāi)裂、甚至折斷等破壞現(xiàn)象[4-8]?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)點(diǎn)大都采用附加金屬件連接方式，如木構(gòu)件之間通過(guò)鋼板和螺栓相連，具有加工便捷、安裝效率高等優(yōu)勢(shì)[9-10]。影響現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)梁柱連接結(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的因素很多，如木材材性[11-12]、螺孔間隙[12]、構(gòu)件的截面尺寸[13-14]等。

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑中柱子為整體構(gòu)件（整柱）或事先連接好的整體構(gòu)件，即所謂的“通天柱”，建造方式采用先立柱再架梁，建造時(shí)施工難度大、效率低。目前一些現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑中通常也采用“通天柱”（整柱）的形式，梁柱結(jié)點(diǎn)采用植筋連接[15-18]、金屬件連接[19-22]等方式，也存在類似的運(yùn)輸、吊裝困難的施工問(wèn)題。本文介紹一種可以分層吊裝建造的木框架梁柱結(jié)點(diǎn)（柱子在樓層結(jié)點(diǎn)處分段），可實(shí)現(xiàn)木框架結(jié)構(gòu)建筑的分層裝配，具有運(yùn)輸方便、安裝效率高的優(yōu)點(diǎn)。這種新型梁柱結(jié)點(diǎn)主要通過(guò)螺栓-內(nèi)填鋼板的連接形式，也就是梁柱之間由內(nèi)填鋼板和螺栓緊固的方式連接。這種連接形式與一般外夾鋼板的梁柱結(jié)點(diǎn)相比，具有更好的防銹蝕能力和外裝飾效果。

為測(cè)試這種分層裝配式木框架梁柱結(jié)點(diǎn)的受力性能，本文對(duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行了單調(diào)加載試驗(yàn)，得到了各結(jié)點(diǎn)試件測(cè)點(diǎn)處荷載-位移曲線、彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，并且通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)不同梁截面尺寸下的結(jié)點(diǎn)區(qū)破壞形態(tài)、強(qiáng)度、剛度、變形、受力狀況等方面進(jìn)行了分析研究，為今后分層裝配式木框架連接結(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用膠合木材質(zhì)為Ⅱc花旗松[Pseudotsuga menziesii(Mirbel) Franco]，供應(yīng)商為揚(yáng)州市怡人木業(yè)有限公司，其材料性能如表1 所示。連接各構(gòu)件的鋼板材質(zhì)均為Q345B，厚度為8 mm，供應(yīng)商為揚(yáng)州牧羊鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司。緊固件采用8.8 級(jí)螺栓，公稱直徑為8 mm，螺桿總長(zhǎng)為155 mm，螺桿中無(wú)螺紋段長(zhǎng)為130 mm。

表1 花旗松材性Tab.1 Material properties of douglas-fir

1.2 結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作2 組分層裝配式梁柱結(jié)點(diǎn)試件，編號(hào)為DJ1、DJ2，每組制作3 個(gè)相同試件。2 組試件結(jié)點(diǎn)連接形式相似，但組成構(gòu)件木梁的截面高度不同。一組試件梁的截面高度為200 mm，結(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)為DJ1；另一組試件梁的截面高度為140 mm，結(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)為DJ2。木梁與上下木柱采用鋼填板、螺栓連接，螺栓的排列方式根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第三版）中的相關(guān)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體分層裝配式梁柱結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)詳圖如圖1 所示。

1.3 試驗(yàn)裝置及加載方法

試驗(yàn)在揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，考慮梁柱結(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程中的真實(shí)受力狀態(tài)，采用木柱豎向放置（圖2），并在梁端施加荷載的試驗(yàn)方式。加載時(shí)保證結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形，與實(shí)際受力狀態(tài)吻合。試件力學(xué)模型如圖3 所示。上下柱兩端使用鉸接點(diǎn)，一方面限制柱底的水平與豎向位移，另一方面限制柱頂?shù)乃轿灰?，使整個(gè)結(jié)點(diǎn)為一個(gè)靜定體系。木柱與木梁的正上方都設(shè)有一個(gè)液壓千斤頂，最大量程分別為500、300 kN。在進(jìn)行單調(diào)加載試驗(yàn)時(shí)，先在上柱柱頂施加一個(gè)恒定的豎向荷載，再對(duì)梁端施加載荷，加載點(diǎn)位置距離梁端部100 mm處。具體加載裝置如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)加載裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test loading device

圖3 試驗(yàn)加載力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of test loading

為避免木梁在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)側(cè)向失穩(wěn)，在梁端設(shè)置了防止側(cè)向失穩(wěn)的導(dǎo)向裝置，以防止試件加載變形傾斜后，對(duì)油缸產(chǎn)生水平方向的反作用力導(dǎo)致油缸活塞損傷。

為了解結(jié)點(diǎn)構(gòu)件在豎向荷載作用下的變形情況，在相關(guān)位置設(shè)有位移計(jì)，如圖4 所示。其中位移計(jì)W1、W2 用于測(cè)量上下柱的橫向位移；W3、W4、W5 用于測(cè)量梁的豎向位移。

圖4 位移計(jì)布置圖Fig.4 Displacement meter layout

單調(diào)加載通過(guò)控制位移的方法進(jìn)行，分兩個(gè)階段。1）預(yù)加載：在正式加載前需進(jìn)行預(yù)加載，以檢測(cè)位移計(jì)是否處于正常工作狀態(tài)，同時(shí)使各組成構(gòu)件之間接觸良好。加載速率為0.1 mm/s，當(dāng)加載至結(jié)點(diǎn)預(yù)估荷載值的10%時(shí)，持荷2 min，隨后卸載。2）正常加載：加載速率為0.1 mm/s，當(dāng)結(jié)點(diǎn)構(gòu)件出現(xiàn)明顯破壞或荷載值下降至最大荷載值的80%時(shí)，停止加載，隨后卸載。

2 結(jié)果與分析

各試件最大加載值見(jiàn)表2，試驗(yàn)數(shù)據(jù)保留兩位小數(shù)。

表2 各試件的最大加載值Tab. 2 Maximum loading value of each test-piece

2.1 梁端（加載點(diǎn)）荷載-位移曲線

2 組結(jié)點(diǎn)梁端加載點(diǎn)測(cè)得的荷載-位移曲線與相應(yīng)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖5 所示。彎矩-轉(zhuǎn)角曲線通過(guò)計(jì)算公式求得，試件彎矩M（kN·m）可由公式（1）表示，轉(zhuǎn)角φ（rad）可由公式（2）表示。

式中：F為梁端加載頭所施加的荷載值，kN；L0為加載頭中心線到下柱與木梁接觸位置的距離，mm。

式中：δ5為位移計(jì)W5 所測(cè)得的豎向位移值，mm。

由各試件的荷載-位移曲線圖可看出，2 組結(jié)點(diǎn)在加載初期，梁端位移量基本上隨荷載量呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，結(jié)點(diǎn)處于彈性工作階段；當(dāng)荷載達(dá)到一定數(shù)值后，2 組結(jié)點(diǎn)的曲線斜率產(chǎn)生變化，大體呈減小趨勢(shì)，結(jié)點(diǎn)處于塑性工作階段；當(dāng)結(jié)點(diǎn)達(dá)到極限荷載時(shí)，再持續(xù)加載，結(jié)點(diǎn)剛度明顯下降，直至試驗(yàn)終止。

觀察2 組試件的彎矩-荷載曲線，其試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)相差在10%以內(nèi)，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果具有一定的可靠性，因此給出2 組結(jié)點(diǎn)平均彎矩-轉(zhuǎn)角曲線關(guān)系圖（圖6）進(jìn)行對(duì)比。

圖6 單調(diào)加載2 組結(jié)點(diǎn)平均彎矩-轉(zhuǎn)角曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of average moment-rotation curve of two sets of nodes under monotonic loading

由圖6 可見(jiàn)，2 組結(jié)點(diǎn)試件測(cè)試曲線在初始階段呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在上下柱出現(xiàn)水平向錯(cuò)動(dòng)的那一刻，彎矩值突然減小，然后繼續(xù)增加。DJ1 組結(jié)點(diǎn)的剛度明顯比DJ2 組結(jié)點(diǎn)的剛度大，承載力高，這是因?yàn)镈J1組結(jié)點(diǎn)梁的截面高度比DJ2 組結(jié)點(diǎn)梁的截面高度大，說(shuō)明梁的截面高度變化會(huì)影響整個(gè)結(jié)點(diǎn)的受力性能。

由彎矩-轉(zhuǎn)角曲線還可得出2 組結(jié)點(diǎn)的彈性剛度Ke、塑性剛度Kp、屈服彎矩My、極限彎矩Mu、破壞彎矩Mf；以及分別與屈服彎矩、極限彎矩、破壞彎矩相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θy、θu、θf(wàn)。參考Y&K方法[23-26]計(jì)算結(jié)點(diǎn)的剛度以及屈服點(diǎn)，其示意圖如圖7 所示。結(jié)點(diǎn)試件的彈性剛度即圖中Ke所對(duì)應(yīng)直線的斜率，也就是極限彎矩Mu的10%對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角和極限彎矩Mu的40%對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角兩點(diǎn)連線的斜率。同樣，結(jié)點(diǎn)試件的塑性剛度即示意圖中Kp所對(duì)應(yīng)直線的斜率。另外，屈服彎矩My及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θy通過(guò)屈服點(diǎn)反映，屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的彎矩即屈服彎矩My，相應(yīng)的轉(zhuǎn)角即θy。結(jié)點(diǎn)的極限彎矩Mu為平均彎矩-轉(zhuǎn)角曲線中最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的彎矩值，破壞彎矩Mf為超過(guò)最大加載值的80%所對(duì)應(yīng)的彎矩值。延性系數(shù)μ為破壞彎矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θf(wàn)與屈服彎矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θy之比，即μ=θf(wàn)/θy。

圖7 Y&K方法示意圖Fig.7 Y&K method

2 組結(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)曲線主要參數(shù)對(duì)比以及每組試件通過(guò)求均值得出的數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 單調(diào)加載試驗(yàn)曲線主要參數(shù)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of main parameters of monotonic loading test curve

從表3 可以看出：隨著木梁截面高度的增加，這種分層裝配式梁柱連接結(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)特性都有所提高。對(duì)比DJ1 組和DJ2 組，DJ1 組試件的彈性剛度Ke約為DJ2組試件的1.54 倍，提升了53.85%；屈服彎矩My、極限彎矩Mu、破壞彎矩Mf分別提升了68.29%、61.79%、67.39%；延性系數(shù)提升了17.39%?？傮w而言，這種新型梁柱結(jié)點(diǎn)在木梁截面高度增大約1.4 倍時(shí)，其彈性剛度、屈服彎矩、極限彎矩、破壞彎矩以及延性系數(shù)均得到提高。

2.2 柱荷載-位移曲線

分析位移計(jì)W1、W2 所測(cè)數(shù)據(jù)， 其中W1 位于上柱，W2 位于下柱，分別選擇DJ1 組和DJ2 組結(jié)點(diǎn)中具有代表性的3 號(hào)試件進(jìn)行分析，其荷載-位移曲線如圖8 所示。從曲線圖可見(jiàn)，對(duì)于這兩種結(jié)點(diǎn)試件，當(dāng)荷載逐漸增大時(shí)，W1 位移計(jì)測(cè)得的數(shù)值也在增大，且為正值，說(shuō)明在加載過(guò)程中，上柱在往位移計(jì)架設(shè)的方向變形；W2 位移計(jì)測(cè)得的數(shù)值變化很小，主要表現(xiàn)為負(fù)值，說(shuō)明下柱在加載過(guò)程中的變形很小，但仍有向位移計(jì)架設(shè)的反方向變形的趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)這種分層裝配式木框架梁柱結(jié)點(diǎn)的梁端受到較大載荷作用時(shí)，上柱較為薄弱，側(cè)向變形稍大些；下柱剛度較大，側(cè)向變形稍小些。

鑒于下柱側(cè)向變形較小，因此對(duì)上柱的扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行分析，以上柱與下柱的接觸位置作為扭轉(zhuǎn)中心，根據(jù)位移計(jì)W1，采用公式φ1=δ1/ 100 進(jìn)行計(jì)算，其中δ1為位移計(jì)W1 所測(cè)得的水平向位移值。計(jì)算結(jié)果為：DJ1 組結(jié)點(diǎn)上柱最大扭轉(zhuǎn)角為0.089，DJ2 組結(jié)點(diǎn)上柱最大扭轉(zhuǎn)角為0.076；由此可見(jiàn)，隨著木梁截面高度的增加，在梁端受豎向荷載作用時(shí)，這種新型結(jié)點(diǎn)的上柱扭轉(zhuǎn)角也在增大。

分析上下柱位移計(jì)所測(cè)結(jié)果可知，分層裝配式梁柱結(jié)點(diǎn)在梁端受豎向荷載作用時(shí)的變形趨勢(shì)基本符合圖3 中純剛性結(jié)點(diǎn)的加載力學(xué)模型。

2.3 梁柱構(gòu)件破壞形態(tài)

DJ1 組具體的結(jié)點(diǎn)構(gòu)件破壞情況如圖9 所示，破壞形態(tài)主要有木梁沿著順紋方向出現(xiàn)裂縫，裂縫位置靠近螺栓群位置；下柱表面與梁端接觸的位置出現(xiàn)了較明顯的壓屈變形；上柱邊緣位置呈現(xiàn)不同程度的撕裂破壞；上柱與下柱在連接處產(chǎn)生水平錯(cuò)動(dòng)；木梁端部與木柱連接處出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)變形，梁柱分離，測(cè)得分離距離為11 mm左右。DJ2 組具體的結(jié)點(diǎn)構(gòu)件破壞情況如圖10所示，破壞形態(tài)主要有木梁沿順紋方向出現(xiàn)裂縫，且裂縫位置沿著螺栓開(kāi)孔的連線位置展開(kāi)；下柱表面與梁端接觸的位置出現(xiàn)了壓屈變形；下柱靠近邊緣位置出現(xiàn)木材撕裂現(xiàn)象；上柱與下柱在連接處產(chǎn)生水平錯(cuò)動(dòng)；梁柱分離，測(cè)得分離距離為14 mm左右。

總體上，2 組結(jié)點(diǎn)的梁柱構(gòu)件破壞狀態(tài)大體一致，但是由于DJ2 組結(jié)點(diǎn)梁的截面高度小于DJ1 組結(jié)點(diǎn)梁的截面高度，因此其木梁破壞更為明顯，順紋方向的裂縫較大；并且隨著木梁截面高度的減小，當(dāng)梁端加載到最大值時(shí)，木梁端部與木柱的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度也在增大。

2.4 結(jié)點(diǎn)連接構(gòu)件破壞形態(tài)

拆開(kāi)DJ1、DJ2 組梁柱構(gòu)件，觀察結(jié)點(diǎn)連接構(gòu)件，即螺栓的形變情況。螺栓編號(hào)如圖11 所示。螺栓形變?nèi)鐖D12 所示，2 組結(jié)點(diǎn)中的螺栓連接件形變程度相似，對(duì)于連接上下柱的螺栓在試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)明顯形變；連接木梁的螺栓出現(xiàn)不同程度的彎曲形變，并且上排螺栓的形變程度比下排螺栓大，主要原因是上排螺栓受梁柱分離影響較大，而下排螺栓受到下柱對(duì)木梁的約束作用，形變較小。

圖11 試件螺栓編號(hào)Fig.11 Test-piece bolt number

3 結(jié)論

采用單調(diào)加載試驗(yàn)對(duì)2組分層裝配式木框架梁柱結(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行檢測(cè)分析，得出以下結(jié)論：

1） 連接可靠性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2組結(jié)點(diǎn)試件在梁端受豎向荷載時(shí)，均出現(xiàn)不同程度的破壞，大體表現(xiàn)為：膠合木梁沿螺栓排列方向開(kāi)裂，開(kāi)裂位置靠近螺栓群位置，且隨梁截面高度的減小，裂縫大小更加明顯；上柱或下柱沿順紋方向會(huì)發(fā)生撕裂；上柱與下柱在連接處產(chǎn)生水平向錯(cuò)動(dòng)；木梁端部與木柱連接處出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)變形，且隨著木梁截面高度的減小，轉(zhuǎn)角增大；連接木梁的螺栓出現(xiàn)彎曲形變，而連接上下柱的螺栓無(wú)明顯形變，且木梁的上排螺栓形變程度大于下排螺栓。

2） 結(jié)點(diǎn)承載能力。加載點(diǎn)的荷載-位移曲線表明：隨著位移量的增加，2組結(jié)點(diǎn)的荷載量也在增加，成正相關(guān)；DJ1、DJ2結(jié)點(diǎn)的極限承載力均值分別為17.96、12.30 kN。對(duì)比2組結(jié)點(diǎn)的平均彎矩-轉(zhuǎn)角曲線發(fā)現(xiàn)，這種分層裝配式梁柱結(jié)點(diǎn)在初始階段均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；隨著梁截面高度的增加，結(jié)點(diǎn)剛度及承載能力也增大。從彎矩-轉(zhuǎn)角曲線圖中得到2組結(jié)點(diǎn)的彈性剛度、屈服彎矩、極限彎矩、破壞彎矩、延性系數(shù)等特性參數(shù)，隨著梁截面高度的增加，結(jié)點(diǎn)各特性均有所提升。

3） 結(jié)點(diǎn)剛性與抗變形能力。觀察分析上下柱位移計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這種分層裝配式梁柱結(jié)點(diǎn)在梁端受豎向力作用時(shí)，其變形趨勢(shì)與一般純剛性結(jié)點(diǎn)的加載力學(xué)模型基本相符。其中上柱較薄弱，其側(cè)向變形較大，并且隨著梁截面高度的增加，上柱的扭轉(zhuǎn)角也增大；下柱剛性相對(duì)較大，其側(cè)向變形較小。實(shí)際應(yīng)用中可對(duì)上柱進(jìn)行相應(yīng)的加固處理，以提高上柱的抗變形能力。