李陶陶,鄭曉燕*,陳國(guó),楊濤,王文蹈,2

(1. 南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,南京 210037;2. 南京林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,南京 210037)

我國(guó)對(duì)于原竹連接性能研究起步較早,但研究進(jìn)展較為緩慢[1-2],現(xiàn)行竹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式和設(shè)計(jì)方法尚不完善。傳統(tǒng)竹結(jié)構(gòu)連接方式有綁扎連接、榫卯連接[3]和螺栓連接[4-5]等:綁扎連接操作方便,但節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度較低且耐久性較差;榫卯連接制作工藝復(fù)雜,同時(shí)對(duì)于竹材自身的破壞大;螺栓連接較為牢固且便于安裝,實(shí)際應(yīng)用最為廣泛,但長(zhǎng)期使用下螺母與原竹之間會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng),造成擴(kuò)孔裂紋等。傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)大多存在強(qiáng)度較低、耐久性差且受到人工工藝水平的影響較大等問(wèn)題[6]。近年來(lái),學(xué)者們開(kāi)始對(duì)傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)[7-9],出現(xiàn)了一些新型原竹連接節(jié)點(diǎn)形式。單波等[10]用不銹鋼圓環(huán)結(jié)合鉚釘制作成的“8”字箍連接件和異形“8”字箍連接件,可與墻體有著良好的連接性能。Paraskeva等[11]設(shè)計(jì)出墊片鋼夾組合原竹節(jié)點(diǎn),克服原竹本身尺寸上的不規(guī)則性,提高了節(jié)點(diǎn)的性能穩(wěn)定性。田黎敏等[12]和郝際平等[13]用螺栓和鋼板組合連接的方式設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn),搭建出原竹結(jié)構(gòu)試驗(yàn)房,使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)附近存在圓周應(yīng)力,導(dǎo)致螺栓孔附近出現(xiàn)開(kāi)裂,節(jié)點(diǎn)承載力降低。張步榮等[14]將加工后的木構(gòu)件嵌套進(jìn)原竹,形成竹木套接榫卯連接節(jié)點(diǎn),力學(xué)性能可以滿足使用要求,但加工煩瑣難以標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。黃政華等[15]運(yùn)用碳纖維布加固鋼箍的方式,形成鋼箍碳纖維布組合節(jié)點(diǎn),并將其運(yùn)用在10 m跨度的竹拱中,起到了顯著的加固效果。Cabanas[16]以魚(yú)嘴接口形式改進(jìn)了螺栓連接節(jié)點(diǎn),通過(guò)原竹垂直向插入螺栓的方式,在不灌漿的基礎(chǔ)上提高結(jié)點(diǎn)的性能。更有學(xué)者將3D打印技術(shù)運(yùn)用于定制化原竹節(jié)點(diǎn),使其能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的需要[17]。截至目前,國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)于如何提高竹節(jié)點(diǎn)的承載力已有了較為成熟的方法,但現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)形式依然存在制作復(fù)雜、裝配效率低下、難以有效傳遞彎矩等問(wèn)題[18]。

為了豐富原竹節(jié)點(diǎn)連接形式,提高裝配化效率,設(shè)計(jì)出3種不同構(gòu)造形式共9個(gè)裝配式抱口連接原竹節(jié)點(diǎn)。根據(jù)構(gòu)造不同命名為簡(jiǎn)易鋼夾節(jié)點(diǎn)(J1)、貫通螺栓節(jié)點(diǎn)(J2)和自攻螺釘節(jié)點(diǎn)(J3),如圖1所示。通過(guò)單調(diào)加載的方式測(cè)定節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力和剛度,分析節(jié)點(diǎn)的破壞模式,對(duì)比原竹等級(jí)對(duì)于同種節(jié)點(diǎn)承載力和剛度的變化規(guī)律,驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的半剛性程度。3種節(jié)點(diǎn)可用于竹結(jié)構(gòu)景觀小品和傳統(tǒng)竹樓民居建筑梁柱節(jié)點(diǎn)連接。

圖1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式Fig. 1 Node construction forms

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料包括原竹、鋼箍、角鋼、鋼板、斜撐-1、斜撐-2。原竹采用3～4年生浙江安吉毛竹,竹段長(zhǎng)度取1 000 mm,外筒直徑90～110 mm,平均密度0.7 g/cm3,含水率為11%～18%,通過(guò)對(duì)原竹浸泡、烘干和涂抹丙烯酸防水劑等處理提高材料的防腐性能。原竹厚度等級(jí)參照文獻(xiàn)[19]的分級(jí)方法,以竹段頂端的最小壁厚和直徑為主要評(píng)判依據(jù),本研究所用原竹等級(jí)對(duì)應(yīng)的直徑范圍與各型號(hào)抱箍的直徑匯總見(jiàn)表1。

表1 原竹分級(jí)和抱箍直徑Table 1 Raw bamboo grading and hoop diameters 單位:mm

抱箍為常用規(guī)格,角鋼、鋼板、斜撐-1、斜撐-2為設(shè)計(jì)定制,具體尺寸如圖2所示。型鋼等級(jí)為Q235,螺栓采用M8級(jí)全螺紋螺桿,螺釘采用M6級(jí)全螺紋自攻螺釘。節(jié)點(diǎn)處通過(guò)鋼夾和橡膠墊彌補(bǔ)原竹表面的不規(guī)則,防止產(chǎn)生局部滑移影響節(jié)點(diǎn)承載力。同時(shí)設(shè)置等邊角鋼和斜撐,以增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的側(cè)向穩(wěn)定性。

圖2 鋼連接件尺寸Fig. 2 Dimensions of steel connectors

1.2 試件制作

3種節(jié)點(diǎn)形式均由竹梁、竹柱和5個(gè)鋼箍組成,其連接方式存在差異。簡(jiǎn)易鋼夾節(jié)點(diǎn)(J1)用焊接螺母(M8×30)和角鋼(∟60×5)實(shí)現(xiàn)梁柱之間的垂直連接,用斜撐-1實(shí)現(xiàn)梁柱之間的對(duì)角支撐。貫通螺栓節(jié)點(diǎn)(J2)在梁柱與鋼箍接觸位置預(yù)開(kāi)8.6 mm直徑圓孔并穿入貫通螺栓(M8×140)。自攻螺釘節(jié)點(diǎn)(J3)在距離鋼板長(zhǎng)寬方向15 mm處預(yù)開(kāi)6.5 mm直徑圓孔,并在和斜撐-2接觸表面安裝全螺紋自攻螺釘(M6×20)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)連接。每一組試件內(nèi)部除原竹等級(jí)不同,其余條件完全相同。試件的連接件形式及尺寸見(jiàn)表2。

表2 單調(diào)載荷抗彎試驗(yàn)試件Table 2 Monotonic load flexural test specimens

1.3 試驗(yàn)方法及加載設(shè)備

原竹節(jié)點(diǎn)抗彎試驗(yàn)采用靜力單調(diào)加載,加載過(guò)程分為預(yù)加載和正式加載2個(gè)階段。預(yù)加載將荷載控制在0.5 kN內(nèi),持續(xù)加載2 min后卸載;正式加載時(shí),先每級(jí)加載0.1 kN,達(dá)到1 kN后每級(jí)加載改為0.2 kN,當(dāng)梁柱間產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)角且荷載無(wú)法繼續(xù)施加時(shí)停止試驗(yàn)。利用破壞荷載和有效力矩長(zhǎng)度計(jì)算出破壞彎矩,并結(jié)合測(cè)得位移計(jì)算轉(zhuǎn)角,得到不同節(jié)點(diǎn)形式加載過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。

試驗(yàn)采用液壓千斤頂加載,采集裝置包括DH3820靜態(tài)應(yīng)變儀和拉繩位移計(jì)(圖3)。分別在柱上角鋼附近和梁右側(cè)布置位移計(jì)。1#和2#位移計(jì)用來(lái)測(cè)量柱的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,3#和4#位移計(jì)分別測(cè)量梁的側(cè)移值,梁靠近懸臂端布置與千斤頂中線等高的5#位移計(jì)。位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)加載裝置Fig. 3 Field loading device

圖4 位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置Fig. 4 Displacement meter measurement point arrangement

2 結(jié)果與分析

2.1 受力過(guò)程及破壞特征

試件的破壞是由多種因素共同作用引起的,節(jié)點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)、抱口分離、鋼夾滑移以及橡膠墊脫落等現(xiàn)象是3種節(jié)點(diǎn)加載過(guò)程中的共同特征,同時(shí)斜撐和角鋼在加載過(guò)程也出現(xiàn)了不同程度的變形。分別選取J1-1、J2-1、J3-1作為每種類型節(jié)點(diǎn)的代表試樣,破壞形式如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)破壞形式Fig. 5 Node damage forms

1)J1加載初期荷載轉(zhuǎn)角呈線性變化趨勢(shì)。以J1-1為例:加載至0.5 kN時(shí),5#鋼夾開(kāi)始出現(xiàn)滑移,如圖5a所示;加載至1 kN時(shí),5#鋼夾的滑移量達(dá)到4 mm,1#鋼夾的滑移量達(dá)到2 mm;提高加載速率至轉(zhuǎn)角達(dá)到0.075 rad時(shí),5#和1#鋼夾不再滑動(dòng)。觀察到抱口受壓側(cè)緊緊擠壓竹柱,受拉側(cè)與竹柱出現(xiàn)分離,節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)動(dòng),如圖5b所示。最終,2#鋼夾位移達(dá)到7 mm時(shí),抱口明顯分離,頂?shù)捉卿摦a(chǎn)生翹曲導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞,破壞彎矩為2.30 kN·m,剛度為15.8 kN/m。J1-2、J1-3與J1-1破壞過(guò)程大同小異,破壞彎矩分別為2.50和2.57 kN·m,剛度分別為16.7和21.4 kN/m。

2)J2相較于J1彈性段更長(zhǎng),抗彎承載力及各階段剛度均高于J1。以J2-1為例:當(dāng)荷載超過(guò)3 kN時(shí),轉(zhuǎn)角增幅變大,螺栓承壓處原竹發(fā)生垂直剪切擴(kuò)孔,如圖5c所示,5#鋼夾的橡膠墊輕微滑移2 mm,頂角鋼在受拉作用下變形明顯;當(dāng)荷載加至7 kN時(shí),斜撐下部產(chǎn)生明顯塑性變形,如圖5d所示;當(dāng)荷載達(dá)到8.5 kN時(shí),原竹發(fā)出“噼啪”聲響,荷載迅速下降,節(jié)點(diǎn)被破壞,破壞彎矩為4.76 kN·m,剛度為35.3 kN/m。J2-2、J2-3破壞形式與J2-1類似,破壞彎矩分別為6.8和8.1 kN·m,剛度分別為56.3和36.9 kN/m。

3)J3破壞荷載相較J1和J2都小。以J3-1為例,荷載加至0.8 kN時(shí),5#鋼夾的滑移量達(dá)到4 mm,橡膠墊脫落,如圖5e所示?？紤]到節(jié)點(diǎn)承載力較低,保持勻速加載至1.25 kN,5#鋼夾滑移7 mm時(shí),觀察到梁柱已產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng),斜撐-2輕微壓彎,帶動(dòng)抱口產(chǎn)生縫隙直至完全分離,如圖5f所示,節(jié)點(diǎn)被破壞,破壞彎矩為0.81 kN·m,剛度為5.8 kN/m。J3-2、J3-3與J3-1破壞形式類似,破壞彎矩分別為0.96 和1.04 kN·m,剛度分別為6.4和7.4 kN/m。

綜合上述3種節(jié)點(diǎn)破壞過(guò)程得出:就力學(xué)性能而言,J2極限承載力分別為J1、J3的2.8倍和7.6倍,節(jié)點(diǎn)剛度分別為J1、J3的2.4倍和6.6倍,在3種節(jié)點(diǎn)形式中表現(xiàn)最優(yōu)。J1由于鋼夾滑移造成角鋼屈曲,J2連接角鋼在螺栓擴(kuò)孔帶動(dòng)下產(chǎn)生變形,最終造成原竹劈裂,2種破壞均呈現(xiàn)一定塑性特征;J3則因鋼板滑移造成抱口分離,屬于失穩(wěn)破壞。原竹等級(jí)的敏感程度J2>J3>J1。研究表明,J2的構(gòu)造形式有效提高了節(jié)點(diǎn)的整體性,充分發(fā)揮了原竹自身特性,對(duì)應(yīng)T8等級(jí)時(shí)與連接件協(xié)同工作性能最優(yōu)。所有試件的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 所有試件的試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experiment results for all specimens

圖6 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角測(cè)量示意圖Fig. 6 Schematic diagram of joint angle measurement

2.2 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線及擬合方程

彎矩-轉(zhuǎn)角曲線是評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的重要指標(biāo),根據(jù)測(cè)點(diǎn)位移和荷載換算出節(jié)點(diǎn)處彎矩和轉(zhuǎn)角(圖6),可用公式(1)～(3)計(jì)算得到。

M=PLload

(1)

(2)

(3)

式中:M為節(jié)點(diǎn)承受彎矩;P為梁懸臂端千斤頂施加荷載;Lload為千斤頂中心線到柱上表面的距離;L1、L2為位移計(jì)1#、2#的豎向位移;L3、L4為位移計(jì)3#、4#的水平位移;α為立柱轉(zhuǎn)角;β為橫梁轉(zhuǎn)角;ρ為梁柱的相對(duì)轉(zhuǎn)角;hv為竹梁直徑;hc為位移計(jì)4#到位移計(jì)3#的距離。

3種不同節(jié)點(diǎn)形式的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖7所示,觀察曲線可知,每個(gè)試件都有2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)和3段折線。借鑒以往學(xué)者提出的模型[20],結(jié)合曲線特征,提出三折線模型對(duì)于彎矩-轉(zhuǎn)角曲線進(jìn)行分析,三折線模型如圖8所示。該模型無(wú)需大量數(shù)據(jù),結(jié)合曲線特點(diǎn)即可有效擬合出變化趨勢(shì),同時(shí)將誤差控制在5%以內(nèi),節(jié)點(diǎn)的力學(xué)模型表達(dá)式見(jiàn)式(4)。

圖7 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig. 7 Bending moment-angle curves

圖8 彎矩-轉(zhuǎn)角三折線模型Fig. 8 Bending moment-angle tripline model

(4)

式中:K1、K2、K3為分段轉(zhuǎn)動(dòng)剛度;θ1、θ2、θ3為分段節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角;M1、M2、M3為分段彎矩極值。

3組試件的擬合參數(shù)值見(jiàn)表4,結(jié)果表明,J1在第二階段的剛度呈現(xiàn)突降趨勢(shì),在第三階段又有所增大,這主要是鋼夾滑移造成的,轉(zhuǎn)動(dòng)到第三階段時(shí)滑移停止,角鋼限制節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)剛度再次增大。J2初始剛度較低,隨著轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中螺栓與鋼夾的緊密貼合,第二階段和第三階段的剛度均最大,表現(xiàn)出良好的抗彎性能。J3與J1變化規(guī)律類似,在第二階段剛度迅速下降后第三階段又緩慢上升,但其最大初始剛度平均僅有12 kN/m,在3種節(jié)點(diǎn)形式中是最低的。

2.3 節(jié)點(diǎn)半剛性驗(yàn)證

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范無(wú)法評(píng)估木材或竹節(jié)的傳遞力矩,故遵循了歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)建議,按式(5)計(jì)算。節(jié)點(diǎn)可以傳遞力矩,剛度必須大于閾值Sj。此外,通過(guò)Foley等[21]提出的方法及CECS 434:2016《圓竹結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)規(guī)程》,按式(6)確定傳遞的彎矩M。

(5)

(6)

式中:w為均布荷載;L為原竹梁的跨度;E為基材的軸向彈性模量;I為原竹截面慣性矩。

均布荷載w根據(jù)容許應(yīng)力計(jì)算得出,容許應(yīng)力一般取12 MPa。通過(guò)Geschwindner等[22]提出的方法確定連接可傳遞的彎矩相對(duì)于理想傳遞力矩的百分比,繪制彎矩-轉(zhuǎn)角曲線。通過(guò)連接x軸上的一點(diǎn)和y軸上的另一點(diǎn)繪制梁線,將均布荷載改為集中荷載。取線段和試驗(yàn)曲線之間的交點(diǎn)產(chǎn)生彎矩,判斷半剛性程度。如果超過(guò)90%的彎矩,就可以將其歸類為剛性連接件,低于20%則歸類為柔性連接件,這兩類之間的則被視為半剛性連接。梁柱節(jié)點(diǎn)剛性判斷方式如圖9所示。

圖9 梁柱節(jié)點(diǎn)剛性判斷示意圖Fig. 9 Diagram of beam-column node rigidity judgment

按照上述方法劃分節(jié)點(diǎn)J1、J2、J3的剛度特性如圖10所示。J1、J2屬于帶斜撐的T形節(jié)點(diǎn),特征曲線均在剛性區(qū)域和柔性區(qū)域之間,屬于半剛性節(jié)點(diǎn)。J3的特性曲線在柔性區(qū)域內(nèi),屬于鉸接節(jié)點(diǎn)。J1 3個(gè)試件的特性曲線稍趨向于柔性區(qū)域,這是因?yàn)榧虞d過(guò)程中橡膠墊和鋼夾出現(xiàn)了滑移,造成節(jié)點(diǎn)剛度退化;而同一過(guò)程中的J2 3個(gè)試件原竹孔壁承壓,剛度持續(xù)增加,曲線偏離半剛性區(qū)域和柔性區(qū)域的分界線,節(jié)點(diǎn)剛度最大。

圖10 剛度特性劃分Fig. 10 Stiffness characteristics division

3 結(jié) 論

1)簡(jiǎn)易鋼夾節(jié)點(diǎn)(J1)和貫通螺栓節(jié)點(diǎn)(J2)破壞時(shí)角鋼產(chǎn)生較大的塑性變形,自攻螺釘節(jié)點(diǎn)(J3)則產(chǎn)生了由鋼板滑移造成的局部失穩(wěn)。J2出現(xiàn)擴(kuò)孔變形和原竹最終劈裂的現(xiàn)象,表明原竹本身與連接件之間協(xié)同作用良好,材料性能充分發(fā)揮,證明了其優(yōu)良的傳遞彎矩能力。

2)3種不同構(gòu)造的節(jié)點(diǎn)均具備一定的承載能力,貫通螺栓節(jié)點(diǎn)(J2)的平均破壞荷載、極限彎矩、剛度等指標(biāo)均優(yōu)于簡(jiǎn)易鋼夾節(jié)點(diǎn)(J1)和自攻螺釘節(jié)點(diǎn)(J3)。隨著原竹等級(jí)的增加, J3和J1承載力提高有限,節(jié)點(diǎn)抗彎性能對(duì)于原竹等級(jí)這一因素表現(xiàn)不敏感;J2承載力提高顯著,剛度則表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì),對(duì)應(yīng)等級(jí)為T8時(shí)節(jié)點(diǎn)的性能最優(yōu),可作為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參考等級(jí)。

3)自攻螺釘節(jié)點(diǎn)(J3)全過(guò)程落在柔性區(qū)域內(nèi),呈現(xiàn)鉸接節(jié)點(diǎn)特性,但其制作方便,安裝快捷。簡(jiǎn)易鋼夾節(jié)點(diǎn)(J1)和貫通螺栓節(jié)點(diǎn)(J2)特性曲線落在半剛性區(qū)域內(nèi),J2在強(qiáng)化階段逐漸遠(yuǎn)離分界線,表現(xiàn)出典型的半剛性節(jié)點(diǎn)特征,能有效承受荷載并傳遞彎矩。這3種節(jié)點(diǎn)均可用于現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)建筑梁柱連接。簡(jiǎn)易鋼夾節(jié)點(diǎn)J1如何減小連接件之間的滑移,提高節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能是其推廣使用的一大難題。貫通螺栓節(jié)點(diǎn)J2自身對(duì)于原竹等級(jí)影響較大,故對(duì)于原竹直徑、厚度,螺栓等級(jí)、斜撐截面尺寸的規(guī)范化設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步研究。