正交胶合木在垂直于层板板面光滑销式紧固件下的销槽承压试验研究.docx

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1、作为一种传统建筑材料，木结构在我国具有悠久历史。由于其节能、 环保、抗震性能好等优点而再次引起广泛关注。正交胶合木（简称CLT） 是国外常用的木结构材料，与普通木构件相比，CLT具有很好的稳定性， 相邻层木纹方向垂直正交的结构导致其在材料主次方向具有相同的干 缩湿胀性能与强度性能。CLT还具有刚度高，防火性、耗能性、塑性好、 工厂预制性好等特点。可用于高层木结构建筑，并可作为钢材或水泥的 替代材料。木结构节点的连接是工程设计中最关键的部分，木结构失效多由节 点破坏导致。现代木结构的连接方式，如螺栓连接、齿连接、钉连接、 禅卯连接等，其中螺栓连接最为常用。要确定其连接性能，就需确定木 材的销槽承

2、压强度。鉴于CLT的正交结构及层板间缝隙等构造,对CLT 销槽承压性能的研究至关重要。在欧洲，T.Uibel和H.J.BIa较早对CLT的销槽承压强度进行了研 究并提出了设计公式。对来自4个制造商材料为欧洲云杉的近620个 CLT试件进行了销槽承压试验。试验采用EN383规定的全孔法。试件 包括13种不同的截面形式，并将所用CLT产品同层相邻板间的隔宽度 限制在6 mmo同时，在任意一些产品中凿了宽约2.5 mm的槽用于 考虑应力释放。该公式考虑了销轴直径、木材密度和荷载方向对强度值 的影响。其中密度为CLT在20。匚 含水率12%下的密度特征值，由来 自不同制造商共2 299个试件测得的密度

3、值决定。根据销轴位置，公 式分为销轴垂直于CLT板面和平行于CLT板面两种情况，每种情况分 别给出了针对销栓和螺钉的公式。另外，针对销栓，当销轴垂直于CLT 板面时，T.Uibel和H.J.BIa提出了与CLT截面形态相关的销槽承压强 度公式。Kennedy等对北美CLT螺纹紧固件销槽承压强度进行了研究。采 用ASTM D5764规定的半孔法进行试验，并将试验结果与加拿大版本 CLT手册、美国版本CLT手册及CSAO86中的预测公式进行对比。初 步分析结果显示，在任意角度荷载作用下，销槽承压强度与销轴直径无 关，且荷载方向平行和垂直于CLT外层木纹方向时强度值间的差距明显 小于CSA 086中

4、的表述，因此认为应当提出独立于销轴直径并与加载 方向关系更小的改进公式。Weiqun DOng等除关注木材密度、销轴直径、加载方向等影响因 素外，还重点研究了横纹层厚度所占CLT板厚度比例对CLT销槽承压 强度的影响。采用ASTM D5764规定的半孔法对SPF、花旗松和南方 松3种材料约660个CLT试件进行销槽承压试验并提出了改进公式， 重点考虑了横纹层厚度所占CLT板厚度比例的影响。结果表明，其他公 式相比，改进公式更接近试验值。1、试验方案设计参考ASTM D5764-97a ,共对180件CLT试件进行销槽承压试验。 试件采用半孔销槽承压形式，在销槽及附近部位无节疤等缺陷。3层试 件

5、尺寸为140 mm140 mm105 mm , 5层试件尺寸为140 mm 140 mm175 mmo CLT板材料为SPF ,单层层板厚度为35 mmo 所用SPF锯材截面尺寸为140 mm35 mm ,仅上下面涂胶。试验所用销轴直径均为24 mmo根据规范要求，试件开孔直径为26 mmo 将180件试件分为8组，考虑加载角度Oo（S组）和90o （ H组）的情 况，加载角度为加载方向与CLT外侧层板木纹方向的夹角。并考虑拼缝 对销槽承压强度的影响，销轴处无拼缝（T组，图1 ）,或销轴位于拼 缝上（G组，图2 ）,其中T组别每种试件30件，G组别每种试件15 件。图1试睑装置(b)(d)图

6、2 A-T 组试件(a )试件 A-3-S-T-24 ;( b )试件 A-3-H-T-24 ;( C)试件 A-5-S-T-24 ;(d)试件A-5-H-T-24采用ASTM D5764-97a规定的半孔法进行试验（图3 ）。采用500kN 电液伺服加载试验机加载，加载速度为1.0mmmin.试验机可同步采 集加载头力和位移的数据。为防止加载头与构件表面的接触，采用端部 为半圆形的钢加载头（图3）。加载至最大荷载或位移达到销槽直径的1/2时试验停止。根据ASTM D5764-97a ,销槽承压强度由试验获得的荷载T立移曲线确定为销槽塑性变形达到销轴直径5%时所对应的荷 载。当荷载-位移曲线与

7、5%销轴直径的销槽塑性变形的直线无交点时， 取最大荷载为屈服荷载。试验同时对试件含水率及全干相对质量密度进行了测定。图3(d)试件A-5-H-G242、试验结果与分析加载角度为0。时，即外侧层板为顺纹的组别（S组），破坏形态如 图4所示。试件孔周销槽发生抗压变形，荷载增大变形更明显。当变形 达到一定程度时在木孔正下方沿顺纹方向发生劈裂破坏。随后由于横纹 拉应力中间横纹层侧面出现横向短裂缝。加载角度为90。时，即外侧层 板为横纹的组别（H组），破坏形态如图4所示。试件销槽下方木材逐 渐压密发生抗压变形，外侧横纹层侧面出现横向短裂缝并逐渐扩展。随 荷载增大，因横纹层的销槽承压变形比顺纹层明显，销槽

8、处发生层间错 动。顺纹层基本未发生破坏。(b)(d)(a )破坏形态1 ； ( b )破坏形态2 ; ( c)破坏形态3 ; ( d)破坏形态4对于销轴位于拼缝处的情况(G组)，外侧同为顺纹的组别 (A-3-S-T-24 与 A-3-S-G-24 , A-5-S-T-24 与 A-5-S-G-24 )破坏模 式相近(图5)。试件受压时，G组别外侧拼缝处未见明显加宽。外侧 同为横纹的组别(A-3-H-T-24 与 A-3-H-G-24 , A-5-H-T-24 与 A-5-H-G-24)破坏模式相近，带拼缝的中间顺纹层基本未破坏。加载 角度及有无拼筵情况相同的组别间，层板数为5层的组别破坏程度明

9、显 小于3层的组别。(b)(e)(d)AG组试件破坏形态(a )破坏形态1 ; ( b )破坏形态2 ; (C)破坏形态3 ; ( d )破坏形态4; ( e)2.2荷载一位移曲线A-3-S-T-24z A-3-S-G-24组试件荷载一位移曲线显示两组试件外侧 层板均为顺纹。每组曲线分布趋势相近，在加载初期，荷载一位移曲线 基本为线性，随销槽承压变形增大曲线斜率显著降低，进入塑性阶段。 当曲线进入非线性阶段时，通常可听见清晰的木材劈裂声但未见明显裂 纹，随着曲线进入平台期，销槽正下方通常可见明显裂缝。销槽位于拼 缝处的试件(A-3-S-G-24 )的销槽承压强度显著低于无拼健的试件 (A-3-

10、S-T-24),但2组试件承压时的延性均很好，在试验规定的位 移范围内承载强度并无明显下降。A-3-H-T-24, A-3-H-G-24组试件荷载一位移曲线显示2组试件外 侧层板均为横纹，荷载一位移曲线趋势相近，随荷载增大刚度显著降低， 进入塑性阶段。由于孔槽下方木纹逐渐被压密实，后期承载力仍有一定 的增加。对比有无拼筵的组别可看出，其销槽承压强度并无明显不同。此外，外侧层板为顺纹和横纹的CLT试件，其荷载一位移曲线的趋 势分别与顺纹和横纹的胶合木试件销槽承压试验所得曲线趋势相近。外 侧层板为顺纹的CLT试件销槽承压强度显著高于相应的外侧层板为横 纹的CLT试件，这一规律也与胶合木相同。3、销

11、槽承压强度从美国规范ASTM D5764-97a规定可得木材销槽承压的屈服荷载 值及刚度，屈服强度强度即为销槽承压强度。其中刚度可由荷载一位移 曲线上过10%PmaX和40%PmaX的直线斜率确定,PmaX为试验时的最大荷载。将该直线向右平移，平移值为5%销槽直径，平移后直线与试验曲线交点的纵坐标即为该试件的销槽承压屈服荷载值。销槽承压强度。为：=P(df)式中：尸为销槽承压屈服荷载值；4为销槽直径为销槽长度，即试件厚度。本试验中各试件的销槽承压强度值见表1表1销槽承压强度值试件编号销轴直径mn试件数量销槽承压强度 平均值/MPa变异系数/%A3ST24243021.1414A-3-H-T-2

12、4243013.8821A-5-S-T-24243020.3814A-5-H-T-24243014.6515A-3-S-G-24241515.4214A3HG24241515.6221A-5-S-G-24241517.4723A-5HG24241514.287对于加载角度，即试件外侧层板顺纹或横纹时，对比A-3-S-T-24和A-3-H-T-24组,A-5-S-T-24和A-5-H-T-24组对比可看出，外侧为横纹的试件销槽承压强度小于顺纹试件。因木材横纹抗压弹性模量较 小致使受压时易变形，CLT销槽受压时外层木材破坏最明显，即外层层 板抗压强度起决定作用。外层为横纹层时受压变形大，层间错动明

13、显； 外层为顺纹层时受压变形小，层间错动不明显。关于销轴是否处于拼缝处对销槽承压强度的影响，A-3-S-T-24和 A-3-S-G-24组，A-3-H-T-24和A-3-H-G-24组对比可知,对外侧横 纹的组别而言，拼缝对其强度并无明显影响。而外侧顺纹的组别销轴处 于拼缝处，会显著降低其销槽承压强度。这是由于外侧横纹的组别，其 拼整位于中间层，中间层板几乎没有损坏，其拼筵的存在对强度没有太 大影响。对于CLT层板的厚度及其层数而言，对比A-3-S-T-24和 A-5-S-T-24 组、A-3-H-T-24 和 A-5-H-T-24 组可看出,3 层与 5 层试 件的销槽承压强度并无绝对的大小

14、关系，其原因可能是由于试件截面横 纹层厚度所占比例相近（1/3与2/5 , 2/3与3/5 ）所致。综合对比试验数据与理论公式计算结果可看出，仍有部分数据低于 理论计算值。相对而言，本试验结果更接近美国版CLT handbook公 式值，并均大于CSA-O86-14给出的销槽承压特征值。该结果可能是 由于木材本身变异系数较大，导致95%保证率的强度值不准确。此外， 规范未详细区分不同样式CLT销槽试件的计算方法也会导致计算结果 不准确。4、结论本文试验结果表明，销槽垂直板面时主方向，顺纹比主方向横纹抗 压强度高，且主方向顺纹时，销轴不在拼筵处比在拼缝处的抗压强度高。主方向横纹时，销槽位置不影响抗压强度。层数越多，抗压承载力越大。(1 )销槽垂直于CLT板面时，外侧横纹试件的销槽承压强度小于 外侧顺纹的试件。外侧横纹时试件销槽承压强度与销轴是否位于拼缝处 无关，而外侧顺纹时销轴位于拼缝处会显著降低其销槽承压强度。(2 ) CLT层板截面形态对销槽承压强度的影响可能与横纹层所占 比例有关，而与截面厚度无关。