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1、23旋切板胶合木梁柱节点受力性能研究旋切板胶合木梁柱节点受力性能研究1 引言木结构中节点的设计至关重要，它与建筑的安全性、可靠性和稳定性息息相关。尽管目前国内外关于梁柱式木结构体系节点方面的试验研究开展较多，且也得出了丰富的结论，但是对于由旋切板胶合木组成的梁柱节点的受力性能的研究还涉及较少。本章通过对杨木LVL梁柱植筋节点及螺栓钢填板节点试件进行单向加载试验及低周反复加载试验，得出节点强度、滞回曲线等试验结果，并通过分析试验结果，对不同连接形式下的LVL梁柱节点的强度、刚度、退化率和能量耗散等方面展开研究，为今后旋切板胶合木这一工程木材广泛用于木结构建筑提供理论依据。2 梁柱节点受力试验2.
2、1 试件设计节点试验参照木结构设计规范(GB50005-2003)、木结构设计手册(第三版)及相关国内外标准进行试件设计。柱截面尺寸为150mm150mm，梁截面尺寸为75mm150mm。本次共设计三组试件，包括一种植筋节点形式和两种螺栓钢填板节点形式。3.2.1.1 植筋节点设计在梁柱植筋连接节点当中，植入的钢筋属于侧向受力，侧向受力钢筋的最小间距如图3.1所示，图示间距a1最小值为2d，a2最小值为2d，d指植入钢筋的直径。图3.1 侧向受力钢筋的最小间距植筋通常采用螺纹钢筋以改善粘结，直径通常为1224mm，本次试验采用直径为12mm的HRB335钢筋，有关学者对于植筋的试验结果表明，当
3、植入长度较短时，拔出的破坏模式是脆性的，为避免这种破坏模式，大部分学者认为植筋15d深度可避免拔出破坏，故结合此次试验中的有关数据，植筋深度取为200mm； 梁柱植筋节点试件(J1试件)示意图如下： 图3.2 J1试件立面图 图3.3 J1试件梁截面图3.2.1.2 螺栓钢填板节点设计螺栓连接时，节点中螺栓两纵行齐列时间距示意图如下：图3.4 螺栓两纵行齐列间距示意图所用螺栓直径为8mm，根据木结构设计手册(第三版)的相关规定，顺纹端距S0最小为螺栓直径的7倍(56mm)，横纹边距S3最小取螺栓直径的1.5倍(12mm)，横纹中距S2最小取螺栓直径的3.5倍(24.5mm)，顺纹中距S1最小取
4、螺栓直径的7倍(56mm)，结合此次试验选用的梁柱尺寸，两种螺栓连接节点示意图如下： 图3.5 J2试件立面图 图3.6 J2试件钢填板轴测图 图3.7 J3试件立面图 图3.8 J3试件钢填板轴测图2.2试件制备2.2.1 植筋节点旋切板胶合木梁柱植筋节点构件制备的工艺流程主要是：施工准备测量放线成孔清孔拉结筋清理梁柱植筋成品养护。(1)梁柱孔洞定位：梁柱孔洞的定位先根据设计节点的孔径位置，画出详细的梁柱节点开洞施工图，根据施工图要求在梁柱节点相应部位用铅笔画出孔洞中心位置(2)梁柱取孔：在柱上取孔时，先用台式钻床在柱上取10mm深孔洞(如图3.93.10)，再用麻花钻钻取；梁上取孔直接用麻
5、花钻钻取(如图3.113.12)。钻孔时确保孔径尺寸与孔深尺寸力求精确。图3.9 台式钻床图3.10 柱取孔图3.11 梁取孔图3.12 梁取孔完成 (3)清孔：此工序是植筋步骤的关键工序，在气枪或者专用吸尘器将孔内的灰尘吸出后，用钢丝刷继续清孔，然后重复第一步骤，清至无粉尘逸出为止，为保障旋切板胶合木孔壁与植筋胶之间的粘结力，孔内必须清扫干净。(4)注胶：将装有植筋胶的胶桶置于植筋胶枪中，由孔的底部向外均匀注入植筋胶，注胶的同时匀速向外移动注射枪。该工序的关键是应从孔底开始注胶，且胶内应确保无气泡。先在梁上注胶(如图3.13)，然后在柱中注胶，最后组装节点(如图3.14)。图3.13 梁内注
6、胶植筋图3.14 植筋节点试件图 2.2.2 螺栓钢填板节点旋切板胶合木梁柱钢填板节点试件的制备工艺流程为：施工准备测量放线钻孔清孔梁开槽钢板焊接将钢填板、螺栓、木构件组装成试验构件。梁柱孔洞定位过程及钻孔清孔过程均同植筋节点，开槽过程由小型切割机完成，试件加工及装配过程见图3.153.19。图3.15 梁成孔图3.16 小型切割机图3.17 梁开槽图3.18 钢填板焊接图3.19 节点组装2.3 试验仪器本次试验加载仪器主要为25t的电液伺服作动器，水平力加载仪器为手持式液压千斤顶，试验数据采集使用YHD-50型位移传感器、TS3860静态电阻应变仪等，见图3.203.23。图3.20 电液
7、伺服作动器标牌图3.21 手持式液压千斤顶图3.22 TS3860静态电阻应变仪图3.23 YHD-50型位移传感器2.4 试验加载装置为便于试验，本试验节点试件中的梁长取实际框架中梁跨度的1/2，柱长取实际净高的1/4，故实际受力过程中梁端无弯矩，而柱端仍有弯矩作用，即柱的边界条件应为半固定支座，试验中通过在柱两端设置刀铰同时在柱两端上部各加一块钢板固定来实现，并采取措施防止试件受力平面外失稳。采用手持式液压千斤顶对柱端施加轴向压力，梁端与液压伺服作动器连接，用以施加低周往复循环荷载。加载装置示意图如图3.24所示，加载装置图见图3.253.26。图3.24 加载装置示意图图3.25 加载装
8、置图图3.26 水平加载图2.5 试验加载方案试件共分三组，每组包含两个连接形式相同的试件，对这两个试件分别进行单向加载试验及低周往复荷载试验。国际上木结构试验标准主要有美国的 ASTM-E2126(2003)、欧洲的 CEN-12512(2001)和国际标准化协会的ISO-16670(2003)，本项目的加载程序采用的是ISO-1667044。(1)单调加载试验单向荷载试验采用匀速位移控制加载方式，整个加载过程共分为两个阶段：预加载阶段，加载值为预估极限值的10%，持荷两分钟然后卸载至零，完全卸荷两分钟后，待所有仪表值清零后进入正式加载阶段；通过预加载测试可保证试件的支撑约束部分和加载部分均
9、接触良好，同时可对测量仪器工作是否正常和试验装置是否可靠进行检查，以确保试验正常进行。正式加载阶段，以7.5mm/min的速度进行加载，当试件完全失去承载能力时终止试验。(2)低周反复试验加载制度低周反复荷载试验中，常用的加载制度有力加载、位移加载、力和位移混合加载。本实验加载时选用位移加载程序。本次试验参照ASTM-E2126标准中的国际标准协会ISO16670的位移控制程序进行加载，共分两个阶段，采用分级加载：第一阶段加载根据峰值位移的1.25%、2.5%、5%、7.5%、10%三角波依次进行一次循环加载，中间无停顿。第二阶段则以峰值位移为控制位移的20%、40%、60%、80%、60%、
10、100%和120%的三角波依次进行三个循环加载至模型破坏。在该阶段的加载过程中相同峰值位移控制的循环结束后试验都稍有停顿以便对试验现象进行记录。反复荷载加载曲线见图3.27。图3.27 反复荷载加载曲线表3.1 反复荷载试验加载方法步骤1234567891011循环次数11111333333/u1.25%2.5%5%7.5%10%20%40%60%80%100%120%注：u为单调荷载试验所确定的极限位移，为反复加载曲线峰值位移2.6 量测内容及测点布置(1)柱端轴向荷载。柱端轴向荷载在试验过程中保持10KN不变，主要由拉压传感器及应变测试仪控制。(2)梁水平位移。在距离柱边线150mm和13
11、00mm处布置位移计，用来测量梁的实时变形，并通过两位移计的相对值算出梁的竖向转角。(3)梁端部翘起高度。梁端部在低周反复荷载作用下会来回翘起，故在梁端分别设置两个位移计，实时测量端部翘起量，并计算梁端转角。上述位移计的数据采集通过动态应变采集设备完成。测点布置如下图所示：图3.28 测点布置示意图图3.29 测点布置图3 试验结果与分析3.1 单调加载试验现象3.1.1 J1试件在加载初期，植筋节点处于线弹性阶段，荷载与位移基本上呈线性关系，当位移达到16mm时，节点开始出现间断的轻微声响，随着位移的持续增加，声响由间断趋于频繁，荷载也持续增大，当位移大约达到40mm时，试件发出的声响由频繁
12、变为连续，此时荷载仍呈现非线性的增长，当位移达到80mm时，随着加载位移的增大，荷载趋于稳定，且梁柱节点处的木材开始挤压开裂，当位移达到88mm时，荷载达到最大值，而后开始下降，之前产生的开裂现象加剧，当位移达到100mm时受试验仪器限制，试验结束。此试件最终呈现状态为植入钢筋屈服，梁柱节点处的木材受挤压开裂。如图3.30。(a) 钢筋屈服(b) 木材挤压劈裂图3.30 J1试件单调加载破坏现象3.1.2 J2试件在加载初期，植筋节点处于线弹性阶段，荷载与位移基本上呈线性关系，当位移达到36mm时，节点开始出现间断的轻微声响，随着位移的持续增加，声响由间断趋于频繁，荷载也持续增大，当位移大约达
13、到52mm时，试件发出的声响由频繁变为连续，此时荷载仍呈现非线性的增长，当位移达到73mm时，试件出现一声剧烈声响，节点处钢板与木梁产生错动，当位移达到82mm时，梁柱出现分离，梁端翘起明显，当位移达到92mm时荷载出现最大值而后开始下降，当位移达到100mm时，试验结束。此试件最终呈现状态为节点处钢板与梁产生错动，螺栓屈服，产生了一个塑性铰，木材最终表现为销槽承压破坏，节点处部分木材产生劈裂裂缝。如图3.31。(a) 梁柱分离(b) 节点处木材劈裂(c) 螺杆屈服图3.31 J2试件单调加载破坏现象3.1.3 J3试件在加载初期，植筋节点处于线弹性阶段，荷载与位移基本上呈线性关系，当位移达到
14、22mm时，节点开始出现间断的轻微声响，随着位移的持续增加，声响由间断趋于频繁，荷载也持续增大，当位移大约达到46mm时，试件发出的声响由频繁变为连续，此时荷载仍呈现非线性的增长，当位移达到62mm时，节点处钢板与木梁产生错动，当位移达到82mm时，随着位移的增加荷载趋于稳定，当位移达到88mm时荷载出现最大值而后开始下降，当位移达到100mm时，试验结束。此试件最终呈现状态为节点处钢板与梁产生错动，螺栓屈服，产生了一个塑性铰，木材最终表现为销槽承压破坏，节点处部分木材产生劈裂裂缝。如图3.32。(a) 木梁与钢板产生错动(b) 节点处木材劈裂图3.32 J3试件单调加载破坏现象3.2 单调加载试验结果与分析图3.33分别给出了各试件的荷载位移曲线。(a) J1试件荷载位移曲线(b) J2试件荷载位移曲线(c) J3试件荷载位移曲线图3.33 各个试件的荷载位移曲线由各个试件在单调荷载加载过程的荷载位移曲线可知，各个节点在加载初期，荷载的增大与位移的增大基本上呈线性关系，整个试件处于弹性受力状态，当荷载超过比例极限之后，荷载位移曲线的斜率有着不同程度的变化，直至试验
