摘要
胶合木植筋节点在加工和安装时通常会存在些许缺陷和误差,且植筋节点的设计和施工目前尚无标准可循。为了研究含加工缺陷在内的安装偏差对该类节点受弯承载力的影响,明确安装偏差的允许范围,基于理论计算方法初步校核所设计节点的梁端抗弯承载力,然后进行有、无安装偏差节点的有限元分析,并与有安装偏差的试验结果进行对比,运用考虑胶层开裂的有限元分析方法确定安装偏差限值。结果表明:有安装偏差节点的梁端抗弯承载力有所下降;试验中试件的破坏形态主要为植入钢筋屈服、植筋孔洞周围木材破坏及木柱顺纹方向开裂;有限元分析时考虑安装偏差和胶层开裂,则分析结果与试验吻合度较高;相对于通常预留间隙10 mm的节点模型,安装偏差控制在10~25 mm以内时,受弯承载力的降低幅度低于5%。
现代木结构具有天然环保、节能低碳的特点,且在抗震性能和装配化方面具有优势。与传统木结构相比,现代木结构材料的加工方式和连接方式不同。现代木结构通常采用工程木材,包括胶合木(集成材)、结构复合木材、木基结构板材和组合木构件。按照材料和建造形式的不同,现代木结构可分成原木结构、梁柱结构、轻型木结构、混合结
受力性能是胶合木植筋连接节点研究的重要内容,近年,除了节点抗拉拔性能
木结构中连接节点的设计关乎整个建筑结构的安全性、可靠性和稳定性。近年,国家相继出台《装配式木结构建筑技术标准》(GB/T 51233—2016)、《多高层木结构建筑技术标准》(GB/T 51226—2017)、《木结构设计标准》(GB 50005—2017)等一系列设计规范与质量验收标
选取木框架结构中的T形节点进行研究,参照既有研
参考《木结构设计标准》(GB 50005—2017)、《胶合木结构技术规范》(GB/T 50708—2012)以及相关标准对节点进行参数设
胶层厚度/mm | 植筋直径/mm | 注胶孔直径/mm | 锚固长度/mm | 最小边距/mm | 最小间距/mm |
---|---|---|---|---|---|
2 | 12 | 16 | 250 | 50 | 50 |

(a) 立面图
(b) 侧视图

(c) 俯视图
图1 梁柱植筋节点尺寸示意图
Fig. 1 Schematic diagram of beam-column glued-in rods joint
胶合木梁柱植筋节点由胶合木构件、环保型胶粘剂(环氧树脂胶)、植筋杆组装而成。梁、柱构件均采用花旗松胶合木,其力学性能指标通过材性试验确定,具体参数如
顺纹抗压强度/MPa | 抗弯强度/MPa | 顺纹抗拉强度/MPa | 顺纹径向抗剪强度/MPa | 顺纹弦向抗剪强度/MPa | 横纹径向抗压强度/MPa | 横纹弦向抗压强度/MPa |
---|---|---|---|---|---|---|
50.0 | 63.52 | 24.8 | 6.58 | 5.09 | 10.2 | 4.43 |
压缩强度/MPa | 黏结强度/MPa | 弯曲强度/MPa | 耐热性/℃ | 硬度/D | 剪切强度/MPa |
---|---|---|---|---|---|
29.7~32.1 | 9.95 | 10.51 | 81 | 82 | >15 |
考虑往复荷载作用条件,以梁端受拉植筋屈服作为极限状态进行理论分析,利用以下3个假

图2 植筋接头计算模型图
Fig. 2 Calculation model for glued-in rods joint
植筋合力、计算式为
(1) |
(2) |
考虑每排植筋数量相同,故=,由力的平衡条件得
(3) |
对受压区钢筋取矩得
(4) |
通过应力-应变关系可得方程组(5)。
(5) |
式中:、分别为木梁横截面高度和宽度,mm;为木梁受压区高度,mm;、分别为植筋端距、间距,mm;为植筋受拉屈服应变;为受压钢筋应力;为植筋弹性模量,MPa;为胶合木弹性模量,MPa。
对有、无安装偏差的两种模型进行有限元分析,参考美国抗震规范AISC进行加载,前3级控制位移分别为4.5、6、9 mm,每级循环6次;下一级强制位移为12 mm,循环4次;当强制位移达18、24、36 mm时,每级循环2次;往后加载位移每增加12 mm循环次数均为2次。
胶合木梁柱植筋节点由木柱、木梁、植筋杆以及胶黏剂组成,无安装偏差时,植筋杆借助胶黏剂与木梁、木柱连接良好,节点拼装完成后梁与柱紧密贴合。在梁端施加竖向循环往复荷载时,胶合木梁近柱端的角部与柱面交互挤压,植筋杆受到反复的拉压力,植筋与木材界面产生沿植筋纵向分布的黏结应力,使木材、植筋结构胶和植筋得以有效传力。
在制作植筋节点过程中,植筋孔位若存在加工偏差,试件组装过程中就会引起梁柱接触面的安装偏差。加载初期由于初始间隙即安装偏差的存在,胶合木梁角部与柱面未产生有效接触,导致传力路径阻隔。实际施工过程中可以采取在梁柱之间添加木片的方式修补试件,用胶黏剂使木片与梁端接合,如

图3 有安装偏差时的植筋黏结界面
Fig. 3 The bonding interface of the planting bar in case of installation deviation
基于ABAQUS建立胶合木梁柱植筋节点三维实体模型,根据Patton-Mallory

图4 梁柱植筋节点有限元模型
Fig. 4 Finite element model of beam-column glued-in rods joint
对于有安装偏差的节点模型(J-2),如
数值模拟结果表明:压应力区的最大应力(7.03 MPa)未超过顺纹抗压强度(50.0 MPa),拉应力区的最大应力(6.33 MPa)未超过顺纹抗拉强度(24.2 MPa),而且最大应力位置偏离梁柱接头处,接头处单元的拉应力接近0.3 MPa,说明胶合木不存在拉力的假定合理;梁柱植筋节点在往复荷载作用下经历了弹性工作阶段、屈服强化阶段、平台阶段而最终破坏;节点加载初期荷载增长较快,后期荷载增长速度减缓,构件设计以植筋屈服破坏为最薄弱环节。
由植筋的应力分布情况可知,加载至+24 mm时受拉钢筋开始屈服,此时,对应的竖向荷载值为=20.12 kN,加载点到柱表面距离为1.2 m,故屈服弯矩=20.12 kN1.2 m =24.1 kN·m,/=95.2%,有限元模拟结果与理论计算结果基本相符,故节点设计合理。
如

图5 节点荷载-位移曲线
Fig. 5 Load-displacement curves of joints
按设计的节点尺寸进行试件制作及拼装,其中安装偏差与有限元模拟节点一致,均为70 mm。

图6 试验加载装置
Fig. 6 Test loading device
试验中竖直荷载由伺服作动器内置传感器测量,位移根据在测点布置位移计获取,测点布置如

图7 位移计测点布置示意图
Fig. 7 Schematic diagram of displacement meter measuring point arrangement
位移计布置于梁柱节点的核心区,用以推算节点的相对转角。位移、荷载数据通过DH3816 N静态应变测试系统获取,采用XTDIC三维全场应变测量分析系统测量胶合木梁、柱表面的位移与应变,如
试件在加载初期(循环为4.5 mm、6 mm、9 mm),伴有轻微响声,判断主要为胶黏剂与木材摩擦产生;当位移循环至12 mm时,胶合木梁内部出现劈裂声;继续加载至18 mm时,试件产生明显劈裂声,加载期间伴有连续清脆的胶层开裂响声;当位移循环至24 mm,位移接近循环峰值时木材突然出现“砰”的一声巨响,梁柱接触面发生轻微横向错动,上部两根植筋已拔出并伴有一定木屑,当前试件已破坏,承载力明显下降,试验结束,试件破坏现象如

(a) 试验时

(b) 植筋拔出破坏
图8 试件破坏现象
Fig. 8 Specimen failure phenomenon
对比梁上相同位置的位移数据可知:XTDIC测得的位移数据与位移计测得的数据吻合,如

图9 位移测试过程值
Fig. 9 Test process value of displacement

图10 试件应变色谱图
Fig. 10 Strain chromatogram of specimen

图11 木梁顺纹方向应力云图
Fig. 11 Stress cloud of timber beam along grain direction

图12 试件滞回曲线
Fig. 12 Hysteresis curve of specimen
试验所得植筋节点的骨架曲线如

图13 节点荷载-位移曲线
Fig. 13 Load-displacement curves of joints
为了模拟胶体在加载过程中存在的开裂情况,针对上述考虑安装偏差的植筋节点进行有限元分析,引入生死单元技术(model change)模拟胶层失效。通过不断运行模型筛选发现,随着荷载逐级增大,失效单元增多直至大部分胶体单元因应力值达到黏结强度使节点失效。对比考虑胶层开裂的模型节点(以J-4表示)与试验节点(以J-3表示),可知二者的骨架曲线吻合度较高,如
值得注意的是,采用生死单元技术的J-4节点承载力略低于试验值,考虑是单元过度删除所致。因为实际开裂是某处开始出现裂纹后,逐渐形成一定长度的裂缝,而每次把开裂单元删除势必放大开裂程度,以至于模拟所得节点承载力低于试验值。
由于目前尚无统一施工验收标准,装配过程中安装偏差可能会导致胶合木植筋节点受力性能受到不利影响,需要确定合理的允许偏差范围。
为研究胶合木梁柱植筋节点的允许安装偏差,采用考虑胶层开裂的生死单元技术。为避免空气湿度变化引起的木材次应力,胶合木梁柱接触界面可预留5~10 mm间
通过对比8组模型的骨架曲线(

图14 试件骨架曲线
Fig. 14 Skeleton curves of specimens
试件节点安装偏差/mm | 失效荷载/kN | 极限荷载/kN | 失效荷载降低值 | 失效荷载降低幅度/% | 极限荷载降低值 | 极限荷载降低幅度/% |
---|---|---|---|---|---|---|
10 | 13.98 | 14.36 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
15 | 13.84 | 14.30 | 0.14 | 1.00 | 0.06 | 0.42 |
20 | 13.63 | 14.04 | 0.35 | 2.50 | 0.32 | 2.23 |
25 | 13.48 | 13.71 | 0.50 | 3.58 | 0.65 | 4.53 |
30 | 13.14 | 13.36 | 0.84 | 6.01 | 1.00 | 6.96 |
35 | 12.20 | 12.54 | 1.78 | 12.73 | 1.82 | 12.67 |
考虑安装偏差影响,对胶合木结构梁柱植筋节点抗弯承载力进行了研究,设计并验证了植筋节点参数的合理性,通过数值模拟和试验方法进行了系统分析,主要结论如下:
1)为了初步校核节点梁端抗弯承载力,首先采用不考虑胶层开裂的有限元模拟进行了分析,有限元模拟方法结果与理论计算结果基本相符。
2)为了提高数值模拟的精度,引入生死单元技术模拟胶层开裂,相较于未考虑胶层开裂影响的模拟结果,基于生死单元技术的分析结果与试验吻合度较高。
3)有安装偏差节点的抗弯承载力的确会下降,安装偏差控制在25 mm范围以内时,相对于预留值为10 mm的基准,节点抗弯承载力的降低幅度在5%以内,建议把25 mm作为容许偏差限值。
4)胶合木结构植筋节点具有较大的初始刚度,低周反复荷载作用下,节点刚度退化明显,建议采用节点加强措施延缓刚度退化。
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