不同加载角度下重组竹销槽的承压性能.pdf

林业工程学报，（）：收稿日期：修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）。作者简介：王文蹈，男，研究方向为现代竹木结构。通信作者：刘燕燕，女，副研究员。：不同加载角度下重组竹销槽的承压性能王文蹈，唐思远，刘燕燕，孟雨皓（南京林业大学生物质材料国家地方联合工程研究中心，南京；南京林业大学土木工程学院，南京；桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，桂林；江苏省苏州市苏明装饰股份有限公司，苏州）摘 要：重组竹是一种新型绿色装配式建材。销槽承压强度是现代竹结构节点设计的重要参数，对于确定节点承载性能和可靠度具有重要意义。为研究不同加载角度下的重组竹销槽承压性能，通过对 组 个重组竹试件开展全孔销槽承压静力加载试验，得到重组竹全孔销槽承压荷载位移曲线、破坏模态和销槽承压强度，分析了加载角度对重组竹销槽承压性能的影响。结果表明：重组竹销槽承压的荷载位移曲线分为 个阶段；根据加载角度不同，具有 种典型的破坏模态；销槽承压强度在加载角度为，时最低，加载角度为 和时，均有一定程度的提高。将销槽承压强度试验值与欧洲标准（：）、美国标准（）和中国标准（）中销槽承压强度计算公式得到的结果进行对比，得出了上述标准在计算重组竹销槽承压强度时存在一定局限性。最后在试验结果的基础上，提出了不同加载角度下的重组竹销槽承压强度建议计算公式，为现代竹结构中节点连接承载力的计算提供了参考。关键词：重组竹；全孔销槽承压强度；加载角度；破坏模态中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，（：），（）（），林 业 工 程 学 报第 卷 ，：；重组竹是一种低碳、可再生的定向竹基纤维复合材料。重组竹是圆竹经疏解、炭化、浸胶、干燥、热压等工艺制作而成的，突破了圆竹在截面尺寸、形状、连接等方面的限制，能满足低、多层建筑结构的使用需求。现代竹木建筑主要采用梁柱框架结构，梁柱节点通常采用螺栓连接。有别于传统榫卯连接，该方式采用标准化、规格化的金属连接件将各个竹（木）构件连接在一起，构造简单，传力明确。目前各国木结构设计标准中，螺栓连接节点的承载力计算公式均以 屈服理论为基础，该理论认为销钉式紧固件的承载能力取决于紧固件的屈服力矩和销槽承压强度。因此，销槽承压强度直接影响螺栓连接节点的承载力。目前测定销槽承压强度有半孔和全孔 种方法。美国标准 “”采用半孔法测试，该测试方法过程较为简单，且由于销轴类紧固件均匀受压，不易发生弯曲，更符合试验要求的视销轴类紧固件为刚体的假定，但该方法中销槽受力情况与实际不 符；欧 洲 标 准 ：“”所采用的全孔法虽然难以保证销轴类紧固件不发生弯曲，但该方法中销槽受力情况与实际工程相近，且全孔法还能考虑竹（木）材试件非受力端部分在销槽变形过程中对销槽承压强度的影响。国内外学者对木结构和竹结构销槽承压强度进行了大量理论和试验研究。等进行了木材顺纹和横纹销槽承压强度试验研究，根据螺栓直径偏移法和 最大位移法分别确定了销槽承压强度，结果表明，顺纹销槽承压强度为顺纹抗压强度的，而横纹销槽承压强度是横纹抗压强度的 倍。等研究了竹集成材排列方式、螺栓直径对销槽承压强度的影响，发现横纹方向销槽承压强度明显大于顺纹方向，销槽承压强度随着螺栓直径增加而降低，并且根据大量试验结果建立了预测竹集成材销槽承压强度的经验公式。在以往的研究中，人们常关注竹木材料的顺纹和横纹销槽承压强度，但在工程应用中，承受弯矩的节点处螺栓群中单个螺栓往往承受任意角度的荷载。研究了云杉在不同加载角度下的销槽承压强度，得出了由顺纹抗压强度和横纹抗压强度决定的不同角度下销槽承压强度插值公式。等通过研究单板层积材（）中销槽承压荷载位移曲线参数随加载角度的变化关系，得出了随着加载角度的增加，准弹性极限、准弹性加载刚度和卸载刚度减小，弹塑性刚度，即销槽承压的硬化行为增加等结论。等研究了含水率和加载角度对重组竹销槽承载力的影响，建立了销槽承压强度和含水率的回归曲线，并基于 公式提出了分段模型，该模型可以较好地预测不同加载角度下的重组竹销槽承压强度。唐红元等进行了加拿大铁杉正交胶合木（）半孔销槽承压试验，分析了销栓直径、销栓与拼缝位置关系、加载角度等多种变量对 销槽承压强度的影响，提出了适用于多种工况的加拿大铁杉 销槽承压强度的建议公式。等发现 理论模型能够反映节点的线弹性、屈服后阶段的变化特征，能够较为全面地反映重组竹钢夹板螺栓连接节点整个受力过程。截至目前，针对不同加载角度下重组竹销槽承压强度的研究均基于半孔销槽承压试验，而全孔销槽承压试验研究鲜见报道，从工程实际受力角度，有必要进行不同加载角度下的全孔销槽承压试验研究。在上述研究基础上，笔者进行了不同加载角度下的重组竹全孔销槽承压性能试验，得到了重组竹销槽承压荷载位移曲线、破坏模态和销槽承压强度，研究了不同加载角度对销槽承压性能的影响，并将销槽承压强度试验值与欧洲、美国和中国标准计算得到的销槽承压强度进行对比，提出了不同加载角度下的重组竹销槽承压强度建议计算公式，以期为现代竹结构建筑中节点连接承载力的计算提供参考。全孔销槽承压试验 试验材料选用产自湖南桃花江的重组竹试件，该试件采用 年生原竹按标准工艺制成。试验用重组竹 第 期王文蹈，等：不同加载角度下重组竹销槽的承压性能全干密度为 ，含水率为，顺纹抗压强度为 ，横纹抗压强度为 ，顺纹抗剪强度为 ，横纹抗拉强度为；螺栓选用，强度等级为 级。试验设计与加载参考欧洲标准 ：，重组竹销槽承压试件尺寸设计为 （长）（宽）（厚）。为考察加载角度对重组竹全孔销槽承压性能的影响，设计了加载角度为，共 个工况，每个工况 个试件，共计 个试件。其中：代表顺纹承压，即加载角度与纤维方向平行；代表横纹承压，即加载角度与纤维方向垂直。试件尺寸和加载方向设计见表，不同加载角度的试件取样方法见图。表 重组竹销槽承压试验试件 编号试件尺寸 长度 宽度 厚度 螺栓直径 螺栓强度等级加载角度（）注：试件编号如，其中 表示螺栓直径，表示螺栓强度，表示加载角度（为顺纹、为横纹），表示试件编号（取）。图 不同加载角度试件的取样方法 试验在南京林业大学国家工程中心实验室进行，采用 电液伺服万能试验机进行加载，试验装置如图 所示。本试验采用位移控制加载，加载速率为 ，采用位移计记录销栓位移，位移计放置方式如图 所示。试验停止的标准为荷载骤降、试件破坏或位移达到 。图 重组竹全孔销槽承压试验示意图 销槽承压强度判定方法竹（木）销槽承压强度 的物理定义为：（）林 业 工 程 学 报第 卷式中：为屈服荷载；为销轴紧固件直径；为试件厚度。判定销槽承压屈服荷载 的方法通常有销轴直径偏移法和 最大位移法，如图 所示。销轴直径偏移法是将试验所得荷载位移曲线中初始弹性阶段的直线水平移动 销轴直径，所得新直线与荷载位移曲线的交点对应的荷载即为销槽承压屈服荷载；最大位移法是图 销槽承压强度判定方法 指将荷载位移曲线 位移处的最大荷载值作为销槽承压屈服荷载。结果与分析 试件破坏模态不同加载角度下的销槽承压破坏模态如图 所示。，均出现了上下通缝的破坏模态；，均是螺栓孔下部纤维被压密、压溃导致承载力逐渐下降，最后位移达到 ，试验停止。随着加载角度的增加，试件破坏模态逐渐发生变化，按照裂缝形式的不同可分为 种破坏模态（图）。破坏模态：加载角度为，时（图），螺栓孔上下各形成 条通缝。破坏模态：加载角度为，时（图），螺栓孔下部受压，纤维鼓曲，随着荷载的增加，下部纤维断裂，螺栓孔两侧沿纤维方向产生裂纹，裂纹呈十字形，但不会形成贯穿试件的裂缝。图 不同加载角度下的销槽承压破坏模态 图 不同加载角度下的 种典型破坏模态 破坏模态的裂缝受力示意图见图。当加载角度为 时（图），销槽下部由于螺栓的嵌入，产生楔形撑开效应，该效应在重组竹内产生垂直于纤维方向的拉应力，销槽下部承压，产生沿纤维方向的压应力和剪切应力。重组竹顺纹抗剪强度是顺纹抗压强度的，而重组竹横纹抗拉强度是顺纹抗剪强度的，所以随着荷载的增加，会率先在销槽下部形成沿纤维方向的剪切裂缝，继而使销槽上部被拉开，试件破坏。当加载角度为 和 时（图），销槽承压产生的楔形撑开效应不明显，随着销槽下部的重组竹被压密，材料内部产生沿纤维方向的剪切应力和 第 期王文蹈，等：不同加载角度下重组竹销槽的承压性能顺纹、横纹的压应力。由于重组竹顺纹抗剪强度分别是顺纹抗压强度和横纹抗压强度的 和，所以随着荷载的增加，试件会产生沿纤维方向的剪切裂缝。当加载角度为，时，随着加载角度的增加，销槽下方横纹承压逐渐起主导作用，顺纹方向剪应力越来越小，所以未出现顺纹剪切裂缝。随着螺栓的嵌入，销槽下方纤维不断被挤密，纤维向外鼓曲，两侧出现横纹拉伸撕裂裂纹，下方出现横纹纤维断裂裂纹。图 销槽承压荷载位移曲线 等对不同加载角度下 的销槽承压强度及破坏模态进行了试验研究，尽管 同重组竹在材料力学性质上有差异，但在不同加载角度下，其破坏模态同本试验结果一致；同时，还采用了数字应变测量系统观测了不同加载角度下 销槽承压试件表面的应变分布情况，其结果也佐证了本研究对不同加载角度下受力机理及破坏模态的分析。图 破坏模态的裂缝受力示意图 荷载位移曲线典型销槽承压荷载位移曲线如图 所示。从图 可以看出，整个曲线变化过程可分为弹性阶段、强化阶段和塑性阶段 个阶段。由于构件与螺栓之间存在初始间隙，所以荷载位移曲线初始有滑移段。图 销槽承压荷载位移曲线三阶段 销槽承压荷载位移曲线如图 所示。当加载角度为，时，随着荷载的增加，销栓与试件之间的空隙逐渐消除，销槽下方开始受力。在加载初期，荷载位移曲线处于弹性阶段；当位移为 时，荷载达到峰值，此时有明显的裂纹沿着顺纹方向扩展，荷载稍有下降；随后曲线进入塑性段，荷载保持不变，位移不断增加；最后伴随一声清脆的劈裂声，试件形成上下通缝并破坏。当加载角度为，时，随着荷载的增加，销栓与试件之间的空隙逐渐消除，销槽下方开始受力。在加载初期，荷载位移曲线处于弹性阶段，随着纤维逐渐被压密，荷载位移曲线开始出现强化段，且随着销槽下方横纹受力角度的增加，曲线的强化阶段越来越明显；当位移分别为，时，荷载达到峰值；随后曲线进入塑性阶段，荷载缓慢下降，位移不断增加，此时销槽下方纤维逐渐鼓曲，销槽周围产生十字形裂纹；最后位移达到 ，试验停止。林 业 工 程 学 报第 卷 加载角度的影响从试件破坏模态来看：加载角度，的试件呈现脆性破坏特征，裂缝均沿着顺纹方向扩展，以上下形成通缝而使试件破坏；加载角度，的试件呈现出横纹挤压的塑性破坏特征，销槽下部纤维鼓曲，均有十字形裂纹产生。从上述结果可见，加载角度 是重组竹销槽承压破坏模态发生改变的临界角度。从荷载位移曲线来看：当加载角度小于 时，未见明显的强化阶段，弹性区至塑性区的过渡较为突然，试件破坏较为突然，且塑性变形离散性较大；随着加载角度的增大，荷载位移曲线的强化阶段逐渐明显；当加载角度大于 时，荷载位移曲线开始出现明显的塑性下降段，不会发生荷载突降和瞬间丧失承载力的情况。全孔销槽承压强度标准计算方法 欧洲标准欧洲标准 ：中顺纹和横纹销槽承压强度计算公式分别为：，（）（），（）（）在上述公式基础上，研究了不同加载方向对销槽承压强度的影响，并提出了如下插值公式：，（），软木 ，硬木（）式中：为材料密度；，为顺纹销槽承压强度；，为横纹销槽承压强度；，为 角度下销槽承压强度。美国标准美国标准 “”中顺纹和横纹销槽承压强度计算公式为：，（），（）式中，为材料全干相对密度。根据云杉在不同加载角度下的销槽承压强度研究结果，进一步得到由顺纹抗压强度和横纹抗压强度决定的不同角度下木材销槽承压强度插值公式：，（）中国木结构标准 木结构设计标准采用的销槽承压强度计算方法基于美国标准，仅在系数上略作调整：，（），（），（）各国标准计算值与试验结果的比较由式（）（）可知，欧洲、美国和中国标准均考虑了材料密度和螺栓直径对销槽承压强度的影响。不同加载角度下销槽承压强度的插值公式中，欧洲标准仅考虑了顺纹销槽承压强度的影响，而美国标准同时考虑了顺纹和横纹销槽承压强度的影响。欧洲标准、美国标准、中国标准中销槽承压强度计算公式的计算结果见表。各国标准计算出的销槽承压强度标准值均为重组竹实测销槽承压强度的。加载角度，下的销槽承压强度最低，加载角度在时，强度较时的结果提高约，试件呈现沿顺纹方向的脆性破坏模态；加载角度下承载力最高，较 时提高约，试件呈现横纹挤压的塑性破坏模态。表 销槽承压强度试验值和各国标准理论计算值对比 单位：编号销轴直径偏移法计算值 最大位移法计算值欧洲标准 ：计算值美国标准 计算值中国木结构标准 计算值 第 期王文蹈，等：不同加载角度下重组竹销槽的承压性能销轴直径偏移法和 最大位移法得出的销槽承压强度变化趋势较为一致，而 最大位移法要略高于 销轴直径偏移法得出的销槽承压强度。欧洲、美国、中国标准理论计算值并没有很好地预测出重组竹销槽承压强度随加载角度的变化趋势。分析其原因，首先可能是由于材料的影响，顺纹和横纹销槽承压强度经验系数的取值是基于木结构试验取得的，对于重组竹偏小；其次是由于标准中的标准值在平均值的基础上考虑了材料变异系数的影响，使得标准值较小，综合以上因素影响，标准计算值具有较大的安全系数。现有木结构标准中的计算公式计算重组竹销槽承压强度较为保守，为了更准确地计算不同加载角度下重组竹的销槽承压强度，还需要做进一步的研究。不同加载角度下的销槽承压强度公式修正由各国标准计算值与试验结果的比较可知，欧洲、美国和中国木结构标准均不能准确预测重组竹不同加载角度下的销槽承压强度，所以需要对公式进行修正。由于中国标准和美国标准采用的 公式较为全面地考虑了顺纹和横纹销槽承压强度对不同加载角度的影响，所以对 公式进行修正：，（）式中，为 销槽承压强度。修正公式的计算结果与试验结果的对比见表。由表 可 知：当 时，其 修 正 的 公式预测值误差均在 之内；当，其预测值误差均在 之内。因此，修正后的公式对销槽承压强度的预测能力更强。表 销槽承压强度计算结果比较 编号销轴直径偏移法计算结果 修正 公式计算结果 误差 结 论）不同加载角度下重组竹销槽承压破坏模态分为沿顺纹的脆性破坏和横纹挤压的塑性破坏，其中，为脆性破坏模态，为塑性破坏模态。）不同加载角度下的典型销槽承压荷载位移曲线分为弹性阶段、强化阶段、塑性阶段 个阶段。随着加载角度的增加，强化阶段逐渐增大。）加载角度对重组竹销槽承压强度有较大影响：在加载角度，下的销槽承压强度最低；加载角度在 时，较 时的结果提高约；加载角度 时承载力最高，较 时的结果提高约。）对比欧洲、美国、中国标准计算值与销槽承压强度实测值，各国标准计算值均为重组竹实测销槽承压强度的。结合各国标准得到的木材销槽承压强度计算公式，本研究对 公式进行了修正，提出了适用于不同加载角度下重组竹销槽承压强度的计算公式，其结果与试验结果误差在 以内。参考文献（）：梁嘉惠，钟畅，方海，等 现代装配式竹结构研究现状林产工业，（）：，（）：冷予冰，许清风，陈玲珠 工程竹在建筑结构中的应用研究进展 建筑结构，（）：，（）：肖岩，李佳 现代竹结构的研究现状和展望 工业建筑，（）：林 业 工 程 学 报第 卷，（）：（），（）：，：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，：唐红元，马梦淋，杨媛，等 正交胶合木销槽承压强度试验研究 建筑结构学报，（）：，（），（）：，（）：李延军，胡守恒，吕荣金，等 高温热处理竹束制造户外重组竹材的生产技术 中国人造板，（）：，（）：张刚，王朝晖，王金平，等 木结构螺栓连接设计中销槽承压强度值的确定方法 林产工业，（）：，（）：（责任编辑 莫弦丰）