内嵌多块钢板销式木连接力学性能研究

张盛东，范新海，屈文俊

（同济大学土木工程学院，上海200092）

内嵌钢板销式木连接具有简洁、美观、可靠、抗火性能好等特点，已广泛应用于重型木结构节点连接中，其连接构造如图1a所示.内嵌钢板销式连接根据内嵌钢板的数量分为内嵌单块和多块钢板销式连接.Johansen最早给出了内嵌单块钢板销式连接节点在屈服破坏模式下承载力计算公式［1］；随后文献［2－5］对内嵌单块钢板单销和多销连接节点的破坏模式、承载力计算公式和钢板与木构件间的相对滑移进行了试验研究，并建议了不同破坏模式下节点承载力和滑移刚度计算公式；Sjödin等［6］、Rammer等［7］则针对木材含水率对连接节点承载力的影响进行了试验研究；徐德良等［8］对内嵌单块钢板单个螺栓木连接的顺纹受拉性能进行了试验研究.在大跨、多（高）层木结构中，要求连接节点具有较高的承载力和刚度，一般需在较大的木构件中内嵌多块钢板.Mischler［9］，Sawata等［10］等对内嵌多块钢板单销连接顺纹受压节点进行了试验研究，结果表明内嵌钢板销式连接节点的承载力和刚度随钢板数目的增加而增加.

图1 内嵌钢板销式连接示意和破坏实例Fig.1 Dowel－type timber connections with slotted－in steel plates and a failure example

但是近年来，国外有多起因采用内嵌多块钢板销式连接破坏而导致木结构发生倒塌的报道，如2003年丹麦的自行车竞技场1／3的屋顶塌落，见图1b.我国目前还未开展内嵌多块钢板销式连接力学性能研究，但该连接方式在实际工程中已有应用，因此有必要对内嵌多块钢板销式连接进行深入的研究.

1 试验概况

1.1 试验材料

本文所涉及的材料包括胶合木、钢板和钢销.胶合木是由美国花旗松加工而成，实测木材含水率平均值为13%，密度平均值为534kg·m－3；钢销和钢板均采用Q235级钢材加工制作而成，实测钢销受拉屈服强度平均值为357MPa，极限强度平均值为478 MPa.

1.2 试件设计及加工

本文共进行了11个内嵌钢板单销木连接试件的顺纹受压试验，分为四组.木组件截面尺寸b×h＝210mm×350mm，长度l＝400mm，开槽宽度均为10mm，深度均为200mm，预钻孔直径等于钢销直径d；钢板尺寸均为长×宽＝250mm×200mm，厚度8mm，预钻孔直径比d大1mm；d分别为12，16，20mm，钢销长为250mm；钢板端部离槽底距离50 mm.内嵌三块钢板销式连接试件，钢板间木材厚度t2与钢板外边缘木材厚度t1之比分别为0.5，1.0，2.0；内嵌两块钢板销式连接试件，t2／t1为2.0；内嵌单块钢板销式连接试件，钢板位于木组件中心.试件详图及具体参数见图2和表1.

图2 内嵌钢板销式连接试件几何构造（单位：mm）Fig.2 Configuration of specimens of dowel－type connection with slotted－in plates

1.3 加载方式、量测内容和方法

本试验所加荷载为顺纹受压荷载，加载方式为匀速单调加载，荷载控制，试件在10min左右达到破坏，正式加载前先对试件进行预加载.试件中钢板与木组件间相对滑移超过30mm或荷载下降到最大荷载50%时（实际试验时，相对滑移超过15mm，荷载不能继续增加）试验终止.除荷载外，试验时还量测钢板与胶合木组件间的相对滑移，本试验的加载装置如图3所示.

表1 内嵌钢板销式连接试件设计参数Tab.1 Summary of design parameters of specimens of dowel－type connection with slotted－in plates

图3 试验加载装置图Fig.3 Loading layout of the tests

2 试验结果

2.1 破坏模式

四组试件破坏时都发生了木材销槽承压破坏，根据破坏时钢销是否发生弯曲和弯曲后形成塑性铰的个数，本次试验内嵌多块钢板木连接试件的破坏模式可归为Sawata等［10］所给出六种破坏模式（见图7）中的四种典型破坏模式，如图4所示.

（1）试件破坏模式Ⅰ：钢销基本保持刚直，仅发生木材销槽承压破坏，如图4a所示.C－3试件钢销直径为20mm，钢板外边缘木材相对厚度t1／d为1.5，钢板间木材相对厚度t2／d为3.0，其破坏属于破坏模式Ⅰ.

（2）试件破坏模式Ⅱ：钢销在钢板间木材中基本保持刚直，在钢板外边缘木材中发生弯曲但没有形成塑性铰，最终破坏时仅在外边缘钢板处形成2个塑性铰，表现为钢销弯曲和木材销槽承压破坏同时发生，如图4b所示.试件A组中A－2和A－3试件的d为12mm，t1／d分别为3.75和2.50，t2／d分别为3.75和5.00；B组试件的d为16mm，t1／d分别为3.75，2.80和1.88，t2／d分别为1.88，2.80和3.75；C组中C－1，C－2试件的d为20mm，t1／d分别为3.00和2.25，t2／d分别为1.50和2.25.以上试件的破坏属于破坏模式Ⅱ.

图4 典型的破坏形式Fig.4 Typical failure modes

（3）试件破坏模式Ⅲ：钢销在钢板间木材中基本保持刚直，在钢板外边缘木材中发生弯曲并形成塑性铰，最终破坏时分别在外边缘钢板处和边缘木材中共形成4个塑性铰，表现为钢销弯曲和木材销槽承压破坏同时发生，如图4c所示.A－1试件的d为12mm，t1／d为5.0，t2／d为2.5，其试件破坏属于破坏模式Ⅲ.

（4）试件破坏模式Ⅴ：钢销在钢板间木材中弯曲并产生塑性铰，在钢板外边缘木材中发生弯曲但没有形成塑性铰，最终破坏时分别在外边缘钢板处和钢板间木材中共形成4个塑性铰，表现为钢销弯曲和木材销槽承压破坏同时发生，如图4d所示.D－2试件d为12mm，t1／d为3.75，t2／d为8.33，其试件破坏属于破坏模式Ⅴ.

2.2 荷载与钢板－木材间相对滑移

图5分别给出了A，B，C，D四组试件的荷载—相对滑移曲线.由图5可知，在其他条件相同的情况下，试件的承载力随着t2增加而增大，而最大相对滑移值则随着t2增加而减小.

图5 不同试件的荷载—相对滑移曲线Fig.5 Load－slip curves of different specimens

根据试验所得荷载—相对滑移曲线可按ASTM D5652［11］建议的方法确定连接试件的屈服强度，即通过5%d偏移法评定.本文根据该标准将屈服强度定义为试件的承载力，极限强度则根据EN26891［12］建议的最大相对位移达到15mm时对应的荷载值来确定.试验所获得的连接试件屈服强度和极限强度见表2.

表2 连接节点试验结果Tab.2 Load－carrying capacities of dowel－type connections

2.3 承载力影响因素分析

图6给出了ns，t2与d对连接承载力影响的试验结果.承载力取表2中的屈服强度.

图6 承载力影响因素分析Fig.6 Analysis of the effects of factors on the load－carrying capacities

从图6a可以看出，内嵌钢板销式连接节点承载力随ns的增加而增大.从图6b可以看出，内嵌三块钢板销式连接节点承载力随t2／t1比值增大而增大.从图6c可以看出，当t2／t1＝0.5时，内嵌钢板销式连接节点承载力随d的增加先增大后降低；当t2／t1＝1.0时，内嵌钢板销式连接承载力随d的增加而增大；当t2／t1＝2.0时，内嵌钢板销式连接节点的承载力随d增加先降低后增大.

3 内嵌多块钢板销式连接承载力计算

3.1 承载力计算公式的推导

Sawata等［10］将内嵌多块钢板（对称）销式连接分为六种屈服破坏模式，如图7所示.

图7 内嵌多块钢板销式连接破坏模式Fig.7 Failure modes for dowel－type connection with three slotted－in steel plates

图8为内嵌多块钢板销式连接节点内力分布图和剪切面个数，本文根据文献［13］建议的方法将内嵌多块钢板销式连接分解成1个内嵌单块钢板（两个A剪切面）连接节点加上（ns－1）个外夹钢板（2（ns－1））连接节点，则内嵌ns块钢板销式连接承载力Ru为

式中：Ru，inter为内嵌单块钢板双剪连接节点承载力，Ru，out为外夹钢板双剪连接节点承载力，ns为钢板数目.

Eurocode 5［14］基于Johansen［1］屈服理论给出了内嵌单块钢板和外夹钢板双剪单销木连接节点的破坏模式（如图9所示）及相关承载力计算公式.每种破坏模式下每个剪切面的承载力计算公式为

破坏模式e的承载力

破坏模式f的承载力

破坏模式g的承载力

破坏模式h的承载力

破坏模式l的承载力

式中：My为钢销屈服弯矩；fh为木材销槽承压强度.

不同破坏模式下内嵌多块钢板销式木连接节点的承载力计算公式为

（1）破坏模式Ⅰ为内嵌单块钢板破坏模式e和（ns－1）个外夹钢板破坏模式h组合，则破坏模式Ⅰ承载力计算公式为

（2）破坏模式Ⅱ为内嵌单块钢板破坏模式f和（ns－1）个外夹钢板破坏模式h组合，则破坏模式Ⅱ承载力计算公式为

（3）破坏模式Ⅲ为内嵌单块钢板破坏模式g和（ns－1）个外夹钢板破坏模式h组合，则破坏模式Ⅲ承载力计算公式为

（4）破坏模式Ⅳ为内嵌单块钢板破坏模式e和（ns－1）个外夹钢板破坏模式l组合，则破坏模式Ⅳ承载力计算公式为

（5）破坏模式Ⅴ为内嵌单块钢板破坏模式f和（ns－1）个外夹钢板破坏模式l组合，则破坏模式Ⅴ承载力计算公式为

（6）破坏模式Ⅵ为内嵌单块钢板破坏模式g和（ns－1）个外夹钢板破坏模式l组合，则破坏模式Ⅵ承载力计算公式为

实际应用时，连接节点的承载力值取根据公式（7）～（12）所得到计算值的最小值.

3.2 计算公式的验证

为了验证理论计算公式的正确性，将理论计算与试验结果进行对比，结果见表3.

表3 试验结果与理论计算值对比Tab.3 Comparison of test results with predicted results

从表3可以看出，A－3与C－1试件可能由于试验方法和试件加工误差造成承载力计算值与试验值不吻合，其余试件承载力计算值与试验值符合较好，故建议的公式可用于内嵌多块钢板销式连接承载力计算.

4 结论

（1）内嵌钢板销式木连接的破坏模式分别与t1／d和t2／d有关.

（2）内嵌钢板销式木连接节点的承载力与ns，t2／t1，d有关，且随ns，t2／t1比值增加而增大.

（3）可以将内嵌ns钢板销式连接分解为内嵌单块钢板销式连接和（ns－1）个外夹钢板销式连接，采用叠加原理来计算内嵌钢板销式连接节点承载力，计算值与试验值符合较好.

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