斜螺钉连接胶合木梁柱节点抗侧性能研究∗

阙泽利 韩 聪 滕启城,2 胡传双 罗文圣

（1.南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037；2.保国寺古建筑博物馆，宁波 315033； 3. 华南农业大学材料与能源学院, 广州 510642；4.北京盛大华源科技有限公司，北京 100070)

节点连接是胶合木结构设计的重要环节，是胶合木结构装配性的最直接体现。目前比较普遍的设计方法是采用钢填板插入胶合木端部的预制槽中，然后通过螺栓穿过预制在钢板和胶合木上的孔实现连接。国外标准也对斜螺钉连接设计提出规范要求，主要 有EN1995-1-1[1]、BS EN 1995-2[2]、AS1720-1[3]、CNR DT 206[4]以及《木质构造设计规范》[5]等。根据Johansen 屈服理论[6]可知，木材销槽承压强度和螺杆的抗弯承载性能决定螺栓连接节点的承载力，但木材顺纹抗剪和横纹抗拉性能较差，且木材的顺纹劈裂具有明显的脆性。在胶合木节点受到地震作用发生转动时，螺栓连接处的胶合木与螺杆产生挤压，螺栓孔侧边木材产生横纹拉应力集中，进而在孔的顺纹方向容易出现裂隙，且在顺纹方向发展迅速，对节点的承载力削弱影响非常显著。Closen等[7]对自攻螺钉连接胶合木梁柱节点进行低周反复试验，结果表明：胶合木自攻螺钉连接节点的受压承载力分别为设计荷载的2 倍和1.9倍，节点具有较大的刚度但延性较弱。Houtte[8]等研究了LVL(单板层积材）框架节点的抗弯矩连接，结果表明：使用环氧树脂和钢筋连接可以形成承载极高的节点，但很难发挥LVL材料的全部强度性能。Nakatani[9]等研究了LSB(长螺栓）连接胶合木梁柱节点的抗弯矩性能，连接时，LSB顺纹方向钉入胶合梁中，获得的节点具有较好延性，但是在胶合梁固定端易出现LSB被拔出的现象，需要进一步增强措施。刘慧芬等[10]通过单调和低周反复加载方法，研究不同布置间距、直径和数量的自攻螺钉对加强胶合木螺栓连接梁柱节点受力性能的影响，结果表明：自攻螺钉布置间距的变化对节点在单调荷载作用下的承载力和延性系数无明显影响；数量的增加和直径的增大，对节点承载力、破坏转角、延性系数以及节点总耗能的影响最大；而节点承载力和总耗能随着自攻螺钉布置间距的减小降低明显。Wang[11]等研究了斜螺钉连接LVL的剪切性能，结果表明：拉剪模式比压剪模式具有更好的承载能力和承载刚度。常程等[12]研究了斜螺钉在正交胶合木中的抗拔性能，结果表明：随自攻螺钉与木材纹理方向的夹角γ增大，木材表面撕裂破坏现象越明显；试件刚度和强度均随γ的增大而增大。Tomasi等[13]在关于斜螺钉连接木与木节点的理论与试验分析中，对斜螺钉连接胶合木的剪切性能有较为全面的分析。孙兆洋等[14-19]研究了自攻螺钉连接胶合木梁柱节点的力学性能和对古建加固性能的影响。

本文设计了一种适用于装配式胶合木建筑的新型梁柱斜螺钉连接节点，采用全螺纹自攻螺钉将金属钢板和梁、柱分别连接后，使用螺栓完成梁和柱的连接。图1 所示为新型节点斜螺钉连接原理。这种方式不仅避免了在胶合木梁和柱上预制较大的孔洞，而且全螺纹自攻螺钉连接可将端部承受的荷载，均匀地分布在螺杆上，进而有效地传递到被连接构件内部，不仅不容易造成木材开裂，而且横纹方向自攻螺钉的抗拔力具有很好的延性，可以使节点由脆性转变为延性，从而提高整个节点和结构的承载性能和抗震性能。

图1 新型胶合木梁柱斜螺钉连接节点结构Fig.1 Configuration of new type glulam beamcolumn joint

1 材料与方法

1.1 材料

胶合木梁选用云杉（Picea glauca Mast.)层板，产地加拿大，J级，纹理通直，有少量活节，尺寸为38 mm×89 mm×4 000 mm，平均密度为0.469 g/cm3，平均含水率为15.3%。由上海融嘉木结构房屋工程有限公司使用单组份异氰酸酯胶黏剂胶合成截面为105 mm×105 mm×2 500 mm胶合木。根据GB/T 50708—2012《胶合木结构技术规范》中等级规定，其顺纹抗压强度实测33.5 N/mm2，强度等级为TCT30，顺纹抗剪强度设计值5.5 N/mm2。节点连接用钢板为 Q235 号钢。钢板在工厂预制如图1 所示直角孔和45°斜孔。钢-木连接件为VGS9×200 自攻螺钉，钢-钢连接采用12.9 级M16 高强螺栓。试验共测试3组相同的T型试件：SP1、SP2 和SP3。

1.2 试验设备

微机控制电液伺服组合式剪力墙试验系统（型号为YAW-250J），水平作动器行程范围为±250 mm，荷载最大为250 kN，山东济南邦威仪器有限公司产品。

1.3 试验加载制度

为方便加载，将T型梁柱节点旋转 90°，通过2 根M30 高强螺栓将胶合柱两端与底座固定，上部梁通过M30 高强螺栓和槽钢与水平作动器连接。采用水平电液伺服作动器对胶合梁自由端施加水平荷载，并输出梁端的水平荷载和水平位移。

胶合木梁柱节点的抗侧性能试验采用低周反复循环加载，即拟静力试验方法，参考ISO16670-2003 “ Timber structures-joints made with mechanical fasteners-Quasistatic reversed-cyclic test method”控制和循环方法[20]。试验全程采用位移控制方法，每级的位移由变形角决定。试验从拉向开始，最后采用拉向破坏的方式，至试件完全破坏后结束加载，即达到节点的极限承载力并下降至85%以下。具体的位移控制流程如表1 所示。

表1 低周反复试验加载制度表Tab.1 Loading schedule for reversed cyclic loading tests

1.4 试验测量方案

低周反复加载试验主要分析的是节点在转动过程中的弯矩和转角的关系。弯矩根据水平伺服作动器输出的水平荷载和梁自由端与水平传动梁固定位置的轴心到柱上平面间的距离计算得出。斜螺钉连接节点的转角为胶合木梁在节点处相对于胶合木柱的转角。

图2 为试验加载装置和测点布置。胶合木梁柱节点梁两侧对称布置的2 个位移传感器AD2 和AD3 用于测量梁、柱间的转角。同时沿着柱中轴线布置4 个50 mm YWC-50 型位移传感器（RD1-4，精度0.01 mm）,监测胶合木梁在转动过程中和最终破坏后柱的轴线方向上的变形情况。上述荷载传感器和位移传感器同时接入30 通道TDS530 静态数据采集仪，采集频率1 Hz。试验时环境温度5～15℃，相对湿度50%～70%。

图2 试验加载装置及测点布置Fig.2 Configuration of reversed cyclic loading test

2 结果与分析

2.1 试验现象及破坏模式

斜螺钉连接胶合木梁柱节点在低周反复荷载作用初期，胶合梁小范围没有明显的转动现象。从1/40 循环开始节点处木材出现轻微的断裂声，但荷载-位移曲线未受明显的影响，只有SP2 试件在 1/15 循环时左侧最高处2 颗自攻螺钉钉帽被拉断（图3a），SP1 和SP3 连接的斜螺钉仅挤压钢板预制孔并使之产生压溃，工作状态均良好。最终拉向破坏加载的破坏现象均为如图3c所示的胶合柱左半侧中轴线位置木材顺纹开裂，表明全螺纹自攻螺钉有效地将胶合木梁柱节点处的荷载传递到了胶合柱的内部。胶合柱承压面右侧压溃明显，由于破坏时转角过大，通过高强螺栓与胶合梁底部钢板连接的右侧垂直钢板发生向内不可恢复的较大弯曲变形（图3b）。

图3 胶合木梁柱节点低周反复试验典型破坏现象Fig.3 Characteristic failure mode of glulam beam-column joint test

2.2 理论分析

参考Komatsu对胶合木梁柱节点理论分析方法[21]，对斜螺钉连接胶合木梁柱节点进行受力分析，如图4。

由斜螺钉连接的梁柱节点交汇区域内的弯矩平衡可知：

式中，cML为柱左侧距柱中心的弯矩, kN/m;cMR为柱右侧距柱中心的弯矩, kN/m；bQL为梁左侧距梁中心的剪切力, kN;hc为柱的高度，m;pQb为梁作用于面板上的剪切力，kN;bML为梁左侧距梁中心的弯矩, kN/m;cQL为柱左侧距柱中心的剪切力, kN;cQR为柱右侧距柱中心的剪切力, kN;hb为梁的高度，m;pQc为柱作用于面板上的剪切力, kN。

由式(1)和式(2)知，节点梁柱交汇区域内的剪力为：

式中，hp为面板高度，m。

图4 T型梁柱斜螺钉连接节点受力解析Fig.4 Theoretical analysis of T-type beam-column joint with inclined screws

因为VL＝PH，

式中，V为基础反力，kN；L为柱二端螺栓间距，m；P为水平向荷载，kN；H为水平向加载点与基础的垂直距离，m。

综上得：

进而得到：

所以，节点交汇区域内的水平剪切应变和垂直剪切应变为：

式中，pτb: 梁对面板的剪应力，MPa;pτc: 柱对面板的剪应力，MPa。

图5 水平切应变与垂直切应变的组合Fig.5 The combination of horizontal and vertical shear strain

图5 所示为水平剪力pτb和垂直剪力pτc共同作用下得到的变形角pγ, Gw为胶合木剪切模量。

式中，Gw为胶合木剪切模量，MPa。

根据用于试验的云杉胶合木顺纹抗剪强度设计值5.5 N/mm2，计算得到胶合木梁柱节点的破坏荷载为30.8 kN，与3 组试件的试验结果28.2、27.7 kN和29.2 kN结果较为接近，表明上述T型梁柱节点的理论计算模型能较好地体现节点的受力机理，对其承载能力有较好的预测效果。

2.3 滞回曲线与骨架曲线

在低周反复荷载作用下，胶合木梁柱节点处的弯矩-转角关系构成了梁柱节点的滞回曲线，将滞回曲线中每一个主循环的峰连接，则形成梁柱节点的骨架曲线，近似于胶合木梁柱节点在单调拉向加载和单调压向加载的弯矩-转角关系曲线的组合。滞回曲线和骨架曲线是胶合木梁柱节点抗震性能分析的主要方法，可以直接反映低周反复荷载作用下节点强度、刚度、变形特征、屈服位置和刚度退化的过程，一次循环曲线围成的面积则体现了结构抗震消能能力。

图6 木梁柱节点的M-θ 滞回曲线Fig.6 M-θ hysteretic lops of glulam beam-column joint

从图6 可见，斜螺钉节点拉向和压向加载循环的弯矩-转角曲线基本对称，呈“反S形”，但在转角较大时，表现出一定的“捏缩”现象，因为在节点拉压方向交替时，胶合梁的旋转中心发生变化，期间经过胶合梁固定端底面与胶合木柱上的连接钢板“面接触”阶段，这一过程需要较大的转角来实现，且承载力较低。随着循环次数增加，斜螺钉连接节点的转角增大，3 组试件的曲线均逐渐趋向于水平，骨架曲线的斜率逐渐减小，出现了明显的刚度退化，表明斜螺钉连接节点在反复荷载作用下屈服后逐渐累积因吸收能量而产生的损伤。

胶合木梁柱节点试件SP1 在第9 次主循环第一次拉回，即1/30 转角时，出现自攻螺钉钉头内侧嵌入钢板斜孔中，导致拉向最大荷载的降低；在第10 次主循环第一次进入压向最大转角时，由于胶合梁固定端右侧木材撕裂，导致压向最大荷载降低；试件SP2 在最后一次主循环拉回，至1/15 转角时，胶合梁左侧钢板最上侧的2 颗自攻螺钉钉帽被拉断，导致1/15 转角下拉向最大荷载低于前一次主循环，但是SP2 在最后拉向破坏阶段，最终的破坏荷载仍超出了最后一次循环的拉向最大荷载，表明尽管斜螺钉连接胶合木梁柱节点损失了2 颗自攻螺钉，但仍具有较高的承载力，也证明了这种新型连接方式优越的承载性能和结构安全性能。SP3 滞回曲线较为饱满，表现较好的承载和抗震性能，循环过程中未出现明显破坏，最终是由胶合梁拉向转动使胶合柱左侧中部顺纹开裂而导致荷载降低。

图7 为3 组胶合木梁柱节点的骨架曲线，表现出明显的弹性、屈服和极限破坏三阶段的特征，整体看来，3 组试件的骨架曲线特征一致，吻合度较好，除SP1 因右侧自攻螺钉连接存在一定的间隙导致曲线出现初始低刚度段，节点发生了刚体位移。

2.4 刚度退化

由图8 可知，随着转角增大，循环次数增多，骨架曲线的斜率越来越小，表明斜螺钉连接胶合木梁柱节点出现了明显的刚度退化现象。采用滞回曲线中各级主循环的峰值点形成的割线刚度，表征斜螺钉连接节点的刚度退化特征和损伤累积情况。虽然试件加工存在一定的误差，但节点的刚度整体表现为转角较小时退化明显，1/100 循环后退化速率较慢且局部略上升的特征，3 组节点吻合度较好。表明斜螺钉连接的胶合木梁柱节点具有较好的损伤累计效能。

图8 胶合木梁柱节点的刚度退化曲线Fig.8 Rigidity degeneration of glulam beam-column joint

2.5 耗能分析

图9 胶合木梁柱节点的M-θ 骨架曲线Fig.9 Rigidity degeneration of glulam beam-column joint

节点的承载强度和刚度不能充分体现节点耗能抗震的能力。胶合木节点的耗能能力采用节点弯矩-转角滞回曲线所围成的面积Ep与理想状态下弹性体的滞回曲线所形成的面积 Ed计算得到的等效黏滞阻尼系数εeq来衡量。图9 所示为斜螺钉连接胶合木梁柱节点低周反复试验的等效黏滞阻尼系数随转角的变化。在1/100 循环前，耗能能力处于较低水平，表明节点在克服自攻螺钉的连接间隙到充分受力，仍处于弹性阶段，主要靠连接构件之间相互摩擦实现耗能，但是随着转角的增大，耗能能力明显增强，自攻螺钉连接胶合木孔位开始出现不可恢复的压溃变形，直至最后循环，节点仍保持较强的耗能能力，除SP1 在1/20 循环，因胶合梁固定端右侧木材撕裂，使节点耗能能力突降，且3 组试件最终破坏都未发生在胶合梁柱连接的节点上，表明斜螺钉连接节点未完全发挥其耗能能力，本文设计的胶合木梁柱连接节点是一种安全可靠、抗震性能优越的节点连接形式。

3 结论

节点连接是装配式胶合木结构的关键环节，本文设计了一种斜螺钉连接装配式胶合梁柱连接节点，并对连接节点进行低周反复加载试验，从破坏模式、弯矩-转角关系、节点刚度和刚度退化以及耗能能力等方面测试了新型节点的性能，得出以下结论：

1）3 组斜螺钉连接胶合木梁柱节点低周反复试验得到的弯矩-转角滞回曲线，在拉向和压向加载循环中基本对称，呈“反S形”，转角较大时，表现出一定的“捏缩”现象。

2）全螺纹自攻螺钉可以有效地将胶合木梁柱节点处的荷载传递到胶合柱的内部。即使在局部少数自攻螺钉失效情况下，节点仍具有较高的承载性能。整个节点具有较强的抗侧承载性能。

3）斜螺钉节点在低周反复试验中刚度整体表现为转角较小时退化明显，1/100 循环后退化速率较慢且局部略上升。节点具有较好的损伤累计效能。

4）低周反复加载初期，斜螺钉连接节点处于弹性阶段，耗能水平较低，转角越大，耗能作用增加显著，直至最大转角循环，节点仍保持较强的耗能水平，斜螺钉连接胶合木梁柱节点有良好的耗能减震作用。