日本柳杉木构件内嵌钢填板销连接横纹承载性能

王朝晖 吕洋波 葛蓓清 张忠利 苏冠男 田昭鹏

(中国林业科学研究院木材工业研究所 中国林业科学研究院林业新技术研究所 北京100091)

现代木结构构件之间通常采用金属件连接，钢填板销连接是一种常见的销轴类连接方式，其将钢板置于梁、柱等构件预先开设的槽口内，通过钢销将构件连接起来。对木结构梁、柱连接节点的研究发现，梁端钢销周围木材容易出现开裂，在横纹荷载作用下，梁端部承受的剪力最大； 在剪力作用下，木材内产生顺纹剪切应力，销孔壁挤压在木材内形成横纹拉应力(刘柯珍， 2011； 张刚， 2014)。木材顺纹抗剪强度和横纹抗拉强度较低，当螺栓或钢销直径较大、数量较多时，节点部位会发生木材的脆性破坏，使得梁、柱等构件受弯承载力和变形能力得不到充分利用(徐天琦等， 2017)。

钢填板销连接的破坏形式可能是延性破坏或脆性破坏或二者兼有，延性破坏指销连接部位发生销屈服，脆性破坏指销连接部位木材发生剪切或劈裂破坏。单纯的延性破坏或脆性破坏很少发生，一般延性破坏先发生，随着荷载不断增加，构件发生脆性破坏并丧失承载力。Johansen(1949)最早提出了木结构销类连接承载力计算方法，该方法假定连接节点最终发生延性破坏，节点承载力主要取决于木材的销槽承压强度和螺栓或钢销的抗弯强度，后逐渐演变为目前广泛应用的欧洲屈服理论(European yield model, EYM)。欧洲屈服理论可很好解决单剪和双剪连接问题，但不能有效解决多剪连接问题。Sawata等(2006)基于木材销槽承压和钢销弯矩满足刚塑性模型的假定，推导出了多剪连接下的承载力计算公式。徐德良等(2009)研究侧材厚度对木材-钢填板螺栓连接节点屈服模式和承载力的影响，结合理论分析提出了屈服荷载和极限荷载的计算公式。祝恩淳等(2016)认为无论销连接基于何种屈服模式，其承载力计算均可归结于销槽有效承压长度系数的确定上，推导出了销连接承载力计算公式，并采用樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和兴安落叶松(Larixgmelinii)间不同组合连接方式进行试验，验证了承载力计算公式可用于计算不同强度等级木构件销连接的承载力。

van der Put等(2000)研究认为，预测木材脆性破坏承载力对节点的合理设计具有重要意义，并基于断裂力学基本理论推导出了木材横纹劈裂破坏承载力计算公式。Jensen等(2003； 2012)在van der Put计算模型基础上，考虑螺栓端距和横纹抗拉强度对节点承载力的影响，提出了新的计算公式。Patel等(2012)对单个螺栓和2个螺栓横纹连接承载力进行研究，将实测值与基于van der Put等(2000)、Jensen等(2003)和欧洲标准EC5(Eurocode 5)得出的计算值进行对比，发现Jensen等(2003)的计算结果与试验值最吻合，认为EC5中规定的断裂韧度C1不太适用于单板层积材LVL(laminated veneer lumber)或其他木质复合材料。Snow(2006)按照ASTM D5652-95 R2000测试方法研究单板层积材LVL、单板条定向层积材PSL(parallel strand lumber)、大片刨花定向层积材LSL(laminated strand lumber)3种工程木材料的连接性能和破坏模式，并与松木锯材进行对比，结果发现当进行横纹连接时，工程木质品螺栓连接承载能力高于松木，LVL、PSL和松木均发生劈裂破坏，而LSL在梁的受拉面发生破坏。Smith等(2006)指出ASTM D5652-95 R2000测试方法存在缺陷，认为对于产生劈裂破坏的构件，其最终失效荷载是因为螺栓下部材料分离失去支撑作用的结果，无法获得产生劈裂破坏所对应的相应荷载，推荐采用图1中的2种方法进行测试。王明谦等(2016)探讨胶合木梁柱嵌入钢板-螺栓拼接节点在纯弯和弯剪复合荷载作用下的破坏机制，结果发现木材横纹劈裂破坏是胶合木梁柱螺栓连接节点的主要破坏模式。

图1 建议采用的测试方法Fig.1 Proposed test methods

日本柳杉(Cryptomeriajaponica)原产日本，引种到我国南方长江流域已有100多年历史，人工林主要分布在四川、湖北、江西、贵州等地，材质与杉木(Cunninghamialanceolata)相近，主要用于装饰家具用材，在结构材利用方面基本处于空白状态。日本柳杉在日本作为主要结构用材树种，广泛用于日式木结构建筑，结构用锯材和胶合木产业链完善，产品强度等级明确、质量稳定可靠。结构梁柱用锯材或枋材通常是经过人工干燥处理，而胶合木在日本也被称为集成材，是将干燥的锯材层板经涂胶层压胶合而成，中小断面集成材广泛用于日本木结构住宅的梁柱构件，梁柱构件常用的2种厚度规格分别为105 mm和120 mm。本研究以120 mm厚度规格的日本柳杉结构用锯材梁和胶合木梁为研究对象，参照图1b弯曲剪切测试方法对其进行单个钢销的钢填板横纹承载性能试验，并将试验值与日本、欧洲、加拿大、美国和我国木结构设计标准计算结果进行对比，探究其破坏机制和承载性能，以期为木结构梁、柱构件金属件连接时梁端销连接设计提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

日本柳杉结构用锯材和胶合木原产于日本冈山县，表观密度0.34～0.43 g·cm-3。使用手持式含水率仪测定试样含水率，每个试样分3处不同部位测定，取平均值，含水率为5.8%～13.3%。含髓心的锯材强度等级为JAS2级(机械等级E70)，胶合木强度等级为E65-F255。钢销直径d为12 mm，材质等级为Q235钢； 钢板采用45号钢材，厚度10 mm。

1.2 试验加工及试验装置

钢填板销连接中，销类紧固件端距、边距、间距和行距的最小尺寸应符合标准规定。本研究仅探讨单个钢销的情况，故只考虑端距和边距的最小尺寸。端距84 mm相当于7倍钢销直径，边距120 mm相当于10倍钢销直径，满足各国标准要求。

试验设计2组共10个钢填板连接试样，试验类型及其试样规格尺寸和设计参数如表1所示，密度和含水率为测试前梁构件的相应数据。梁构件规格为850 mm(长)×120 mm(宽)×240 mm(高)，参照图1b测试方法，钢销布置在梁端部，用于模拟梁、柱连接时梁端钢销受剪作用情况。有效梁宽度为110 mm=120 mm-10 mm(钢板厚度)。

1.3 加载装置与方式

试验在25 t液压伺服试验机上进行，使用东京测器位移计CDP-100测量钢板和木材之间的相对位移，位移计具体位置如图2所示，木材两侧各布置位移计1个，量程100 mm，结果取平均值以减小误差，数据通过东京测器TDS-530静态应变测量系统采集，保证荷载和位移数据同步。采用单调加载时，加载速度为1 mm·min-1，直至荷载下降至极限荷载的80%以下停止加载。试验结束后测量试样含水率、密度，并将试样剖开观测连接部位钢销屈服形态。

图2 钢填板销连接横纹承载试验加载示意(mm)Fig.2 Setup of the dowel joint with the slotted-in steel plates in the beam loaded perpendicular to grain

图3 荷载-位移曲线Fig.3 Load- displacement curvesa.锯材 Sawn timber; b.胶合木 Glulam.

2 结果与分析

2.1 荷载-位移曲线

图3a、b分别为锯材梁和胶合木梁构件的横纹连接荷载-位移曲线。可以看出，加载初期，荷载-位移曲线呈线性关系，构件处于线弹性阶段； 随着位移增加曲线呈非线性，构件进入弹塑性阶段； 当位移增加到一定数值，曲线下行，荷载瞬间急速减小，此时构件螺栓孔附近出现开裂，裂纹方向与木材纤维方向一致，接着荷载又随位移增加再次上升，加载至极限状态时，梁构件产生劈裂破坏丧失承载力。

2.2 试验数据处理与分析

短期承载力标准值根据木造軸組工法住宅の許容応力度設計改訂委員会(2017)规定的等效理想弹塑性方法确定。基于试验获得的荷载-位移曲线，可以确定初始开裂的荷载Pini、最大荷载Pmax、2/3Pmax、屈服荷载Py(图4、5)。屈服荷载Py的确定方法如下： 1) 连接荷载-位移曲线上0.1Pmax和0.4Pmax对应的点，形成直线Ⅰ； 2) 连接荷载-位移曲线上0.4Pmax和0.9Pmax对应的点，形成直线Ⅱ； 3) 平移直线Ⅱ，使之与荷载-位移曲线相切，形成直线Ⅲ； 4) 直线Ⅰ与直线Ⅲ交点所对应的纵坐标值记为屈服荷载Py。

图4 连接节点的性能参数确定Fig.4 Definition of the strength parameter of the joints

图5 参数确定示意Fig.5 Schematic diagram of parameter determination

表2 试验结果Tab.2 Test result

锯材梁和胶合木梁钢填板销连接最大荷载、屈服荷载如图6所示。根据试验得到锯材梁和胶合木梁钢填板销连接最大荷载平均值分别为27.00和30.80 kN、屈服荷载平均值分别为14.50和15.00 kN，屈服荷载均小于2/3最大荷载，短期承载力标准值取决于屈服荷载，锯材梁和胶合木梁销连接承载力标准值分别为8.60和13.70 kN，胶合木梁钢填板销连接的最大荷载和屈服荷载平均值均大于锯材梁，且变异系数明显小于锯材梁，从而导致胶合木梁钢填板销连接的短期承载力标准值远高于锯材梁。试样破坏后测得锯材梁和胶合木梁构件的密度平均值一致，胶合木梁构件的含水率平均值和变异系数均小于锯材梁，也是造成销连接承载力变异小的原因。

2.3 破坏形态

锯材梁和胶合木梁最终均发生劈裂破坏，破坏形态如图7所示。将梁剖开观测连接部位钢销的屈服形态(图8)，可以看出，锯材梁和胶合木梁端钢销均在中部出现一个塑性铰，塑性铰之外区域螺栓刚直，与Johansen(1949)总结的屈服模式Ⅲ型(图9)一致，说明节点延性较好。此时，钢销达到其抗弯屈服强度，侧材在钢销压力作用下也出现销槽承压破坏，钢销与上下表面木材接触部位存在作用力，使得木材内部产生横纹拉应力，最终导致木材发生劈裂破坏。根据文献(徐德良等， 2009； 祝恩淳等， 2016)描述的销连接屈服模式规律，当钢填板厚度、钢销强度一定时，最终屈服模式与侧材厚度和侧材销槽承压强度有关，当侧材厚度较小或销槽承压强度较小时，将发生侧材销槽承压破坏即屈服模式I型； 当侧材厚度较大或销槽承压强度较高时，将在中部和侧材中同时出现塑性铰，塑性铰之间的木材发生销槽承压破坏，即屈服模式Ⅳ型； 当侧材或主材部位销屈服出现一个塑性铰，为屈服模式Ⅲ型，如图9所示。

图6 最大荷载、屈服荷载比较Fig.6 Comparison of maximum load and yield load

图7 梁构件破坏形态Fig.7 Failure modes of specimens

图8 钢销屈服形态Fig.8 Yield modes of dowel

图9 钢填板销连接节点的3种屈服模式Fig.9 Three yield modes of dowel joint with the slotted-in steel plates in the wood

Pedersen(2001)研究发现，当螺栓连接处于横纹受力时，会对销槽孔附近的木材产生横纹拉伸应力，如图10所示。在横纹拉伸应力作用下，因木材纤维之间的横向联系较弱容易被拉开，如果达到横纹拉伸应力的临界值木材还未发生销槽承压破坏，则会出现木材劈裂破坏； 如果达到横纹拉伸应力的临界值木材已发生销槽承压破坏，木材依旧会开裂，但是拉伸应力会随着销槽孔发生移动而减缓裂缝发展进程。

2.4 承载力计算

日本标准(日本建築学会， 2012)、欧洲标准(British Standards Institution， 2004)、加拿大标准(Canadian Wood Council， 2014)、美国标准(American Wood Council， 2018)和我国标准(中华人民共和国住房和城乡建设部， 2017)均给出了钢填板销连接承载力计算公式，可分为销连接屈服荷载和木材脆性破坏承载力计算。

图10 销连接拉伸荷载时销槽孔周围横断面应力分布示意(Pedersen， 2001)Fig.10 Schematic stress condition in a transverse section in dowel proximity, with attention to tension stresses

2.4.2 木材脆性破坏承载力计算 国外标准规定的脆性破坏计算公式如表4所示，我国标准尚未规定。

表3 各国标准中钢填板销连接屈服荷载的计算公式比较Tab.3 The calculation formula of yield load of dowel with the slotted-in steel platesin standards

表4 各国标准中钢填板销连接脆性破坏的计算公式比较Tab.4 The calculation formula of brittle failure of dowel joint with the slotted-in steel plates in standards

各国标准对脆性破坏的要求不同，日本标准同时考虑了连接部位的劈裂破坏和顺纹剪切破坏； 欧洲和加拿大标准仅考虑了劈裂破坏而未考虑剪切破坏； 美国标准对劈裂破坏仅作了构造要求。

2.4.3 承载力计算结果 根据国内外标准规定公式计算屈服荷载结果见表5。欧洲、加拿大和美国标准取各种屈服模式计算结果最小值作为屈服荷载，日本和我国标准先分别取接合形式系数C和销槽承压有效长度的最小值再计算屈服荷载。计算得出的屈服模式均为屈服模式Ⅲ型，即最小值对应的屈服模式。由表5可知，根据日本、欧洲、加拿大、美国、我国标准计算公式得出的屈服荷载分别为7.00、11.70、7.30、11.80和10.20 kN，其中日本和加拿大标准得出的计算值较小偏于保守，欧洲、美国和我国标准得出的计算值相对较大。

表5 各国标准屈服荷载计算结果比较Tab.5 Calculation results of yield load

根据国外标准得出的脆性破坏计算结果见表6。比较表5、6，屈服荷载计算值小于脆性破坏荷载计算值，其中剪切破坏荷载计算值小于劈裂破坏荷载计算值。结合图3的荷载-位移曲线，可以认为销连接部位先发生销屈服后出现木材初始开裂，初始开裂取决于木材抗剪强度、横纹抗拉强度和销所在的梁高部位以及销孔到梁端的距离。梁端销连接发生初始开裂后钢销仍能起到支撑作用，连接节点延性较好。荷载继续上升至最大荷载，最终木材劈裂破坏丧失承载力。

表6 脆性破坏荷载计算结果比较Tab.6 Calculation results of brittle failure load

2.5 试验值与计算值比较

一般标准规定屈服荷载计算公式中不区分锯材和胶合木，同树种同等级屈服荷载视为等同，而本研究结果表明日本柳杉短期承载力标准值锯材梁和胶合木梁之间存在显著差异。由表7可知，锯材梁试验值偏小，与日本、加拿大和我国标准屈服荷载计算值吻合较好，误差在20%以内。胶合木梁试验值相对较大，与欧洲和美国标准屈服荷载计算值吻合较好，误差在15%以内。各国标准预测的屈服模式均为Ⅲ型，与试验结果一致。各国标准的屈服荷载计算公式基于一定基本假设的理论推导，同时计算公式中涉及的销槽承压强度是由经验公式计算得到的，这些都与实际试验情况存在误差。同时，锯材变异性大，含水率偏高，试验得到的承载力较低，但计算公式中仅考虑木材密度，没有区分出锯材梁与胶合木梁的差异，很有必要通过试验加以验证。

表7 试验获得短期承载力标准值与公式计算值的关系①Tab.7 Relationship between standard percentile values of bearing performance by test and calculation values

脆性破坏试验值与计算值的关系见表8。由表可知，计算结果与试验结果吻合较好，说明采用标准中的计算方法能较好预测横纹连接梁构件的脆性破坏。其中，日本标准对于劈裂破坏的预测与试验值最为接近，欧洲和加拿大的预测结果较为保守，主要是因为各国标准中对断裂韧度的取值各不相同。另外，胶合木梁抵抗脆性破坏的能力优于锯材梁。

表8 脆性破坏荷载试验值与公式计算值的关系Tab.8 Relationship between experimental values and calculation values of brittle failure

2.6 屈服模式分析

本试验中屈服形式为Ⅲ型，若要获得延性更好的屈服模式Ⅳ型，根据文献(徐德良等， 2009)可采用增加梁宽度的方法。如表9所示，要达到屈服模式Ⅳ型的状态，梁宽度至少达到183 mm。

表9 达到屈服模式Ⅳ型需要的最小梁宽度及相应屈服荷载Tab.9 Minimum beam width required for yield mode Ⅳ and corresponding bearing capacity

达到屈服模式Ⅳ型时相应的承载力并未超过表10的木材脆性破坏荷载，因此在木材丧失承载力之前可以达到屈服模式Ⅳ型状态，与本研究屈服模式Ⅲ型状态下的承载力相比增大29%～49%。屈服模式Ⅳ型的受力状态见图9，钢销在中间及木材中均出现塑性铰，塑性铰之间木材发生销槽承压破坏。该屈服模式下延性、屈服荷载和脆性破坏荷载均得到提高，是销连接设计中更理想的屈服模式。

表10 梁宽度改变后的脆性破坏荷载Tab.10 Brittle failure bearing capacity after beam width change

2.7 梁、柱连接节点设计

日本金物工法理事会在《接合部性能試験報告書》(金物工法推進協議会， 2011)中进行了胶合木梁柱连接节点试验，试验装置如图11所示，每个梁端使用3根钢销，通过内嵌钢填板连接到柱端，由于柱端螺栓连接承载力通常大于梁端销连接承载力，最终承载力取决于梁端销连接承载力(34.30 kN)，略低于或相当于本研究中胶合木梁端单个销连接短期承载力标准值(13.70 kN)的3倍左右，梁端销连接节点短期承载力与单个销连接承载力和销数量具有良好的相关性：

(1)

式中：Pa为单个钢销设计用容许荷载；jKd为长期荷载影响系数；jKm为含水率影响系数；ru为终局强度比；Pk为短期承载力标准值。

(2)

式中：n为梁端钢销最少数量；Q梁端承受荷载；Pa为单个钢销设计用容许荷载。

图11 梁、柱连接节点试验Fig.11 Set up of post-beam connection test

本研究得到的梁端单个销连接承载性能可以为梁柱的销连接设计提供依据。

3 讨论

相比锯材，胶合木作为一种工程木产品在生产过程中可剔除木节、开裂等自然缺陷，且层板干燥均匀、含水率更低，可根据受力特性进行合理组坯，既能减少锯材无法控制的个体偏差，又能降低试验结果的变异性。本试验研究表明，强度等级确定、质量合格的胶合木销连接短期承载力标准值比同样规格尺寸的锯材大。各国标准关于屈服荷载的计算除理论推导公式不同外，木材销槽承压强度的确定对计算结果也具有较大影响。张刚等(2014)对木结构螺栓连接设计中销槽承压强度的确定方法进行研究，发现日本和加拿大标准给出的销槽承压强度小于欧洲、美国和我国标准，可见销槽承压强度的确定对精确预测销连接承载力十分重要。

由于木材横纹抗拉强度和顺纹抗剪强度较低，当节点钢销或螺栓数量较多时，可能在钢销全部屈服之前发生木材劈裂等脆性破坏(Snow， 2006； Frankeetal.， 2011)。各国标准中脆性破坏的计算结果略有不同，主要是因为各国标准中对断裂韧度的取值各不相同。我国现行标准在连接节点设计中尚未考虑木材的脆性破坏，今后应进一步开展连接节点部位木材顺纹剪切强度和横纹抗拉强度的断裂韧性机制研究，完善我国销连接脆性破坏计算公式和参数，从而更好地保证木构件连接安全可靠度。

4 结论

1) 锯材梁和胶合木梁钢填板单个销连接的最大荷载平均值分别为27.00和30.80 kN，屈服荷载平均值分别为14.50和15.00 kN，短期承载力标准值分别为8.60 和13.70 kN，短期承载力标准值取决于屈服荷载，胶合木钢填板销连接的最大荷载和屈服荷载平均值均大于锯材梁，且变异系数明显小于锯材梁，从而导致胶合木梁钢填板销连接的短期承载力标准值明显高于锯材梁，具有更高的承载力。

2) 当销连接作为中小断面梁柱构件的主要连接方式时，宜选用强度等级确定、质量合格的胶合木作为木构件，比锯材具有更高的连接承载力，且含水率低，稳定性更好。端销连接节点短期承载力与单个销连接承载力和销数量具有良好的相关性，可作为梁柱节点梁端销连接设计依据。

3) 销连接部位发生屈服后出现木材开裂，初始开裂取决于木材抗剪强度、横纹抗拉强度和销所在的梁高部位以及销孔到梁端的距离。梁端销连接发生初始开裂后钢销仍能起到支撑作用，连接节点延性较好，荷载继续上升至最大荷载，最终梁沿销孔水平剪切劈裂破坏丧失承载力。

4) 锯材梁销连接试验承载力标准值偏小，与日本、加拿大和我国标准屈服荷载计算值吻合较好。胶合木梁试验值相对较大，与欧洲和美国标准屈服荷载计算值吻合较好，误差在15%以内。各国标准根据公式计算结果预测的屈服模式为Ⅲ型，均与试验结果一致。要达到Ⅳ型屈服模式，梁宽度至少达到183 mm。

5) 各国标准中的计算公式能较好预测销连接木材的脆性破坏，日本标准对于劈裂破坏的计算与试验值接近，欧洲和加拿大标准的计算结果较为保守。