木-混凝土组合梁栓钉剪力连接件疲劳性能研究

丁子渊，周俊康，陈挚翔

（中南林业科技大学，湖南长沙 410004）

0 引言

木-混凝土复合结构是近代兴起的新型复合结构。其中木-混凝土组合梁上部结构为混凝土板，下部结构为木梁，结合面通过剪力连接件将两部分连接成整体［1］，上部混凝土板在外部载荷下承压，下部木梁受拉，提高了胶合木梁的强度和刚度，充分利用两种材料的优异性能［2］。其次，传统的混凝土结构污染大，抗震性能差，而木结构存在易燃、易腐蚀的缺点。木-混凝土组合梁则能够充分弥补两者的不足，具有环保、结构简单、抗震性能优良的优点。但目前国内外对木-混凝土组合梁的研究仅停留在静力研究阶段，对疲劳性能的研究还只在理论阶段，而木-混凝土组合结构中最重要的部分为剪力连接件，栓钉剪力连接件作为使用最广泛的剪力连接件，对其研究能够为木-混凝土结构的疲劳性能提供依据。

1 疲劳荷载计算

本研究中剪力推出件荷载计算是根据实际木-混凝土组合梁简化模型进行的。本文参照文献［3］得，单片梁尺寸l=2 m，混凝土板宽bc=0.24 m，混凝土板高hc=0.05 m，木梁宽bt=0.7 m，木梁高ht=0.16 m，混凝土弹性模量Ec=30 000 MPa，木梁弹性模量Et=8 000 MPa，混凝土容重γc=25 kN/m3，东北落叶松容重γt=6.89 kN/m3。

根据文献［3］可得：恒载作用下主梁跨中弯矩M恒=1.56 kN·m，活载弯矩M活=7.92 kN·m，恒载及活载作用效果组合下弯矩M组=12.9 kN·m。

由材料力学［4］中简支梁跨中弯矩可知：

式中：M为跨中弯矩；P为跨中集中力。

由结构力学中等效弯矩可知：集中荷载P恒=3.12kN；集中荷载P活=15.84kN；集中荷载P组=25.80kN。

2 疲劳试验

2.1 模型制作

2.1.1 推出件试件制作

本次试验模型木材选取东北落叶松，混凝土采用C30混凝土，两个推出件试件的混凝土尺寸为400 mm×300mm×60mm，木块尺寸为400mm×200mm×120mm。制作过程中在木材加工厂预制出木块，木块间胶水采用南京工业大学木-混凝土专用胶水。为保证螺栓与木块之间的充分连接，制作时提前用11.5 mm钻头预钻孔60 mm，再通过人工凿锤的方式打入30 mm，使螺栓在木块中的入木深度为90 mm。混凝土的浇筑采用机器搅拌加人工配比的方式制作C30混凝土。浇筑混凝土之前，在螺栓上粘贴沿螺栓方向的应变片以便在试验过程中测量螺栓的应变。

2.1.2 组合梁试件制作

组合梁试件制作采用与推出件试件同样的材料，木材采用东北落叶松，混凝土采用C30混凝土，具体尺寸如表1所示。

表1 组合梁试件主要参数

在制作过程中，同样采取用11.5 mm钻头预打孔的形式，钻孔深度为60 mm，人工凿锤30 mm。组合梁中钢筋及混凝土搅拌、浇灌均在中南林业科技大学实验大厅内完成。

2.2 疲劳试验

2.2.1 推出件疲劳试验

本次推出件疲劳试验采用等幅正弦波加载方式，试验机器设置加载平率为5 Hz。两个试件均进行200万次疲劳循环荷载，疲劳上限值设置为0.4 Pu即15.88 kN，疲劳荷载下限值为0.05 Pu即1.92 kN。

疲劳试验前分五级至疲劳荷载上限值Pmax进行预加载，以消除推出件与各仪器间的不良接触，测验各测量仪器是否正常工作。之后分五级卸载至零，观察各测量仪器是否回到初始状态。

正式加载时每3万次停机一次检查仪器设备情况，在循环次数为30万次、60万次、90万次、120万次、140万次、160万次、180万次、200万次时停机进行荷载上限为Pmax的静力试验，测量各测点应变、挠度、裂缝宽度及裂缝分布情况等数据。进行200万次后对推出件进行破坏试验。

根据30万次、60万次、90万次、120万次、140万次、160万次、180万次、200万次停机时测得的F1、F2荷载-位移曲线图和荷载-应变曲线图可以看出：推出件在循环荷载作用下，木块会发生挤压变形，螺栓与木块之间会产生孔洞。停机时荷载在加载过程中会先使螺栓位移至接触木块再开始承力，使得曲线不是初始的一条直线而是呈现两条折线状。整体趋势来看位移量随循环次数增加而不断增加，说明构件的刚度在不断地减小，其中木块和混凝土的刚度在加载过程中变化不大，主要为栓钉的刚度以及栓钉与木块接触的局部区域刚度呈下降趋势。最终循环200万次后破坏试验的承载力分别为32 kN和30 kN，相较于静力试验测得的极限承载力38.9 kN下降了17.8%和22.9%，其中栓钉的强度下降约50%。

2.2.2 组合梁疲劳试验

本次组合梁疲劳试验过程均采用等幅正弦波加载方式，加载频率取为5 Hz。通过模型分析得到本次组合梁疲劳寿命分别是200万次和120万次，试验过程以力控制，设置疲劳荷载上限值分别为20 kN和44.8 kN，疲劳荷载下限值为4 kN。

在疲劳试验前预先分三级施压至疲劳荷载上限值Pmax，以消除支座之间的不良接触，检查测试仪表及各测点通道是否正常，然后分三级卸载至零，看各测试仪表是否回到初始状态。

预加载完毕确认各仪器试件正常后开始进行疲劳试验。试验过程中设定FSCB-2在20万次、47万次、74万次、101万次、128万次、155万次、183万次、200万次停机，FSCB-3预定在5万次、10万次、29万次、56万次、83万次停机，分别进行荷载上限为Pmax的静力试验，观察静力试验的试验现象，测量各测点应变、挠度、裂缝宽度及裂缝分布情况等数据。

对于组合梁FSCB-2随着循环次数的增加，初期残余变形逐渐增大，在47万次时发生快速刚度退化，之后疲劳损伤积累变缓，导致刚度退化趋于平稳。当疲劳荷载加载到183万次～200万次时，没有残余变形，静力变形量比155万次时明显减少。因木材材性属多孔材料，在疲劳荷载作用下，木材中孔洞会因挤压而压实导致刚度有所提高。经过200万次循环加载后组合梁未发生破坏，混凝土上可观察到细微裂纹，敲开混凝土可观察到栓钉存在细微的弯曲。

对于组合梁FSCB-3由于疲劳荷载幅值变大，前期整体梁的刚度退化速度更快，在56万次时，变形速率开始放缓。疲劳荷载加载到100万次时，木节处裂缝沿着梁长方向延伸，木梁拉断，混凝土板上缘面出现一条明显的纵向裂缝。

通过组合梁停机静力试验测得的各截面荷载-滑移曲线图、荷载-应变曲线图可得，在疲劳荷载作用下，木梁及混凝土板的荷载-应变基本上呈线性关系。组合梁FSCB-2在47万次之前梁的疲劳损伤积累较快，之后疲劳损伤积累变缓。最后组合梁内木材部分孔洞会被压实整体刚度会略微增加。组合梁FSCB-3因荷载幅值的增大，在29万次之前疲劳损伤发生快速积累，之后随着疲劳荷载的持续作用，同样出现木材部分孔洞被压实、整体刚度增加的现象，在100万次时发生疲劳破坏。

总体来说，组合梁的疲劳损伤呈增加的趋势。但在疲劳荷载的持续作用下，木材部分孔洞被压实，刚度会略微增强。荷载幅值的增大，会加快疲劳损伤的积累。

3 有限元分析

有限元采用ANSYS Workbench分析软件进行分析，模型中材料特性数值根据材性试验数据取值。本文中栓钉有限元实体模型采用的是八边形近似模拟。栓钉模型的裁剪需先建立一块截面为边长20 mm的正方形，长度120 mm的长方体模型，然后在表面上切出一个内接圆半径为6 mm的八边形，并将该八边形逆时针旋转22.5°，最终沿八边形切割线贯通。本试验中对木材、混凝土、栓钉的实体模型进行划分网格时，均采用MultiZone（多区域法），这样划分的好处在于可以保证每个节点的网格线均是一一对应，以防出现不收敛的情况，同时这样划分能够减少网格线，使模型运算的速度更快，方便调试有限元模型。

根据模型分析板块中的疲劳分析板块可以得出疲劳寿命云图，通过疲劳寿命云图可以观察到在疲劳荷载作用下，推出件中栓钉在木块与混凝土交界处部分最先发生疲劳破坏，且附近木块也出现破坏现象，整体为局部破坏。组合梁在支座处的剪力连接件最先发生疲劳失效。

4 结语

本文通过栓钉剪力连接件推出件疲劳试验和木-混凝土组合梁疲劳试验，得出木-混凝土组合梁在承受疲劳荷载时，支座处的剪力连接件最先失效，木梁与混凝土板发生分离导致跨中木梁缺陷处应力集中发生受拉破坏。由此说明木-混组合梁支座处的剪力连接件力学性能对组合梁整体性能起关键作用。

在推出件的疲劳性能试验中可发现，推出件在承受疲劳荷载时，木块与混凝土的交界面上，螺栓会因应力集中而发生变形，木块会产生局部挤压变形，整个构件会发生局部破坏但不会发生结构破坏。在循环200万次之后，推出件的刚度分别下降了17.8%和22.9%，其中栓钉的强度下降约50%。栓钉的强度和栓钉与木块间的连接件力对剪力连接件的力学性能起关键作用。