木结构剪切螺栓屈服破坏模式及影响因素分析★

曹东平,张苏俊,朱旭东

(1.扬州大学建筑工程学院，江苏 扬州 225100； 2.扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225100)

我国是最早使用木结构的国家之一，早在7000年前的古代已有“掘土为穴”和“构木为巣”的原始遗迹。而现代木结构建筑更多的是预制装配式建筑，为了满足安全性，适用性，可靠性的三大要求，对于木结构建筑来说，连接位置的强度与稳定性至关重要，因此对连接方法和连接件强度性能都要引起重视[1]。螺栓连接是目前在现代木结构节点连接中应用最广泛的连接方式，与其他连接方式相比具有施工简单，灵活的优点。但是由于木材各项异性的特点，剪切螺栓的材料性能、螺纹的深浅、螺杆的长短粗细、螺栓之间组合排列、工作环境的温度与湿度等[2]，使得螺栓连接的受力性能等变得复杂，剪切螺栓屈服破坏的模式也不尽相同，因此研究木结构剪切螺栓连接的屈服破坏模式及其影响因素对实际工程应用具有重大意义。

1 受力方式

剪切螺栓通过螺栓杆本身固有的钢材强度抵抗剪力和螺栓杆对木构件上销槽承压孔壁承传递压力实现木结构连接功能。根据剪切螺栓受剪的剪力方向和剪力个数，可以大致分为单剪螺栓连接、对称螺栓连接和不对称螺栓连接3种连接类型[3]。各种受力类型示意图见图1～图3。

2 屈服模式

1949年丹麦科学家Johanson[4]提出了剪切螺栓连接承载力计算方法，该计算方法中所使用的屈服模式也被称为“欧洲屈服模式”，该屈服模式主要以销槽承压孔和螺栓杆的应力-应变刚塑性模型为基础。经过大量的实验和数据验证，该屈服模式得到的计算结果与实验结果基本一致，所以该屈服模式不仅被国际公认，也被许多国家用作木结构规范当中的计算模型。剪切螺栓受剪屈服模式[5]类型如表1所示。

表1 螺栓连接节点屈服模式

其中Im和Is统称为Ⅰ型屈服，由于剪切螺栓的强度很高而销槽承压孔的承载力不足导致的屈服。不同之处在于Im屈服是由于厚的木构件的销槽承压孔强度低于薄的木构件销槽承压孔强度，受压屈服后导致厚的木构件无法约束螺栓杆，甚至产生相对滑移。Is屈服是厚的木构件强度不小于薄的木构件时，薄的木构件受压屈服以后无法约束螺栓杆，甚至产生相对滑移。Ⅱ屈服模式发生在不论薄厚，两侧木结构构件销槽承压孔强度小于螺栓杆强度，木构件承压孔均受压屈服无法约束螺栓杆，产生相对滑移。这3种屈服模式都是由于销槽承压孔承载力不足导致的屈服失效。Ⅲm,Ⅲs,Ⅳ屈服模式表现为螺栓杆在木构件承压孔内形成塑性铰后螺杆在剪力作用下屈服弯曲失效。Ⅲm：薄构件的销槽承压孔的强度远高于较厚构件的承压孔强度并对螺栓杆有足够大的约束则会在薄构件中出现塑性铰，厚构件由于承压孔处强度较低，所以承压孔螺栓杆产生相对滑移甚至承压孔处发生撕裂或者压溃。Ⅲs：厚构件内销槽承压孔的强度不大于薄构件的承压孔强度，且对螺栓杆有足够大的约束则塑性铰发生在厚构件的承压孔内，螺栓杆在薄构件承压孔内产生相对滑移或者木构件承压孔处撕裂，压溃。Ⅳ：螺栓杆的强度低或者直径较小，两侧木结构内的承压孔都可以约束螺栓杆，在两侧木构件承压孔中都产生塑性铰，连接处的螺栓杆受剪屈服。Ⅳ型屈服模式产生了2个塑性铰，使螺栓杆屈服弯曲，充分发挥了螺栓杆的材料性能，所以在这种模式下无法通过增加木构件厚度来提高承载力，故也被称为“两铰屈服”或者“最大屈服”。Soltis[6]和McLain[7]通过理论分析和试验发现在Ⅰ,Ⅱ屈服模式下连接节点发生脆性破坏，Ⅲm,Ⅲs,Ⅳ屈服模式下连接节点发生塑性破坏。

3 影响因素

木结构剪切螺栓根据在荷载作用下发生屈服破坏的构件破坏类型可以分为两类：剪切螺栓螺杆发生屈服弯曲破坏和木构件承压孔应力过大发生强度破坏。所以剪切螺栓连接的影响因素根据屈服失效的对象也可以分为剪切螺栓因素和木构件因素。

3.1 剪切螺栓因素

3.1.1 螺杆直径

中南林业科技大学周巍宇[8]研究了不同直径的螺杆螺栓在落叶松胶合木上的连接性能，试验方式采用了半孔试验。研究发现在螺栓强度等级相同的情况下，随着螺杆尺寸的增大，胶合木的承压孔的屈服强度降低，但是承压孔的最大承载力增加。通过实验对比分析，周巍宇认为螺杆的直径增大，胶合木的承压孔直径也要增大，这样就削弱了木构件的截面尺寸，减小了有效受力面积，所以屈服强度降低；随着螺杆直径的增大，胶合木承压孔与螺杆的接触面积增大，受到的应力减小，也避免了应力集中的现象，所以增加了最大承载力。根据试验结果发现主要是胶合木构件发生脆性屈服破坏。破坏方式包括：木构件的木节开裂；承压孔压溃；胶缝开裂。屈服模式可以认为是Ⅰ型屈服和Ⅱ型屈服。

3.1.2 木-木螺栓连接与钢-木螺栓连接

在实际工程应用中尤其是现代木结构建筑常见的剪切螺栓连接构件有木构件与木构件的连接，木构件与钢构件的连接，其中木构件与钢构件的连接包括单纯的木材与钢材连接以及木材与木材中间插入钢填板的连接。钢-木螺栓连接由于有高强度钢板的存在，钢板对螺栓有足够强的钳制力故在钢板承压孔处基本不会发生Ⅰ型屈服和Ⅱ型屈服。所以钢-木连接的屈服时的承载力是会比同条件下木-木螺栓连接的屈服承载力更高。在建筑工程领域内这种螺栓钢填板连接常见木结构受力较大以及受力复杂的节点，如梁柱节点、主梁与次梁节点、桁架连接节点、柱脚与基础节点。SOJIDIN等[9]通过建立有限元分析模型在弹塑性工作原理下对钢-木剪切螺栓连接的屈服破坏模式与承载力的分析也验证了同条件下钢-木连接确实比木-木连接性能更好。GB 50005—2003木结构设计规范[10]中规定，计算钢夹板螺栓连接承载力时取木构件与木构件螺栓连接承载力系数的最大值，即在Ⅳ型屈服模式下木-木螺栓连接形成两个塑性铰时的承载力，而且并未规定钢填板螺栓连接的计算方法。这是因为钢填板的销槽承压孔强度远远大于木构件中销槽承压孔强度，在木构件中植入钢填板以后钢填板销槽承压孔会对螺栓杆形成强大的约束，对螺栓杆的转动具有巨大的钳制力。GB 50005—2017木结构设计手册[11]采用了NDS—2015美国木结构设计规范[12]的方法，将钢板视为一种销槽承压孔承压强度很高的“木材”，承载力的计算方法与木-木螺栓连接相同。EC5欧洲结构设计规范[13]也对螺栓钢填板连接做出了计算公式，不同的是欧洲结构设计规范对钢填板作出了薄厚区分：厚钢板对螺栓杆有足够的约束作用，而薄钢板类似于木构件对螺栓杆受剪时约束较小。类似于Johanson对于木-木剪切螺栓连接提出的“欧洲屈服模式”，EC5欧洲设计规范中也对钢-木剪切螺栓连接的屈服模式做出了详细规定和说明。钢-木剪切螺栓连接屈服模式如表2所示。

表2 钢-木剪切螺栓连接屈服模式

表2中下角标m表示钢板,s表示木构件;Ⅰs表示木构件销槽承压屈服;Ⅱ表示销刚体转动;Ⅲm表示销在木构件中形成塑性铰;Ⅲs表示销在厚钢板边部或薄钢板中部形成塑性铰;Ⅳ表示销在木构件中以及厚钢板边部或薄钢板中部均形成塑性铰。

祝恩淳等[14]学者通过两塑性铰之间的力矩平衡关系得到Ⅳ型屈服模型下承载力公式：

其中,My为螺栓的塑性铰弯矩;fha为木材的销槽承压孔承压强度;d为螺栓直径。

通过公式的对比可以发现，在木构件尺寸，材料强度，螺栓直径相同的情况下，钢-木剪切螺栓连接是木-木剪切螺栓连接承载力的1.4倍。原因是厚钢板的销槽承压孔处的强度很高，剪切螺栓塑性铰形成于钢板的边部，销槽承压孔处压力的力臂小于在木构件内部形成塑性铰的情况，故形成塑性铰所需的作用力增大，示意图如图4,图5所示。

3.1.3 螺栓的排列方式及中距，边距，端距

为了防止在受剪情况下由于弯矩的出现导致连接件发生旋转和滑移的情况出现，极少出现单个螺栓连接的情况，为了保证结构的安全性和稳定性，一般会采取多个剪切螺栓共同连接的方法来抵抗剪力。目前在实际工程应用中常见的排列方式主要包括：并列和错列，这两种排列方式互有优点与缺点，并列布置的形式简单，所用到的连接板尺寸较小，方便施工，但是由于螺栓的并列螺栓的轴线在同一垂直方向上，会削弱构件截面。错列布置的方式虽然由于销槽承压孔轴线不在同一垂直方向上，减小了对木构件截面的削弱，但是布置方式复杂，一般用于尺寸较大的木构件。根据《木结构设计手册》(第三版)有关规定应采取两行排列布置螺栓的方式，其中包括两纵行齐列和两纵行错列，示意图如图6，图7所示。

目前对于木结构剪切螺栓的齐列排列和错列排列对连接承载力的影响还处于研究阶段，没有形成统一的理论。Trayer[15]认为，应尽量避免螺栓的错列排列，因为它会阻碍应力由拉伸区域向连接节点的传递。而Kunesh[16]认为，错列排列的螺栓减小了对截面的削弱所以提高了螺栓承载力。虽然对于两种排列方式存在不同的意见但是各国学者通过对两种剪切螺栓群的排列试验中发现，靠近木构件端部的螺栓所受到的荷载是大于内部螺栓的，且荷载的分布是不均匀的，所以为了得到准确的连接件屈服破坏承载力，国际上一般常用做法是求得剪切螺栓的承载力之和后再乘以一个修正系数。Doyle[17]对单个螺栓和多个螺栓(两行两列)进行了承载力试验，通过对比试验结果发现剪切螺栓顺纹加载时，群体螺栓的单个螺栓承载力低于单个螺栓承载力，单个螺栓承载力是群体螺栓中单个螺栓承载力的1.1倍。剪切螺栓横纹加载时，两者单个螺栓的承载力几乎相同。

除了螺栓排列方式外螺栓之间的距离，螺栓与木构件之间的距离也会影响螺栓的屈服破坏。Trayer在1932年的研究中就提出了中距、边距和端距的概念。如果边距过小，木构件的承压孔强度不足就无法约束螺栓的转动会发生Ⅰ型破坏，木构件撕裂。如果中距和端距过小木构件会发生顺纹受剪破坏，这些破坏都是脆性破坏，应当避免发生。因此我国《木结构设计手册》对齐列和错列的中距、边距和端距做出了以下规定，见表3。

表3 螺栓排列最小间距

3.2 木构件影响因素

3.2.1 木构件厚径比

通常情况下，木构件承压孔的强度是低于螺栓强度的，在相同条件下增加木材的厚度可以增大承压孔受力面积，提高剪切螺栓连接承载力。Soltis[18]在木结构螺栓连接研究中提出了厚径比(L/D)的概念，即木构件厚度与螺栓直径的比值。在一定范围内，随着木构件厚度的增加，螺栓连接的承载力也随着增加，螺栓连接的破坏模式由Ⅰ,Ⅱ型屈服破坏转变为Ⅲ,Ⅳ型屈服破坏。徐德良在木材-钢夹板螺栓连接研究中对螺栓直径一定(11.78 mm)时，对不同L/D的木构件施加荷载，通过试验发现主构件L/D值在2.25～3.92时，连接节点的破坏模式为Ⅰ型模式；L/D值为6.42时，螺栓连接节点的破坏模式为Ⅱ型模式;L/D值为8.92时，螺栓连接节点的破坏模式为Ⅲ型模式。随着厚径比的增加，破坏部位也从木构件的销槽承压孔单独破坏变为销槽承压孔和螺栓杆弯曲的同时破坏。

3.2.2 木构件受力方向

螺栓从制作到加工到安装都是工业化，专业化，标准化操作，螺栓的质量一直都处于一个很好的可控范围内。但是木材是一种各向异性的弹塑性纤维材料，顺纹强度，横纹强度以及在各个方向上的抗拉，抗剪强度各不相同。因为木结构剪切螺栓节点的布置十分灵活，连接位置不仅可以设置在顺纹受剪的部位，也可以设置在横纹受剪的部位。国外学者同样对此进行了大量研究，分析了两种受力方向下剪切螺栓连接屈服破坏模式。Trayer发现当剪切螺栓连接节点受到顺纹理方向的剪力，连接节点具有良好的强度和刚度，但随着荷载的增大，木构件容易发生Ⅰ型和Ⅱ型屈服破坏，木构件销槽承压孔处发生撕裂破坏。当剪切螺栓连接受到垂直于纹理方向的剪力时，连接节点的强度有所下降，但是具有更好的延性。

3.2.3 木材含水率的影响

在木材中含有多种水分，根据水分的存在位置可以分为自由水、结合水、附着水三大类。纤维饱和点是指木材中自由水含量(质量分数)为0而附着水含量达到饱和时的含水率。纤维饱和点不仅是木材含水率的一个重要指标更是木材性能的重要影响因素[19]。现代木结构常用的木构件材料在加工时会通过干燥，烘干等方式将含水率(质量分数)控制在20%左右，使构件含水率低于纤维饱和点获得最优的材料性能。当含水率高于纤维饱和点时，木材强度较低且不随含水率的变化而变化，当含水率低于纤维饱和点时，木材强度随含水率降低而增加。Nicolas等[20]进行了以木构件含水率低于纤维饱和点为前提条件下不同含水率的木构件剪切螺栓连接承载力试验，研究发现屈服破坏模式属于Ⅰ，Ⅱ型脆性破坏。当含水率(质量分数)小于14%时，木构件承压孔处发生撕裂破坏，当14%≤含水率(质量分数)≤19%时，木构件承压孔发生撕裂或压溃破坏，当含水率(质量分数)大于19%木构件承压孔仅发生压溃破坏。

3.2.4 木构件环境温度

通过孙元光等[21]学者的研究发现，当温度低于-2 ℃时，木材中的自由水会结晶，温度进一步降低时木材内的附着水也会结冰。木材中的水以结晶状态存在会提高木材的强度，但是水分结晶会发生膨胀，使木材韧性降低。对比试验数据发现在这种低温条件下木构件的塑性和冲击韧性会降低，但是抗拉强度和抗剪强度均有所增加。因此在低温环境中的剪切螺栓连接屈服时可以承受更高的荷载，但是由于塑性的降低，发生Ⅰ，Ⅱ型屈服破坏的概率将大大提高。所以在我国东北等严寒地区的木结构螺栓连接也要重点考虑温度影响。龚仁梅等[22]研究了在正温度下，温度对木材力学性能的影响。试验结果通过曲线拟合表明，在中、低温度下，温度与木材的横纹抗压强度和抗弯弹性模量成反比，在高温地区，温度与抗弯强度成反比，与横纹抗压强度成正比。在正温度的情况下由于温度的升高会导致木材抗弯强度或者抗弯弹性模量的降低，所以木构件承压孔容易发生脆性屈服破坏。

4 结论与展望

1)木结构剪切螺栓连接的屈服模式与塑性铰有很大关系。当承压孔强度较低或者木构件过薄，不能形成塑性铰约束螺杆就容易发生Ⅰ,Ⅱ型脆性屈服破坏，屈服承载力也较低。当连接节点可以产生塑性铰约束螺杆时，螺杆容易发生受弯屈服，发生Ⅲ,Ⅳ型塑性破坏。

2)对比上述影响因素发现：螺栓影响因素中钢-木剪切螺栓连接是最大的影响因素。钢-木剪切螺栓连接由于塑性铰约束作用更强，钢板相对于木构件性能更加优越，不仅提高了承载力(钢-木连接承载力是木-木连接承载力的1.4倍),还更易发生延性破坏。在木构件的影响因素中，木构件受力方向是最大的影响因素，所以顺纹剪切屈服破坏的承载力远大于横纹剪切屈服破坏的承载力。

3)国际上对木结构螺栓连接的排列方式目前还没有统一的结论与计算公式，可以重点研究各种不同条件下齐列与错列对于木结构螺栓连接屈服破坏模式以及影响因素，并且将研究成果应用到实际工程中。

4)由于木结构螺栓连接可靠、灵活、安全的特点，可以考虑采取与螺栓连接及其他连接件共同工作的组合形式。并且通过试验，理论计算等方式研究屈服破坏情况与影响因素。比如可以将螺栓连接与齿板连接组合起来应用于木结构连接。

5)目前，大部分的研究都是对新构件，新螺栓进行加载实验，很少涉及木结构螺栓连接的蠕变和耐久性实验。美国学者曾做过木结构承载力失效实验，发现木构件在持续荷载的作用下，在3 a～5 a以后只能承受原有极限荷载的60%。所以对于木构件剪切螺栓连接在耐久条件下的屈服模式和影响因素同样值得研究。