正交胶合木墙体与楼板角钢连接节点力学性能研究

刘新虎 黄大典

(1.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092；2.同济大学建筑工程系，上海 200092)

近些年随着木结构的发展，正交胶合木(CLT)由于其良好的双向性能，逐渐受到人们的青睐。CLT木板可应用于屋面板、楼板或墙板[1]，与墙面材料和防火材料等在工厂组合，形成组合预制墙体(楼板)后在工地组装[2]，具有极高的装配化程度。

CLT墙板-楼板连接节点通常采用角钢连接，这种连接方式结构简单、传力明确且施工方便。在节点试验方面，Gavric[3-4]、Schneider[5-7]、Liu[8-9]等学者研究了不同形式角钢连接节点的力学性能。

本文主要研究一种CLT墙板-楼板角钢连接节点在不同方向上的力学特性。首先对两种类型的自攻螺钉进行了不同方向抗剪、抗拔的单调及往复加载试验，通过研究自攻螺钉在CLT板中的顺纹抗剪、横纹抗剪、抗拔性能和破坏模式，为估算CLT墙板-楼板角钢连接节点试验承载力提供依据。

为防止CLT墙板-楼板角钢连接节点在剪力作用下于钢构件处发生脆性破坏，本文对角钢进行了超强设计，确保变形集中于钉与木材处，以获得较好的节点延性。对CLT墙板-楼板角钢连接节点进行抗拔和抗剪方向的单调和往复加载，探究其变形模式、承载力、延性特性等。

1 加载制度及性能指标计算

1.1 加载制度

试验中的单调加载和往复加载均按照欧洲规范BS EN 12512∶2001TimberStructures-TestMethods-CyclicTestingofJointsMadewithMechanicalFasteners[10]进行。

单调加载即按一定加载速率将试件加载至破坏。规范[10]中对于试件破坏的定义为：若试件发生脆性破坏，曲线突然下降，则定义曲线陡降点对应的荷载与位移为极限荷载与极限位移；若试件延性较好，曲线缓慢下降，则定义承载力下降至峰值的80%的点为破坏点；若前两者均不满足，则定义位移达到30 mm时为破坏点。

往复加载制度如图1所示，按单调加载所得屈服位移vy为参考值，以0.25vy、0.5vy为目标位移各循环1次，再以0.75vy、vy、2vy、4vy、6vy等为位移目标各循环3次，直到达到单调加载破坏点。

图1 往复加载制度

1.2 性能指标计算方法

a—方法1；b—方法2。

2 钉连接试验

2.1 试件材料及尺寸

试验所用CLT采用的层板为加拿大进口的Ⅱc级及以上云杉-松-冷杉(SPF)。CLT采用3层(105 mm)或5层(175 mm)层板正交粘结而成。

试验采用的钉由意大利Rothoblaas厂家生产，型号为HBS5×80(直径5 mm、长度80 mm)与KOP8×100(直径8 mm、长度100 mm)，具体样式如图3所示。

a—HBS5×80；b—KOP8×100。

钉连接试验所用CLT板均从同一批次的CLT板中进行取样切割，密度约为410 kg/m3，含水率在10%～13%。钉连接试验所用木块尺寸分别为抗剪试件：80 mm×80 mm；抗拔试件：80 mm×80 mm。

2.2 试验布置

钉连接抗剪、抗拔布置如图4所示。

a—抗剪试验；b—抗拔试验。

2.3 试验数量及加载速率

HBS5×80钉与KOP8×100钉抗剪、抗拔试验数量见表2，各试样见图5、图6。

a—顺纹、横纹抗剪单调加载试样；b—顺纹、横纹抗剪往复加载试样；c—抗拔单调加载试样。

a—顺纹抗剪单调加载试样；b—抗拔单调加载试样。

表2 钉连接试验数量

试件抗剪加载速率为3 mm/min，抗拔加载速率为2 mm/min。

2.4 试验结果

HBS5×80顺纹抗剪、横纹抗剪和抗拔单调加载均值曲线如图7所示，性能指标见表3。

表3 HBS5×80钉和KOP8×100钉单调加载性能指标

图7 HBS5×80钉单调加载均值曲线

2.4.1HBS5×80抗剪单调加载

顺纹抗剪和横纹抗剪曲线有较为明显的弹性段，可以看出钉在横纹方向的承载力和弹性刚度均高于顺纹方向，但顺纹方向的延性较好。

2.4.2HBS5×80抗剪往复加载

钉在抗拔连接件中主要受力方向沿CLT板外层规格材顺纹方向且位移仅限于正向，而抗剪角钢连接件中主要受力方向沿CLT板外层规格材横纹方向且会产生两个方向的位移。本文在HBS5×80钉抗剪往复加载中，对顺纹方向试件仅做半边往复加载，对横纹方向做完整往复加载。顺纹、横纹方向分别加载3个钉，顺纹往复加载钉编号为HBS5×80-S1、HBS5×80-S2、HBS5×80-S3，横纹往复加载钉编号为HBS5×80-H1、HBS5×80-H2、HBS5×80-H3，其滞回曲线分别如图8、图9所示。

a—HBS5×80-S1；b—HBS5×80-S2；c—HBS5×80-S3。

a—HBS5×80-H1；b—HBS5×80-H2；c—HBS5×80-H3。

可以看出：自攻螺钉在往复荷载作用下，曲线的捏缩效应较为明显，这是因为木材发生了塑性变形。当力卸载至0时，位移并没有退回0处，这是由于钉也发生了变形，故当位移退回至0时，会有反向力。从横纹抗剪滞回曲线中可以看出，第三象限内的曲线没有第一象限内的曲线饱满，这也是因为钉已经发生了弯曲变形，反向加载时承载力会低于正向加载，多次往复后钉易在中部塑性铰处或钉头塑性铰处发生断裂。

2.4.3HBS5×80抗拔单调加载

10个钉抗拔单调加载曲线如图7所示，相较于抗剪来说，钉抗拔性能延性较差，初始刚度较大，达到最大承载力后曲线陡然下降，性能指标见表3。可以看出：自攻螺钉HBS5×80的峰值承载力及弹性刚度较高，但延性较差，且数据离散性较大，或与钉子打入速度有关。

2.4.4KOP8×100顺纹抗剪单调加载

10个KOP8×100顺纹抗剪单调加载均值曲线如图10所示，可见其顺纹抗剪力-位移曲线呈现较为明显的弹性段与塑性段。由于钉子直径较大，刚度相应也很大，在剪切过程中钉子仅有少许变形，主要表现为木材顺纹承压破坏，当钉头接近木块边缘时，木材发生劈裂。由于在实际节点中钉并不会到达木材边缘，故在钉节点试验中木材发生劈裂即停止加载，仅取该段作为有效数据，性能指标中仅统计了承载力峰值、弹塑性刚度以及屈服位移、屈服荷载见表3。

图10 KOP8×100钉单调加载均值曲线

2.4.5KOP8×100抗拔单调加载

与HBS5×80钉抗拔性能类似，其初始刚度大，达到承载力峰值后曲线陡然下降，如图10所示为10个KOP8×100钉抗拔力-位移曲线，其性能指标均值见表3。可以看出，自攻螺钉KOP8×100具有较高的承载力峰值及弹性刚度，但延性较差，没有明显塑性段。

3 CLT墙体与楼板角钢连接节点试验

3.1 试件材料及尺寸

KOP8×100钉连接的顺纹抗剪和抗拔承载力均约为HBS5×80钉连接的2倍，但两种钉连接的延性相差较小。由于钉抗拔延性较差，考虑到不希望连接件被拔出太多，因此角钢连接节点中所用钉均采用HBS5×80。试验所用角钢及尺寸如图11所示，根据钉抗剪和抗拔的承载力选取钉个数，其中角钢上部与墙板连接处采用5个钉或7个钉，下部与楼板连接处采用10个钉，其布置位置见图12。

a—连接件三维示意；b—连接件尺寸，mm。

a—与墙板连接处5钉布置；b—与墙板连接处7钉布置；c—与楼板连接处10钉布置。

3.2 试验布置及试验方案

CLT墙板-楼板角钢连接节点试验采用500 kN邦威万能试验机完成，该试验机可用于拉、压试验。

3.2.1抗 拔

CLT墙板-楼板角钢连接节点抗拔试验布置如图13所示，中间板作为墙板，左右板作为楼板，于加载头左右两侧对称布置连接件。对与墙板连接处采用5个钉的试件进行单调和往复加载，分别命名为B-5-1、B-5-2；对与墙板连接处采用7个钉的试件进行单调加载，命名为B-7-1。其中单调加载速率为6 mm/min，往复加载速率为12 mm/min。

a—正面; b—侧面。

3.2.2抗 剪

试验布置三维示意如图14所示，中间板作为墙板，两侧板作为楼板，同样于加载头左右两侧对称布置连接件。实际试验中，为了保持两侧钢板不发生过大变形并有效压住两侧楼板，在前方加塞了两块等高木块。CLT墙板-楼板角钢连接节点抗剪试验中角钢与墙板连接均采用5个钉，对其进行单调和往复加载，分别命名为J-5-1、J-5-2，其中单调加载速率为6 mm/min，往复加载速率为12 mm/min。

a—三维示意；b—实际布置。

3.3 试验现象

3.3.1抗 拔

如图15所示，当与墙板连接采用5个钉时，整个加载过程中角钢底部与楼板连接处的钉几乎没有被拔出，变形均集中于角钢上部与墙板连接处。前期主要变形为与墙板连接钉的钉头出现塑性铰，且有少量钉被拔出，如图16a所示；后期与墙板连接钉进入屈服阶段，整个节点承载力达到峰值，钉中部也出现塑性铰，同时可见明显木材顺纹承压破坏，如图16b所示。随着与墙板连接钉被拔出得越多，节点承载力开始下降，此时有钉被剪断。

图15 CLT墙板-楼板角钢连接节点(与墙板连接采用5个钉)抗拔试验现象

a—与墙板连接钉拔出；b—木材横纹承压破坏、钉头剪断；c—规格材脱胶；d—角钢转动趋势。

当与墙板连接采用7个钉时，角钢底部与楼板连接处的钉也被拔出，越靠近墙板处的钉越容易被拔出，可听见其被拔出时的闷响，同时底部与楼板连接钉被拔出位移也不断增大，最终将CLT板表层规格材拔起，节点破坏，见图16c。由于钢连接件刚度较大，故其自身变形很小，绕底部边缘有转动趋势，如图16d所示。

3.3.2抗 剪

如图17所示，加载初期，与抗拔现象类似，由于角钢与墙板连接处钉个数相较于与楼板连接少，变形主要集中于与墙板连接处，表现为与墙板连接钉头倾斜并出现塑性铰。当位移达到20 mm左右时木材开始出现“噼啪”声响，且较为频繁，此时木材出现横纹承压破坏，木纤维被剪断，同时墙板边缘出现较明显破坏，节点进入塑性。随着位移的增大，与墙板连接钉也不断被拔出，节点承载力开始下降，角钢有转动趋势，且有钉头被剪断。

a—钉初期弯曲变形；b—钉变形增大并拔出；c—木材横纹承压破坏；d—木材劈裂破坏。

3.4 试验结果

3.4.1抗 拔

CLT墙板-楼板角钢连接节点抗拔试验曲线见图18。可以看出，该节点各试件抗拔力-位移曲线形状基本一致，初始刚度高，承载力在位移为20 mm左右达到峰值，此时与墙板连接钉的单个钉承载力也达到峰值，随后立即下降，但下降后又出现一段较为平缓的曲线，此时木材顺纹承压破坏较为严重，导致钉与水平线夹角逐渐增大，钉以抗拔为主，随着位移不断增大，曲线开始出现小范围突然下降，为钉头被剪断及规格材的突然脱胶破坏。试验性能指标见表4，可知该节点初始抗拔刚度较高，延性较好。

图18 CLT墙板-楼板角钢连接节点抗拔力-位移曲线

3.4.2抗 剪

CLT墙板-楼板角钢连接节点抗剪试验曲线见图19，其抗剪性能指标见表4。对比其抗拔性能可以得出，该节点抗剪承载力与抗拔承载力相比略高一些，但达到峰值承载力时，很快出现下降，无明显塑性段，这是由于抗剪试验中木材横纹承压时木纤维不易被剪断，故钉变形较大，并被不断拔出，导致其抗剪承载力迅速下降或钉头被剪断，节点进入下降段。

图19 CLT墙板-楼板角钢连接节点抗剪力-位移曲线

表4 CLT墙板-楼板角钢连接节点性能指标

4 结束语

本文首先对两种自攻螺钉连接(钉HBS5×80、钉KOP8×100)进行了抗剪及抗拔试验。在CLT墙体-楼板角钢连接节点中选用HBS5×80钉进行了节点抗拔、抗剪两个方向的单调和往复加载，其中角钢与墙板连接采用5个或7个钉，与楼板连接采用10个钉。得到以下试验结果：

1)钉连接顺纹及横纹抗剪试验得到的力-位移曲线均有较为明显的弹性段，钉在横纹方向的弹性刚度和承载力均高于顺纹方向，但顺纹方向的延性较好。

2)钉连接抗拔初始刚度及峰值承载力较高，均略高于顺纹抗剪。但达到最大承载力后曲线陡然下降。相较于抗剪来说，钉抗拔延性较差。

3)钉KOP8×100抗拔及抗剪性能均优于钉HBS5×80。其中钉KOP8×100的弹性刚度和峰值承载力约为钉HBS5×80的2倍，但延性的提高不明显。

4)抗拔试验中，当与墙板连接采用5个钉时，整个加载过程中角钢底部与楼板连接处的钉几乎没有被拔出，变形均集中于角钢上部与墙板连接处，表现为钉的弯曲与木材顺纹承压破坏。

5)抗拔试验中，当与墙板连接采用7个钉时，底部与楼板连接钉也被拔出，越靠近墙板处的钉越容易被拔出，最终将CLT板表层规格材拔起，节点破坏。

6)对5钉角钢进行了抗剪单调和往复加载，由于角钢与墙板连接处钉个数相较于与楼板连接少，变形主要集中于与墙板连接处，以钉变形以及木材横纹承压破坏为主。无论是抗拔还是抗剪方向，节点均表现出了良好的延性。