摘要
连接节点的设计是保证木-混凝土混合结构中两种材料协同工作的基础.为研究常用工程木-混凝土螺栓连接节点的力学性能及破坏模式,分别选用正交胶合木(Cross-laminated timber, CLT)-混凝土螺栓连接和云杉-松木-冷杉(Spruce Pine Fir, SPF)规格材-混凝土螺栓连接作为试验对象,设计了27组单调加载试验和低周往复加载试验,归纳并对比了两类木-混凝土螺栓连接的典型破坏模式.结果表明:木-混凝土螺栓连接节点承载力大小与螺栓屈服模式相关,CLT-混凝土螺栓连接相较于SPF-混凝土螺栓连接更易发生双铰破坏,且CLT-混凝土螺栓连接具有更好的延性.基于对两类连接力学性能差异的影响机理分析,考虑钢垫板对承载力的影响,并引入CLT等效截面,提出了木-混凝土螺栓连接的承载力力学模型.计算结果与试验结果对比的平均误差为12.18%,表明计算值与试验值吻合良好,可为木-混凝土螺栓连接的设计与应用提供参考.
关键词
木材作为一种可再生建材,具有绿色环保、保温隔热等优点.在国家“双碳”战略目标背景下,现代木结构建筑凭借其环境友好、抗震性能优、健康宜居等优势得到迅速发展.随着现代工程技术的发展,单板层积材(Laminated Veneer Lumber, LVL)、层板胶合木(Glued Laminated Timber, GLT)、正交胶合木(CLT)等工程木制品的应用也为现代木结构发展提供了更多可能
木-混凝土混合结构可充分发挥木材和混凝土各自的材性优点.相比于纯木结构,木-混凝土混合结构不仅显著提高了结构的承载力和刚度,还有效改善了结构抗火和隔音性
木-混凝土混合结构类型主要包括轻木-混凝土混合结构和重木-混凝土混合结构.由云杉-松木-冷杉按照规定尺寸加工而成的SPF规格材具有稳定性强、易加工等优势,被广泛应用于轻木-混凝土混合结
在木-混凝土混合结构中,连接是实现木与混凝土两种材料充分发挥各自优势的基
另外,目前关于木-木螺栓连接和木-钢混合螺栓连接的承载力计算方法已有广泛讨
为研究工程木种类对木-混凝土螺栓连接力学性能的影响,本文选取SPF规格材和CLT两种常用结构用木材,通过27个木-混凝土螺栓连接试件的单调加载和低周往复加载试验,对其破坏模式和基本力学性能进行比对分析.同时,本文考虑钢垫板对节点承载力的影响,建立了木-混凝土单螺栓连接承载力计算模型,并针对CLT的特有界面组成,利用等效截面对其承载力进行计算,为后续木-混凝土螺栓连接性能研究和工程应用提供参考.
1 试验概况
1.1 试件设计
考虑影响木-混凝土螺栓连接力学性能的关键参数,本试验选取木材种类、木材特性、螺栓直径、螺栓强度等级和厚径比5个因素,共设计了15个试件,对其进行单调加载试验;同时,为了研究动力往复荷载下木-混凝土螺栓连接的破坏模式和滞回性能,设计了12个试件进行低周往复加载试验.试件主要设计参数见
试件编号 | 木材种类 | 木材特性 | 螺栓直径d/mm | 厚径比 | 螺栓强度等级 |
---|---|---|---|---|---|
S-76-14-4.8-M | SPF | 76 mm | 14 | 5.43 | 4.8 |
S-76-16-4.8-M | 76 mm | 16 | 4.75 | 4.8 | |
S-76-18-4.8-M | 76 mm | 18 | 4.22 | 4.8 | |
S-114-14-4.8-M | 114 mm | 14 | 8.14 | 4.8 | |
S-114-16-4.8-M | 114 mm | 16 | 7.13 | 4.8 | |
S-114-18-4.8-M | 114 mm | 18 | 6.33 | 4.8 | |
S-114-18-8.8-M | 114 mm | 18 | 6.33 | 8.8 | |
C-P-14-4.8-M | CLT | 顺纹 | 14 | 7.50 | 4.8 |
C-P-16-4.8-M | 顺纹 | 16 | 6.56 | 4.8 | |
C-P-18-4.8-M | 顺纹 | 18 | 5.83 | 4.8 | |
C-P-18-8.8-M | 顺纹 | 18 | 5.83 | 8.8 | |
C-T-14-4.8-M | 横纹 | 14 | 7.50 | 4.8 | |
C-T-16-4.8-M | 横纹 | 16 | 6.56 | 4.8 | |
C-T-18-4.8-M | 横纹 | 18 | 5.83 | 4.8 | |
C-T-18-8.8-M | 横纹 | 18 | 5.83 | 8.8 |
试件编号 | 木材 种类 | 木材特性 | 螺栓直径d/mm | 厚径比 | 螺栓强度等级 |
---|---|---|---|---|---|
S-76-16-C | SPF | 76 mm | 16 | 4.75 | 4.8 |
S-76-18-C | 76 mm | 18 | 4.22 | ||
S-114-16-C | 114 mm | 16 | 7.13 | ||
S-114-18-C | 114 mm | 18 | 6.33 | ||
C-P-16-C-1 | CLT | 顺纹 | 14 | 6.56 | 4.8 |
C-P-16-C-2 | 顺纹 | 16 | 6.56 | ||
C-P-16-C-3 | 顺纹 | 18 | 6.56 | ||
C-P-18-C | 顺纹 | 18 | 5.83 | ||
C-T-16-C-1 | 横纹 | 14 | 6.56 | ||
C-T-16-C-2 | 横纹 | 16 | 6.56 | ||
C-T-16-C-3 | 横纹 | 18 | 6.56 | ||
C-T-18-C | 横纹 | 18 | 5.83 |
木-混凝土螺栓连接试件尺寸及构造如

(a) 正视图
(b) 侧视图

(c) 俯视图
(d) 木板示意图
图1 木-混凝土螺栓连接示意(单位:mm)
Fig.1 Geometry of timber-concrete bolted connection (unit: mm)
1.2 材料性能
木-混凝土螺栓连接中包括混凝土、钢材和木材三种材料,按相应的规范对三种材料进行材性试验.实测混凝土立方体抗压强度Fcc见
试块编号 | 混凝土标准立方体边长/mm | Fcc,i/MPa | Fcc/MPa |
---|---|---|---|
1 | 150 | 48.53 | 44.62 |
2 | 43.38 | ||
3 | 41.96 |
注: 按《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)要求测试并确定其强度值.
强度 等级 | 直径d/mm | 最大力Fm/kN | Fm平均值/kN | 抗拉强度ft,b/MPa | |
---|---|---|---|---|---|
试样1 | 试样2 | ||||
4.8 | 14 | 54.86 | 56.36 | 55.60 | 361.18 |
16 | 79.40 | 77.84 | 78.62 | 391.02 | |
18 | 96.70 | 97.21 | 96.96 | 381.03 | |
8.8 | 18 | 173.22 | 170.96 | 172.09 | 676.27 |
注: 共4组,每组2个试样,按《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1—2021)要求测试并确定强度值.
性能指标 | 均值 | 变异系数/% | 试验依据 |
---|---|---|---|
顺纹抗拉强度 | 44.66 MPa | 17.65 | ASTM D143-09 |
顺纹抗压强度 | 26.07 MPa | 23.79 | GB/T 15777-2017 |
横纹抗拉强度 | 2.84 MPa | 14.73 | ASTM D143-09 |
横纹抗压强度 | 6.18 MPa | 12.85 | GB/T 1943-2009 |
顺纹销槽 承压强度 | 22.16 MPa | 8.04 | ASTM D5764-97a |
气干密度 |
0.528 (g·cm | — | GB/T 1933—2009 |
含水率 | 13% | — | GB/T 1931—2009 |
性能指标 | 均值 | 变异系数/% | 试验依据 |
---|---|---|---|
顺纹抗压弹模EL | 14 325 MPa | 21.80 | GB/T 15777—2017 |
横纹抗压弹模(径向)ER | 1 177 MPa | 8.91 | GB/T 1943—2009 |
横纹抗压弹模(弦向)ET | 333 MPa | 22.32 | GB/T 1943—2009 |
顺纹销槽承压强度 | 30.72 MPa | 12.39 | ASTM D5764-97a |
横纹销槽承压强度 | 10.37 MPa | 13.10 | ASTM D5764-97a |
气干密度 |
0.443 (g·cm | 8.70 | GB/T 1933—2009 |
含水率 | 13.67% | 1.18 | GB/T 1931—2009 |
1.3 试验装置与测点布置
试验加载装置如

图2 试验加载装置
Fig.2 Experimental loading setup
1.4 加载制度
单调加载制度参考美国材料与试验协会ASTM D5652标准中的建议方法,进行两阶段加载:1)预加载.主要为检测试验所用位移计的工作状态,并消除节点各组成部分可能存在的不良接触.预加荷载为节点承载力预估值的10%,加载速率为1.5 mm/min.加载至设定的预加荷载后持荷2 min,随后卸载. 2)正式加载.加载速率为1.5 mm/min,并持续加载至试件达到破坏位移.
低周往复加载制度参考美国材料与试验协会ASTM E2126标准中的方法B(ISO 16670标准)进行: 1)根据单调加载试验确定的极限位移值的1.25%、2.5%、5%、7.5%和10%三角形波依次进行一个循环;2)根据单调加载试验确定的极限位移值的20%、40%、60%、80%、100%和120%三角形波依次进行三个循环,试件破坏时终止试验.
2 单调加载试验结果及分析
2.1 试验现象
通过对15组试件进行单调加载试验,记录木材、螺栓和混凝土在单调加载过程中的最终破坏现象,总结为5种主要破坏模式(

(a) 局部承压破坏
(b) 木材劈裂破坏

(c) 销槽承压破坏
(d) 螺栓剪断破坏
图3 单调加载试验木-混凝土螺栓连接破坏模式
Fig.3 Failure modes of timber-concrete bolted connections in monotonic loading tests

图4 单调加载试验螺栓屈服模式
Fig.4 Bolt yielding modes in monotonic loading tests
(a)单塑性铰屈服 (b)双塑性铰屈服
试件编号 | 木材 | 螺栓 | 破坏模式 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
木材局部承压破坏 | 顺纹劈裂 | 销槽承压破坏 | 剪断 | 单铰 | 双铰 | ||
S-76-14-4.8-M | √ | √ | √ | Ⅲ+Ⅳ | |||
S-76-16-4.8-M | √ | √ | √ | Ⅱ+Ⅲ | |||
S-76-18-4.8-M | √ | √ | √ | Ⅱ+Ⅲ | |||
S-114-14-4.8-M | √ | √ | Ⅳ | ||||
S-114-16-4.8-M | √ | √ | √ | Ⅱ+Ⅲ | |||
S-114-18-4.8-M | √ | √ | √ | Ⅱ+Ⅲ | |||
S-114-18-8.8-M | √ | √ | √ | Ⅱ+Ⅲ | |||
C-P-14-4.8-M | √ | √ | Ⅳ | ||||
C-P-16-4.8-M | √ | √ | √ | Ⅰ | |||
C-P-18-4.8-M | √ | √ | Ⅳ | ||||
C-P-18-8.8-M | √ | Ⅴ | |||||
C-T-14-4.8-M | √ | √ | √ | Ⅳ | |||
C-T-16-4.8-M | √ | √ | √ | Ⅰ+Ⅲ | |||
C-T-18-4.8-M | √ | √ | √ | √ | Ⅰ+Ⅳ | ||
C-T-18-8.8-M | √ | √ | √ | Ⅴ |
总结单调加载试验现象可知:1)销槽承压破坏大多与局部承压破坏或顺纹劈裂破坏同时出现,SPF-混凝土螺栓连接更多发生木材劈裂破坏,而CLT-混凝土螺栓连接更多发生木材的局部承压破坏,主要原因是由于CLT组胚正交胶合的特性,外层层板沿加载方向劈裂时,内层层板会限制劈裂趋势,从而造成垫板附近的木材局部承压破坏.2)螺栓直径d≥16 mm的试件中,CLT-混凝土螺栓连接中螺栓的屈服模式通常为单塑性铰屈服,塑性铰主要发生在CLT与混凝土的界面上;SPF-混凝土螺栓连接中螺栓的主要屈服模式为双塑性铰屈服,塑性铰除了发生在SPF与混凝土的界面上,还发生在SPF内部,这是由于混凝土销槽不易变形,SPF销槽承压强度低于CLT销槽承压强度,更容易产生劈裂.3)对于CLT-混凝土横纹试件,CLT均出现了不同程度的胶结层开裂.由于CLT生产过程中正交胶合的特点,CLT板材在制作加工过程中,应保证胶结层的施胶质量和强度性能.
需要说明的是试验过程中2个试件(试件C-P-18-8.8-M、C-T-18-8.8-M)出现了混凝土开裂现象(破坏模式Ⅴ),属于非正常破坏模式,原因为混凝土强度存在一定离散性,混凝土强度可能低于预期的强度值.
2.2 试验结果分析
2.2.1 荷载-位移曲线
单调加载试验下,各试验试件荷载-位移曲线如

(a) S-76-14-4.8-M试件
(b) S-76-16-4.8-M试件
(c) S-76-18-4.8-M试件

(d) S-114-14-4.8-M试件
(e) S-114-16-4.8-M试件
(f) S-114-18-4.8-M试件

(g) S-114-18-8.8-M试件
(h) C-P-14-4.8-M试件
(i) C-P-16-4.8-M试件

(j) C-P-18-4.8-M试件
(k) C-P-18-8.8-M试件
(l) C-T-14-4.8-M试件

(m) C-T-16-4.8-M试件
(n) C-T-18-4.8-M试件
(o) C-T-18-8.8-M试件
图5 单调加载试验荷载-位移曲线
Fig.5 Load-displacement curve for monotonic load tests

图6 木-混凝土连接典型荷载-位移曲线
Fig.6 Typical load-displacement curve for timber-concrete connections
2.2.2 力学性能分析
由各组试件荷载-位移曲线得到木-混凝土螺栓连接的各种力学性能参数如
(1) |
试件编号 | 破坏模式 | 厚径比h/d | Py/kN | δy /mm | Pu/kN | δu/mm | Pf/kN | δf/mm | Ke/(kN·m | μ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
S-76-14-4.8-M | Ⅲ+Ⅳ | 5.43 | 22.06 | 14.35 | 51.57 | 58.92 | 51.57 | 58.92 | 1.64 | 4.11 |
S-76-16-4.8-M | Ⅱ+Ⅲ | 4.75 | 23.40 | 9.30 | 53.88 | 80.18 | 53.88 | 80.18 | 2.82 | 8.62 |
S-76-18-4.8-M | Ⅱ+Ⅲ | 4.22 | 27.40 | 15.38 | 62.24 | 64.85 | 62.24 | 64.85 | 1.83 | 4.22 |
S-114-14-4.8-M | Ⅳ | 8.14 | 22.45 | 11.38 | 54.20 | 64.01 | 54.20 | 64.01 | 2.10 | 5.62 |
S-114-16-4.8-M | Ⅱ+Ⅲ | 7.13 | 24.88 | 16.20 | 60.26 | 91.46 | 60.26 | 91.46 | 1.63 | 5.65 |
S-114-18-4.8-M | Ⅱ+Ⅲ | 6.33 | 24.38 | 9.80 | 58.98 | 86.38 | 58.98 | 86.38 | 2.75 | 8.81 |
S-114-18-8.8-M | Ⅱ+Ⅲ | 6.33 | 25.18 | 25.58 | 60.93 | 96.01 | 60.93 | 96.01 | 1.02 | 3.75 |
C-P-14-4.8-M | Ⅳ | 7.50 | 28.48 | 7.90 | 68.52 | 53.13 | 64.98 | 53.82 | 3.15 | 6.81 |
C-P-16-4.8-M | Ⅰ | 6.56 | 41.03 | 15.76 | 99.08 | 95.17 | 95.73 | 99.83 | 2.15 | 6.33 |
C-P-18-4.8-M | Ⅳ | 5.83 | 32.66 | 11.48 | 71.55 | 70.51 | 69.12 | 70.74 | 2.52 | 6.16 |
C-P-18-8.8-M | Ⅴ | 5.83 | 39.75 | 10.51 | 93.14 | 73.57 | 64.40 | 73.76 | 3.36 | 7.01 |
C-T-14-4.8-M | Ⅳ | 7.50 | 30.94 | 10.23 | 74.21 | 62.11 | 73.75 | 62.65 | 2.66 | 6.12 |
C-T-16-4.8-M | Ⅰ+Ⅲ | 6.56 | 26.15 | 9.50 | 62.25 | 84.08 | 50.90 | 91.10 | 2.41 | 9.48 |
C-T-18-4.8-M | Ⅰ+Ⅳ | 5.83 | 27.31 | 9.84 | 62.57 | 65.56 | 57.72 | 74.44 | 2.50 | 7.56 |
C-T-18-8.8-M | Ⅴ | 5.83 | 22.17 | 7.11 | 51.36 | 48.72 | 51.36 | 48.72 | 3.02 | 6.85 |
由
对比SPF-混凝土和CLT-混凝土试件的屈服荷载可知,在相同螺栓强度等级下,相近厚径比的顺纹CLT-混凝土试件屈服荷载高于SPF-混凝土试件,这是由于屈服荷载与木材销槽承压强度有关.CLT顺纹销槽承压强度高于SPF的销槽承压强度,故SPF-混凝土试件的屈服荷载低于CLT-混凝土试件的屈服荷载.
3 低周往复加载试验结果及分析
3.1 试验现象
记录所有低周往复加载试件最终破坏时木材和螺栓的试验现象,见
试件编号 | 木材 | 螺栓 | 破坏模式 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
木材局部承压破坏 | 顺纹劈裂 | 销槽承压破坏 | 剪断 | 单铰 | 双铰 | ||
S-76-16-C | √ | √ | Ⅳ | ||||
S-76-18-C | √ | √ | √ | ||||
S-114-16-C | √ | √ | √ | ||||
S-114-18-C | √ | √ | |||||
C-P-16-C-1 | √ | √ | |||||
C-P-16-C-2 | √ | √ | |||||
C-P-16-C-3 | √ | √ | |||||
C-P-18-C | √ | √ | |||||
C-T-16-C-1 | 局部裂纹 | √ | √ | √ | |||
C-T-16-C-2 | √ | √ | √ | ||||
C-T-16-C-3 | 局部裂纹 | √ | √ | √ | |||
C-T-18-C | 局部裂纹 | √ | √ | √ |

图7 低周往复加载试验木-混凝土螺栓连接破坏模式
Fig.7 Test phenomenon of timber-concrete bolted connections in cyclic loading tests
(a)销槽承压 (b)螺栓剪断
不同于单调加载试验,低周往复荷载下试件均是由螺栓屈服后剪断导致荷载迅速下降至零,为螺栓剪断破坏(破坏模式Ⅳ)起控制作用.CLT-混凝土螺栓连接试件在低周往复荷载下螺栓均出现双塑性铰屈服模式[如图8(a)(b)所示],塑性铰分别发生在CLT与混凝土的界面处及CLT板内部,随着位移的增加,螺栓在CLT与混凝土界面形成的塑性铰处剪断.SPF-混凝土螺栓试件中螺杆可能出现单塑性铰,也可能出现双塑性铰[如图8(c)(d)所示].所有试件的混凝土整体完好,但由于螺栓弯曲,在CLT与混凝土接触面上,螺栓塑性铰附近会出现混凝土局部轻微受压破坏.

(a) CLT-混凝土顺纹试件
(b) CLT-混凝土横纹试件
双塑性铰屈服
双塑性铰屈服

(c) SPF-混凝土试件
(d) SPF-混凝土试件
单塑性铰屈服
双塑性铰屈服
图8 低周往复加载试验螺栓屈服模式
Fig.8 Bolt yielding modes in cyclic loading tests
3.2 试验结果分析
3.2.1 荷载-位移曲线
低周往复加载试验下的各试件荷载-位移滞回曲线如

(a) S-76-16-C试件
(b) S-76-18-C试件
(c) S-114-16-C试件

(d) S-114-18-C试件
(e) C-P-16-C组试件
(f) C-P-18-C试件

(g) C-T-16-C组试件
(h) C-T-18-C试件
图9 低周往复加载试验滞回曲线
Fig.9 Hysteresis curve for cyclic loading tests
各个试件的荷载-位移骨架曲线见

(a) SPF-混凝土螺栓连接试件

(b) CLT-混凝土螺栓连接试件
图10 低周往复加载试验试件荷载-位移骨架曲线
Fig.10 Load-displacement skeleton curve for cyclic loading test specimens
3.2.2 力学性能分析
通过木-混凝土螺栓连接节点低周往复加载试验的荷载-位移骨架曲线得到各试件的力学性能参数,见
试件编号 | 破坏模式 | 厚径比h/d | Py / kN | δy / mm | Pu / kN | δu / mm | Pf / kN | δf / mm | Ke / (kN·m | μ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
S-76-16-C | Ⅳ | 4.75 | 22.68 | 6.07 | 32.66 | 27.62 | 32.66 | 27.62 | 3.12 | 4.55 |
S-76-18-C | Ⅳ | 4.22 | 22.84 | 6.07 | 35.48 | 34.53 | 35.48 | 34.53 | 4.61 | 5.69 |
S-114-16-C | Ⅳ | 7.13 | 15.04 | 5.18 | 33.10 | 31.11 | 33.10 | 31.11 | 3.47 | 6.00 |
S-114-18-C | Ⅳ | 6.33 | 24.26 | 6.34 | 45.49 | 32.61 | 45.49 | 32.61 | 4.52 | 5.14 |
C-P-16-C-1 | Ⅳ | 6.56 | 24.90 | 4.83 | 44.94 | 18.98 | 42.53 | 25.83 | 5.70 | 5.34 |
C-P-16-C-2 | Ⅳ | 6.56 | 25.16 | 4.86 | 44.78 | 18.96 | 34.28 | 22.17 | 5.62 | 4.56 |
C-P-16-C-3 | Ⅳ | 6.56 | 28.38 | 6.45 | 49.64 | 29.20 | 49.64 | 29.20 | 4.38 | 4.53 |
C-P-18-C | Ⅳ | 5.83 | 25.15 | 5.69 | 40.78 | 28.14 | 25.90 | 31.44 | 4.91 | 5.52 |
C-T-16-C-1 | Ⅳ | 6.56 | 24.12 | 5.81 | 43.35 | 33.60 | 43.35 | 33.60 | 4.32 | 5.78 |
C-T-16-C-2 | Ⅳ | 6.56 | 25.89 | 9.86 | 53.68 | 33.58 | 53.68 | 33.58 | 2.57 | 3.41 |
C-T-16-C-3 | Ⅳ | 6.56 | 23.04 | 6.21 | 43.94 | 33.60 | 43.94 | 33.60 | 3.50 | 5.41 |
C-T-18-C | Ⅳ | 5.83 | 23.51 | 7.02 | 48.09 | 26.20 | 48.09 | 26.20 | 3.27 | 3.73 |

(a) S-76-18组试件对比

(b) C-P-18组试件对比
图11 单调加载与低周往复试验荷载-位移曲线对比
Fig.11 Comparison of load-displacement curves under monotonic loading and cyclic loading
值得注意的是,通过对比试件S-76-16-C和试件S-114-16-C低周往复加载试验结果可知,在相同螺栓强度和螺栓直径条件下,木材厚度为76 mm的试件屈服荷载较木材厚度为114 mm的试件高出51%.这是由于在低周往复荷载下,试件破坏模式主要受螺栓控制,根据Johansen屈服理
4 木-混凝土螺栓连接力学性能理论分析
在美国设计规范NDS—2015、加拿大规范CSA O86、欧洲设计规范Eurocode 5等设计规范中,提供了木-钢混合结构和木-木混合结构的节点承载力计算公式.然而,现有计算公式并不适用于木-混凝土混合节点的承载力计算.一方面常用木-混凝土螺栓连接通常不采用钢垫板,螺母提供的竖向作用力相对较小,因而现有计算公式未考虑此钢垫板的影响.另一方面,由于CLT的正交组胚特性,在进行CLT-混凝土螺栓连接节点承载力计算时,仅考虑顺纹或横纹方向的承压强度将会造成计算结果的较大误差.因此本文考虑钢垫板的影响,提出适用于木-混凝土螺栓连接的节点承载力计算模型,并结合CLT特有的板材构造,提出CLT等效截面用于节点承载力计算.
4.1 节点承载力计算方法
根据木-混凝土螺栓连接试验现象可知,由于混凝土刚度及强度远大于木块及螺栓,在该类连接中螺栓嵌固于混凝土的部分相当于固结,因此在本承载力计算理论推导过程中不考虑混凝土的破坏模式.同时,由于钢垫板尺寸较大、强度较高,在试验过程中未观察到钢垫板失效,因此将钢垫板视作刚体.此外,将木块及螺栓视为理想弹塑性体,基于Johansen理论,将木-混凝土单螺栓连接划分为三种破坏模式:1)破坏模式一,螺杆长细比较小,木材销槽处被螺杆均匀挤压破坏,即木材销槽承压破坏;2)破坏模式二,螺栓长细比适中,螺杆绕与混凝土交界处发生刚直转动,产生一个塑性铰的单铰屈服破坏;3)破坏模式三,螺栓长细比较大,螺杆绕与混凝土交界处转动,产生一个塑性铰,同时近螺母处螺杆产生第二个塑性铰,即双铰屈服破坏.

(a) 破坏模式一

(b) 破坏模式二

(c) 破坏模式三
图12 木-混凝土螺栓连接节点受力分析
Fig.12 Force analysis of timber-concrete bolted connection
破坏模式一[
(2) |
其中
(3) |
(4) |
式中:Fu为木-混凝土螺栓节点承载力;Vu,b为螺栓水平向承载力;μ为木材与混凝土摩擦系数;d为螺栓直径;ft,b为螺栓抗拉强度;为螺栓截面积.
取螺栓为隔离体进行受力分析,力的平衡:
(5) |
式中:fem为木材销槽承压强度,为木材等效截面高度.对于SPF,取实际界面高度;对于CLT,需根据层胚方向进行计算.不同正交胶合方式的CLT板材如
(6) |

图13 CLT板材截面
Fig.13 Section of CLT panel
(a) 顺纹方向 (b) 横纹方向
结合式(2)~
(7) |
在破坏模式二[
(8) |
式中:的计算方式与破坏模式一相同.计算螺栓水平方向承载力Vu,b时,取螺栓为隔离体进行受力分析:
(9) |
(10) |
(11) |
式中:为螺栓截面塑性极限抗弯弯矩;为螺栓屈服强度,对于4.8级螺栓,;对于8.8级螺栓,.结合式(8)~
(12) |
在破坏模式三[
(13) |
(14) |
(15) |
结合式(13)~
(16) |
木-混凝土螺栓节点承载力理论计算公式总结如下:
(17) |
式中:为节点承载力;为螺栓极限抗拉强度; 为螺栓直径;为木材与混凝土摩擦系数,结合试验与有限元模拟结果,此处取=0.35.
4.2 承载力理论值与试验值对比
在《木结构设计标准》(GB 50005—2017)中对销轴类紧固件有承载力计算公式:
(18) |
其中,为木材销槽承压最小有效长度系数,取值如下:
(19) |
式中:为弹塑性强化系数,取;, 为较厚构件厚度,取混凝土中螺栓埋入深度 200 mm,l为木材厚度;,为较厚构件销槽承压强度,按1.57倍混凝土立方抗压强度标准值取值,为木材销槽承压强度.
为验证本研究所提出的木-混凝土单螺栓连接承载力计算公式(
试件编号 | 破坏模式 | 试验值/kN | 理论计算公式 | GB 50005—2017计算公式 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
计算值/kN | 误差/% | 计算值/kN | 误差/% | |||
S-76-14-4.8-M | 三 | 51.57 | 46.32 | 10.18 | 10.65 | 79.33 |
S-76-16-4.8-M | 一 | 53.88 | 55.10 | 2.26 | 26.94 | 49.99 |
S-76-18-4.8-M | 一 | 62.24 | 65.94 | 5.94 | 30.31 | 51.29 |
S-114-14-4.8-M | 三 | 54.20 | 48.50 | 10.52 | 10.65 | 80.33 |
S-114-16-4.8-M | 一 | 60.26 | 63.34 | 5.11 | 40.41 | 32.92 |
S-114-18-4.8-M | 一 | 58.98 | 67.46 | 14.38 | 45.47 | 22.90 |
S-114-18-8.8-M | 一 | 60.93 | 79.28 | 30.11 | 45.47 | 25.37 |
C-P-14-4.8-M | 三 | 68.52 | 49.91 | 27.16 | 10.66 | 84.43 |
C-P-16-4.8-M | 一 | 99.08 | 84.29 | 14.93 | 40.26 | 59.36 |
C-P-18-4.8-M | 三 | 71.55 | 74.88 | 4.65 | 17.63 | 75.36 |
C-T-14-4.8-M | 三 | 74.21 | 59.26 | 20.15 | 9.43 | 87.29 |
C-T-16-4.8-M | 一 | 62.25 | 56.11 | 9.86 | 28.81 | 53.71 |
C-T-18-4.8-M | 二 | 62.57 | 64.55 | 3.16 | 20.37 | 67.43 |
由
同时,由
5 结 论
1)木-混凝土螺栓连接节点的破坏模式包括:垫板下木材局部承压破坏、木材劈裂破坏、销槽承压破坏和螺栓剪断破坏.螺栓的屈服模式包括单塑性铰屈服和双塑性铰屈服.
2)在单调荷载作用下,木-混凝土螺栓连接荷载-位移关系的发展过程通常包括线弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段.SPF-混凝土螺栓连接相较于CLT-混凝土螺栓连接更易发生单铰破坏,CLT-混凝土螺栓连接相较于SPF-混凝土螺栓连接具有更好的延性.
3)在低周往复荷载作用下,SPF-混凝土螺栓连接试件和CLT-混凝土螺栓连接试件均受螺栓剪切破坏控制.当试件破坏模式为螺栓剪切破坏时,木材厚度和木材种类对连接节点屈服承载力影响不明显,屈服承载力大小与螺栓屈服模式相关.在相同螺栓直径与螺栓强度条件下,螺栓发生双塑性铰屈服的试件承载力通常高于螺栓发生单塑性铰屈服的试件.
4)本研究考虑钢垫板的影响,建立木-混凝土螺栓连接力学模型,并提出CLT等效截面用于节点承载力计算.利用此模型所推导的木-混凝土螺栓连接承载力计算公式与试验值吻合良好,平均误差为12.18%,验证了此力学模型的有效性.
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