近年来,以胶合木结构为代表的现代木结构在我国得到快速发展,而连接节点是现代木结构领域的关键技术问题之一 ^[1]。木结构螺栓连接具有传力明确、经济适用、加工方便、施工便捷等优点,成为现代木结构中应用最为普遍的一种连接形式 ^[2]。

　　 截至目前,国内外开展了大量针对木结构螺栓连接的研究。在国际上,Johansen ^[3]早在1949年就提出了承载力计算理论,通常称为“欧洲屈服模型”,此理论至今仍在包括我国在内的很多国家的相关标准中应用;我国的樊承谋 ^[4,5]自20世纪80年代开始开展了大量关于木结构螺栓连接方面的理论研究工作,奠定了我国现代木结构螺栓连接相应基础。近年来,随着现代木结构在国内外的快速发展,有关螺栓连接的研究已经较为系统,其中多数为针对螺栓尺寸、螺栓数量、螺栓布置、荷载作用方向以及木材强度等级等因素对连接承载力影响的研究 ^[6,7,8]。祝恩淳等 ^[9]在系列试验研究的基础上,提出螺栓连接承载力计算公式,此计算公式被纳入木结构设计标准。

　　 在木结构螺栓连接中,经常会发生被连接木构件在连接部位产生木材的横纹劈裂破坏,这是由于螺栓孔部位木材会间接受到横纹拉应力作用,而木材的横纹抗拉强度一般仅有0.5MPa左右,因此有时难免发生横纹劈裂现象甚至导致连接的失效。鉴于此,He等 ^[10]通过试验分析了裂缝对螺栓连接承载力的影响,并提出了计算模型。

　　 近年来,有学者针对如何对木结构螺栓连接部位进行增强,从而延缓甚至避免横纹劈裂而开展了大量的研究工作。其中采用较多的增强方式为自攻螺钉增强螺栓连接形式,相关研究发现:自攻螺钉的引入,明显延缓或避免了木结构螺栓连接部位的横纹劈裂现象,连接承载力、刚度和延性均有不同程度的提高 ^{[11,12,13,14]};此外,自攻螺钉的存在,还有缩短螺栓端距和边距的可行性 ^[15,16,17]。

　　 本文借鉴Blass等 ^[18]的研究思路,将金属齿板钉入螺栓孔区域的木材表面,从而起到约束被连接构件在外力作用下的横纹变形、延缓或避免木构件的横纹劈裂。通过试验研究,主要探讨螺栓数量与齿板增强等因素对木结构螺栓连接破坏模式与承载力的影响。

　　 试验中木材采用花旗松胶合木,所有木材均采用烘干窑干燥处理,通过试验获取的材料力学性能参数的平均值如表1所示。

　　 螺栓材质为304不锈钢,螺栓尺寸规格为M8,长度为140mm,屈服强度为210MPa。

　　 齿板材质为热镀锌Q235钢板,弹性模量为205GPa,屈服强度为235MPa。板厚1.0mm,齿长9mm,齿宽3.5mm,齿距12mm。

　　 为研究螺栓数量和齿板增强对螺栓连接性能的影响,共设计了6组合计36个试件,包括3组无齿板增强试件和3组齿板增强试件,每组含6个相同试件,试件类型与尺寸参数如图1所示,加载示意图如图2所示。图1中的试件组B1,B2和B3为每端螺栓数量分别为1,2,3个的未增强试件;试件组RB1,RB2和RB3为每端螺栓数量分别为1,2,3个的齿板增强试件。

　　 试验采用两端对称拉伸方式,试验采用30T作动器对试件进行单调匀速加载,加载速率为1.5mm/min,试件在上、下两端分别与作动器和支座相连。量测内容主要有:螺栓与木构件之间的相对滑移,施加的荷载。其中的荷载通过作动器直接采集,相对滑移利用位移计和DH3818静态应变测量系统进行采集。

　　 试验加载初期,可以观察到螺栓逐渐发生弯曲变形,而且随着螺栓数量的增加,这种变形越来越不明显。随着作用荷载的增大,可见螺栓孔产生挤压变形,木构件端部在平行于螺栓轴线的方向逐渐出现劈裂裂缝,伴随着木材持续劈裂的声响,裂缝逐渐加宽并向木构件内部延伸,最终达到螺栓孔部位,螺栓孔挤压变形较为明显;对于多螺栓连接试件,劈裂还会向内部螺栓孔延伸,直到试件发生最终的破坏。具体破坏形式如图3所示。

　　 试验加载初期,试验现象与未增强试件相差不大,因为此时增强齿板尚未发挥作用;继续加载,可以发现增强试件相比未增强试件,其极限承载力和变形能力明显提高,木构件劈裂现象不明显,大部分木构件的侧面没有明显开裂,表明齿板的存在显著拟制了劈裂的出现和发展。最终破坏时,齿板增强连接试件的螺栓均有更大的变形,螺栓孔受压变形也更加明显。增强试件破坏后照片如图4所示。

　　 木结构螺栓连接的典型破坏模式主要有三种典型形式:木材销槽承压破坏、螺栓受弯产生的单个塑性铰破坏和两个塑性铰破坏(此处的塑性铰数量是针对单个受剪面来计数的)。针对本文研究中的钢夹板螺栓连接,其破坏模式示意图如图5所示。

　　 图3(b)和图4分别给出了未增强试件和齿板增强试件的破坏后照片,由图可知:对于未增强试件,单螺栓连接的破坏模式兼有单个塑性铰和两个塑性铰破坏特征,而双螺栓和三螺栓连接的破坏模式属于单个塑性铰破坏形式;对于增强试件,其破坏模式均为两个塑性铰破坏;此外,齿板增强试件中,螺栓和销槽部位木材的强度得到了更加充分地利用,这从螺栓的变形程度即可看出。由此可见:齿板的引入使得螺栓连接的破坏模式发生了变化,避免或延缓了连接部位的木材横纹劈裂破坏,显著提高了木结构螺栓连接的极限承载力和延性性能。

　　 图6为6组试件的典型荷载-滑移曲线。需要说明的是,由于对试件采取两端对拉形式加载,且试件两端的连接形式对称,所以每个试件都给出了两端的荷载-滑移曲线,另外,部分试件由于加工缺陷等原因导致非正常破坏,因此部分试件试验结果并未统计在内。由图6(a)～(c)可知:试件在加载初期并且消除孔位误差等影响后,滑移值随荷载的增大而线性增加,到了加载后期,随着螺栓屈服或销槽木材局部压屈,荷载-滑移曲线斜率降低。随着螺栓数量的增加,承载力也随之明显提高;而螺栓数量对荷载-滑移曲线斜率即滑移刚度具有明显的影响,螺栓数量越多,滑移刚度越大,这符合螺栓连接的基本规律;螺栓数量增加后,试件最大滑移值显著降低。

　　 图6(d)～(f)给出了齿板增强试件的荷载-滑移曲线,由图可见:齿板增强试件的变化规律基本和未增强试件类似,在此不再赘述;明显的不同之处在于,齿板增强试件的最大滑移并没有随螺栓数量的增加而降低,说明齿板的存在能有效提高螺栓连接试件的变形能力。

　　 极限荷载的试验结果如表2所示。需要说明的是,部分试件由于加工缺陷等原因导致非正常破坏,因此试验结果并未统计在内。由表2可知,通过增加螺栓数量和引入齿板增强均可提高螺栓连接的极限荷载。对于未增强螺栓连接试件,当螺栓数量从1个变为2,3个时,其极限承载力分别提高49.5%和77.0%;对于齿板增强螺栓连接试件,当螺栓数量从1个变为2,3个时,极限承载力分别提高88.3%和152%。通过上述对比可知,增强齿板的引入可极大降低“群栓效应”引起的承载力折减。此外,通过增强和未增强试件的对比发现,当螺栓数量分别为1,2,3个时,通过引入齿板增强,极限荷载分别提高40.5%,76.9%和100%。

　　 本文参照欧洲标准EN 12512-2001 ^[18]来计算螺栓连接试件的初始滑移刚度。由表2可知:无论有无齿板增强,螺栓连接试件的初始滑移刚度随着螺栓数量的增加而增大,对于未增强和增强试件,初始滑移刚度最大分别提高达79.6%和136%。齿板增强与初始滑移刚度之间并无明显的相关性,这是因为齿板的作用主要是延缓或避免木材的横纹劈裂,自身并未直接参与到螺栓连接的受力。

　　 延性是指试件在最终破坏前的塑性变形能力,此处定义为破坏滑移与屈服滑移的比值。由表2可知:总体上,采用齿板增强后,试件的延性系数均有较大提升。对于未增强试件,延性系数随着螺栓数量的增加而降低,螺栓数量由1个变为3个时,延性系数降低了25.7%;而对于齿板增强试件,随着螺栓数量的增加,延性系数反而提高,螺栓数量由1个变为3个时,延性系数提高了9.6%。当螺栓数量相同时,增强齿板能显著提高螺栓连接试件的延性,且螺栓数量越多,延性增强的效果越明显。螺栓数量由1个变为3个时,增强齿板使试件的延性系数提高了61.6%。

　　 (1)通过引入增强齿板,螺栓连接木结构材料性能得到充分发挥,木材横纹劈裂破坏得到非常明显的控制,破坏模式更具延性特性。

　　 (2)齿板能有效增强螺栓连接试件的极限荷载。相对于未增强螺栓连接试件,齿板增强螺栓连接试件的极限荷载最高提高达100%,且增强齿板的引入可显著降低群栓效应引起的承载力折减。

　　 (3)齿板增强与初始滑移刚度之间并无明显的相关性。主要原因是齿板自身并未直接参与到螺栓连接的受力,因而对滑移刚度基本没有影响。

　　 (4)对于未增强试件,延性系数随着螺栓数量的增加而降低,最大降低了25.7%;而对于齿板增强试件,结果则相反,延性系数最大提高了9.6%。

　　 在本文工作基础上,后续研究主要针对大尺寸构件和连接开展试验研究和理论分析工作,以期为此类连接的工程应用提供技术支撑。