0 引言

　　木结构建筑具有绿色环保、抗震性能好、美观舒适、适于人居等优点。近年来随着可持续发展理念的深化普及，木结构的应用和研究在全球范围内迎来新一轮热潮，其材料形式已由传统的原木、锯材发展为包括胶合木在内的各类工程木制品，应用领域也已从低多层居住建筑扩展至大跨、高层公共建筑及工业建筑。

　　木材具有不可焊性及显著的各向异性，节点连接性能是木结构研究的重点和难点之一。大跨、高层等重型木结构中较常用的连接形式有销连接(以螺栓连接为典型代表)和植筋连接。销连接的变形刚度小且离散性大、不易准确估算，所形成节点表现为显著的半刚性特征，同时安装空隙的存在往往造成一定的初始滑移变形。与螺栓连接相比，植筋连接强度高、刚度大、无初始滑移问题，但延性较差，仅当植筋发生屈服时表现为延性破坏模式。国内外学者针对植筋连接性能及设计方法展开诸多研究，然而尚未形成统一的设计标准。

　　将植筋截面由圆形(圆杆)改为狭长矩形(钢板)，可在截面面积相同的情况下获得更大的胶结面面积，有助于获得更大承载力、避免脆性破坏模式;利用矩形截面还可获得更大抗弯刚度，对提高连接抗侧承载力也有一定帮助。目前国内尚无统一的学术名词来描述这一基本连接形式，本文考虑到其与植筋连接的相似性，将其称为“植板连接”。毛旻等通过试验研究了钢板锚固长度及开孔密度对植板连接拉拔承载力等性能的影响，并对试验结果进行了简单的参数分析;A.V.Barker等试验研究了植板种类、钢板表面处理方式及黏结剂种类对植板连接抗拔性能的影响;Till Vallée等试验研究了锚固长度对植板连接拉拔性能的影响，对比分析了植板连接与螺栓连接的力学性能。虽国内外已有关于植板连接的性能研究，但总体来看仍十分有限，且未形成可供工程借鉴的承载力计算模型。本文对某特定构造的植板连接性能进行试验研究，验证钢板表面处理方式、钢板锚固长度、钢板宽度、胶层厚度及植板端部传力构造等因素对植板连接黏结锚固性能的影响。

　　1 试验设计

　　1.1 试件材料

　　试件所用胶合木采用樟子松层板制作，根据GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》实测其含水率为9.9%。胶合木依据欧洲标准制作，强度等级GL24h，据欧洲标准EN 1194—1999可查得其强度标准值f_k，并可基于正态分布假设f_k=f(1-1.645v)的关系式换算得出各强度指标平均值:抗弯强度平均值32MPa，顺纹抗拉强度平均值22MPa，顺纹抗压强度平均值32MPa，抗剪强度平均值3.8MPa，弹性模量平均值11 600MPa，剪变模量平均值720MPa，其中变异系数v取为0.15(抗拉、抗压及抗弯强度)或0.18(抗剪强度)。

　　钢板等级为Q235，拉伸材性试验实测得屈服强度f_y=279MPa，极限抗拉强度f_u=423MPa。

　　采用双组分环氧树脂胶，根据厂家提供的检测报告数据，其劈裂抗拉强度为19.4MPa，抗压强度为87.4MPa，钢对钢拉伸抗剪强度为26.2MPa。

　　1.2 试件设计

　　植板试件如图1所示，采用两端对拉加载方式，试验端开槽内植入钢板，锚固端开槽内采用螺栓连接钢填板，通过设计计算确保锚固端具有更高承载力。

　　

　　图1 植板连接试件示意 

　　 

　　试验试件共27根，分为9组，如表1所示。为简化试件制作安装，各试件锚固端采用相同的螺栓连接构造，由9根M12 8.8级螺栓连接。试验时锚固端连接钢板固定于加载装置上，只需通过拆卸螺栓更换试件。为减小中间段应力分布不均匀对试验结果的影响，试件中间段长度l_m取为钢板锚固长度l_a的1.4倍，各组试件尺寸参数如表1所示。

　　以420-80组试件为标准组，其余各组试件分别对钢板表面处理方式、胶层厚度、植板端部传力构造加以变化，以进行横向对比考察相应因素的影响。

　　标准组试件植板表面用蘸乙醇的棉布擦洗去除油脂和异物。表面化学处理组420-80C植板处理步骤为:(1)用乙醇擦去钢板表面油脂;(2)自然晾干;(3)配制溶液，比例为HCl(浓)=50质量份(pbw),H₂SO₄(30%)=2pbw,CH₂O=10pbw,H₂O=45pbw，将钢板浸泡在溶液中30min;(4)清水洗涤，用抹布及纸巾迅速擦干，防止锈蚀。钢板表面化学处理后效果如图2所示。表面砂纸打磨组420-80R植板处理步骤为:(1)用乙醇擦去钢板表面油脂;(2)自然晾干;(3)用60目型号的砂纸对钢板均匀打磨。

　　420-80L组试件考虑植板端部传力构造对黏结锚固性能的影响。如图3a所示，420-80L组以外的各组试件植板端头放大并于双侧焊接5mm厚补强板，外力通过2根直径27mm钢销传递，木构件端面与邻近钢销间距均≥210mm。420-80L组试件植板上焊有与之十字交叉布置的1块钢板，外力经由95mm长的十字截面及45mm长钢板传递至木构件端面位置，如图3b所示。

　　  

　　表1 试验试件分组情况 

　　 

　　 

　　

　　注:试件分组编号方式:锚固长度+钢板宽度+附加符号(C表示钢板表面化学处理，R表示钢板表面砂纸打磨，T表示胶层增厚，L表示变化植板端部传力构造)

　　

　　图2 钢板化学处理前后对比 

　　 

　　

　　图3 试件植板端补传力构造 

　　 

　　植板操作步骤为:(1)清除木构件槽内木屑;(2)利用木片及热熔胶封闭木构件端部开槽的2个侧面，防止灌胶时槽两侧漏胶;(3)构件竖立并使试验端朝上，通过橡胶管向槽孔底部注入一定量的植筋胶;(4)经槽口将钢板缓慢插入槽中，作为限位措施，在钢板边角处若干位置预先粘贴若干小薄木片以保证钢板处于槽孔居中位置、避免偏斜;(5)静置试件，于常温环境下养护≥7d。

　　1.3 加载与测量装置

　　试验采用自行研制的如图4所示加载测量装置。该装置利用H型钢与方钢管形成自平衡加载装置，通过千斤顶及千斤顶传力组件来施加拉力。利用200kN力传感器测得荷载，利用位移计TST-20及位移测量辅助装置测得木构件与钢板的相对滑移。试验数据由应变测试系统DH3816N采集。采用位移控制单调匀速加载，加载速率约0.1mm/min，加载至试件破坏。

　　

　　图4 试验加载装置 

　　 

　　2 试验现象及结果分析

　　加载过程中，试件始终没有肉眼可见的明显变形，也未听到木材劈裂响声。直到荷载加载到峰值时，试件产生巨大响声，而后观察到植板被拔出。

　　2.1 破坏模式

　　试件破坏模式如图5所示，可概括为3种:(1)钢板两侧均发生钢板-胶层界面破坏;(2)钢板一侧发生钢板-胶层界面破坏，另一侧出现不同程度的木材剪切破坏;(3)钢板发生屈服后拔出破坏。各试件的破坏模式如表2所示。

　　

　　图5 试件破坏模式  

　　 

　　  

　　表2 各组试件试验结果 

　　 

　　 

　　

　　注:(2)-a中钢板发生木材剪坏一侧的木破率<50%,(2)-b钢板发生木材剪坏一侧的木破坏≥50%，等效黏结强度由承载力除以胶结面面积求得

　　破坏模式(1),(2)均呈脆性破坏，除420-80C组外其余全部试件均发生此两类破坏，共24根。其中，发生破坏模式(1)试件9根，占37.5%;发生破坏模式(2)试件15根，占62.5%。因普通钢板表面存在1层光滑的氧化膜，该层薄膜与黏结剂结合性较低，造成此两种破坏模式。破坏模式(1)最不理想，因钢板-胶层界面黏结强度不足而未能发挥出木材的剪切强度;破坏模式(2)稍好，相应构件内胶结界面强度稍高使木材发生剪坏，但需注意到木材破坏率(以下简称“木破率”)仍普遍较低，仅有2根构件在钢板一侧的木破率>50%。

　　破坏模式(3)表现出一定延性，仅表面化学处理的420-80C组3根试件发生该类破坏。在对钢板进行化学处理后，去除钢板表面的薄膜层，同时经过化学刻蚀后的钢板表面粗糙度增加，使胶结界面黏结力显著提高，黏结锚固力已超过钢板屈服强度。可以预期，如采用厚度大钢板使其承载力提高到足够水平，将有大范围的木材剪切破坏发生，即胶结界面强度将使木材强度得到更充分发挥。

　　不难推测，除钢板表面处理方式及胶层厚度不同(420-80C,420-80R,420-80T)可能对胶结界面强度造成直接而显著的影响外，其余各组试件中胶结界面黏结强度总体上应处在同一水平，仅受偶然因素所致变异性的一定影响。

　　破坏模式(1),(2)虽不够理想，但相应各组数据可较好地用于对比分析，包括锚固长度、钢板宽度、加载方式等因素的影响，这些因素主要改变胶结界面内剪应力分布不均匀程度而影响极限承载力，而胶结界面强度不足引起的脆性破坏对应力分布则非常敏感，可较直接地反映上述因素影响。

　　2.2 荷载-滑移曲线

　　各组试件的荷载-滑移曲线如图6所示。420-80C组试件由于在钢板屈服后发生钢板-胶层界面破坏，故其曲线表现出明显的屈服平台;其余各组试件在破坏前始终处于弹性阶段，基本表现为一段近似线性增长的曲线。

　　2.3 各因素对黏结性能的影响

　　2.3.1 钢板表面处理方式

　　420-80,420-80C,420-80R 3组试件强度均值对比如表3所示。砂纸打磨使承载力大幅度提高28%，但仍在钢板屈服或木材剪坏前发生胶层界面的首先破坏。化学处理使黏结强度有更大幅度提高，使钢板首先屈服从而连接表现出一定延性。因钢板首先破坏，化学处理表面对应的实际黏结强度未能测得，采用实测承载力评估其强度提高下限值为51%。

　　观察图6中钢板未经处理各组内试验曲线，可发现每组内各试件的试验结果离散性较大，而420-80C,420-80R组内试件的承载力离散性较小，其极限承载力的最大值与最小值的差值分别为平均值的6.7%和8.0%，可见对钢板表面进行化学处理或砂纸打磨更有利于胶结质量的稳定。

　　

　　图6 荷载-滑移曲线 

　　 

　　  

　　表3 钢板表面处理方式影响对比 

　　 

　　 

　　

　　2.3.2 钢板锚固长度

　　420-80,320-80,520-80 3组试件强度均值对比如表4所示。可见，极限承载力随锚固长度的增加而增大，而等效黏结强度则随锚固长度的增加而逐渐降低。造成该现象的原因为胶结界面上剪切应力沿钢板长度方向不均匀分布且快速衰减，当锚固长度增大到一定程度后其增量对承载力增量的贡献已不再显著。测试试件锚固长度由320mm增至420mm时，极限承载力显著提高约12%;从420mm增至520mm时，承载力几乎没有增加。

　　  

　　表4 钢板锚固长度影响对比 

　　 

　　 

　　

　　2.3.3 钢板宽度

　　420-80,420-60,420-100 3组试件强度均值对比如表5所示。与锚固长度类似，极限承载力随钢板宽度的增加而增大，但当钢板宽度增大到一定范围后，承载力幅度放缓并趋于平稳。在试件所测试的尺寸范围内，随着植板宽度增加，等效黏结强度降低。造成上述现象的机理同样为胶结界面上剪切应力沿钢板宽度不均匀分布并快速衰减。可见，虽在试件的植板端部采取了两侧补强板、宽度过渡段等措施，如图3a所示，由单排大直径钢销引起的植板胶结界面应力不均匀分布仍不能忽略。

　　  

　　表5 钢板宽度影响对比 

　　 

　　 

　　

　　2.3.4 胶层厚度

　　420-80,420-80T两组试件强度均值对比如表6所示。可见，在试验所测试的胶层厚度范围内，植板连接承载力及等效黏结强度未受显著影响。

　　2.3.5 钢板端部传力构造

　　420-80,420-80L两组试件强度均值对比如表7所示。如图3所示，将植板端部传力构造由较理想的试验条件(包括补强板、圆弧过渡段和较长的210mm应力扩散段)变为实际常用的简化十字板传力构造(作用力更集中，且传力段更短)，胶结界面上应力不均匀分布情况加剧，导致植板连接的承载力显著降低，本文测试试件降低幅度达20%。

　　  

　　表6 胶层厚度影响对比 

　　 

　　 

　　

　　  

　　表7 植板端部传力构造影响对比 

　　 

　　 

　　

　　3 结语

　　1)取决于胶结界面黏结强度水平，胶合木植板连接可能出现钢板-胶层界面破坏、木材剪切破坏、钢板屈服3种破坏模式，或其混合破坏模式。

　　2)对钢板进行化学处理或砂纸打磨，钢板表面的光滑氧化层被全部或部分去除、粗糙度增加，钢板与植筋胶的等效黏结强度较大，抗拔承载力相对于普通钢板提高值分别可达51%,28%。

　　3)植板连接承载力随锚固长度及钢板宽度的增加而增大，但超出一定范围后承载力增长不再显著而是趋于平稳。本文试验中锚固长度、钢板宽度不再对承载力产生显著影响的临界值分别为84倍、16倍板厚。

　　4)胶层厚度在2.5～3.5mm变化对黏结锚固性能未见显著影响。

　　5)随端部构造传力集中程度增加，植板连接黏结锚固力显著降低，可达20%。