新型轻木墙体面板-龙骨节点试验研究
0 引言
随着人们对居住环境质量要求的日益提高, 区别于我国传统木结构的现代木结构建筑业得到了迅猛发展。现代木结构建筑以其卓越的性能在北美、欧洲及日本等地区的住宅建筑市场中占据着主导地位。近年来, 随着国内木结构建筑规范及相关政策的相继出台, 我国停滞近30年的木结构建筑开始复苏。现代木结构凭借其抗震性能良好、节能环保、造型美观、建造方便等诸多特点, 逐渐取代我国传统木结构, 被人们熟知和使用[1]。江苏省已建成的典型木结构工程项目有零碳人居建筑项目 (图1) 和江苏绿色建筑博览园木结构展示厅 (图2) 。零碳人居建筑项目位于南京市河西生态公园内, 建筑结构体系为胶合木结构, 采用高性能的保温遮阳等被动式技术以及太阳能利用技术、水资源利用技术、屋顶绿化等绿色建筑技术。江苏绿色建筑博览园木结构展示厅位于常州市武进区, 采用木结构大跨展示厅和木结构办公楼相结合的方式, 汇集了木结构树形结构、屋顶模块式绿化、太阳能发电等绿色建筑技术。
在墙体受到地震作用的情况下, 为防止结构的破坏, 木龙骨与木龙骨、覆面板与木龙骨、墙体与主体之间的连接方式最为关键, 连接的可靠性是结构整体可靠性的保证。同时连接对提高墙体整体的抗震性能也有重要的影响。
图2 江苏绿色建筑博览园木结构展示厅
在实际使用中, 面板-龙骨节点的类型是影响墙体力学性能的最大因素[2], 墙体的破坏主要是节点的破坏[3]。试验证明钉节点强度主要取决于破坏模式[4];节点边距不足会明显影响钉节点的强度[5,6];面板边缘钉间距越小, 承载力越高[7];直钉节点的力学性能优于斜钉节点;反复作用下节点的刚度和强度的退化速度比单调加载要快[8];加载速率的增加导致节点延性的降低[9]。钉节点的初始刚度和延性决定了墙体的滞回性能, 钉节点消耗了80%以上的能量[10]。
上述研究多为传统钉节点, 未对节点的连接方式进行研究。本文对两种常用的钉节点 (LVL-OSB-钉、LVL-杨木胶合板-钉) 以及新型的节点 (LVL-OSB-橡胶、LVL-OSB-橡胶-钉) 在单向拉伸荷载作用下进行试验研究, 为轻质墙体的发展提供参考, 其中, LVL为杨木龙骨, 杨木胶合板、OSB为覆面板。
1 试验材料
本次试验材料包括:国产杨木LVL规格材、杨木胶合板、进口OSB板、橡胶条、国产热镀麻花钉, 材料特性见表1。为了保证节点试验得出的数据能够真实地反映木剪力墙的连接特性, 试验材料都与实际工程中制作木剪力墙所用的材料相同。
表1 材料特性
注:钉的弯曲屈服强度数值是由试验获得的。
2 节点设计
对4组不同类型的节点 (LVL-OSB-钉、LVL-杨木胶合板-钉、LVL-OSB-橡胶、LVL-OSB-橡胶-钉) 进行单调加载试验, 其中橡胶连接是橡胶条通过结构胶来连接龙骨与面板的。节点的尺寸及构造如图3所示, 每种类型的节点10个, 总计40个节点。
3 试验装置与方案
试验在南京工业大学木结构实验室进行。加载设备为MTS万能试验机, 节点通过专用的夹具连接到加载机器上。试验装置示意图和照片见图4。
参照美国试验标准ASTM-F1575-03[11]以及ASTM-F1676-03[12]对节点进行试验工作。试验采用单调匀速加载方式直到节点破坏, 以位移作为加载控制, 加载速率为3mm/min。当试验荷载下降至最大荷载的80%或节点已出现覆面板与龙骨脱离时终止试验[13,14]。试验数据由MTS试验机内部的数据采集仪 (采集频率为10Hz) 自动采集、存储并实时显示荷载-位移曲线。
图3 不同连接方式节点的尺寸及构造
4 试验结果及分析
4.1 荷载-位移曲线
本试验采用拉剪的方式测出节点荷载-位移曲线, 4组不同节点的荷载-位移曲线及平均值曲线如图5所示。从图5可以看出, 试验数据具有一定的离散性, 这与材料的性质以及加工工艺有一定的关系, 但曲线的整体趋势是相同的, 且满足离散度的要求, 数据是有效的。
4.2 破坏形态
在试验过程中, 发现不同节点的破坏形态 (图6) 各有不同, 大致分为三种:1) 钉弯曲变形, 钉帽穿透面板, 最后失去承载力;2) 橡胶条撕裂或者橡胶条与木龙骨胶缝剥离;3) 橡胶条达到极限位移和极限承载力撕裂。
钉节点都为钉先发生屈服, 而后钉帽逐渐穿透面板, 最后失去承载力。试验过程中发现钉节点的强度与钉的直径 (屈服强度) 有一定的关系, 但本文未做对比研究。橡胶节点的力学性能以及破坏模式主要取决于橡胶的性能, 本试验采用的橡胶较为柔软, 对应的节点刚度较小, 若采用强度和硬度更高的橡胶, 节点性能会有提高。橡胶-钉节点在钉屈服前, 钉提供主要的刚度和承载力, 钉屈服后, 由橡胶条提供了主要的承载力和刚度, 二者协调作用, 最大限度地提高了试件的性能。
4.3 力学性能分析
根据试验得到的荷载-位移曲线对4组不同类型节点的力学性能数据进行统计分析, 结果见表2。其中初始刚度K0定义为节点荷载-位移曲线初始阶段的斜率, 极限荷载Pmax定义为节点荷载-位移曲线上最高点所对应的荷载值, 峰值位移V定义为极限荷载对应的位移。标准差反映了每组数据间的离散程度。4组不同类型节点的荷载-位移平均值曲线对比见图7。由表2、图7可知, 相比LVL-OSB-钉节点, LVL-杨木胶合板-钉节点的极限承载力提高了29.6%, 相应的峰值位移提高了39.6%;相比LVL-OSB-钉节点, LVL-OSB-橡胶节点和LVL-OSB-橡胶-钉节点的极限承载力分别提高了126%, 104%, 相应的峰值位移分别提高了123%, 70.3%。试验结果表明, 国产杨木胶合板完全可以取代OSB板作为轻木墙体结构板;采用橡胶配合钉的新连接方式, 可以大幅提高节点性能, 从而提高墙体性能。
图4 试验装置示意图和照片
注:图中缺失节点的数据离散性较大, 所以剔除, 未作分析。
图5 不同节点荷载-位移曲线及其平均值曲线
图6 节点破坏形态
图7 不同类型节点荷载-位移平均值曲线对比
表2 力学性能参数试验结果统计
5 结论
(1) OSB板、杨木胶合板都可以作为木质墙体的结构面板, 试验数据显示, 杨木胶合板的性能更为稳定且承载力更高。
(2) 橡胶连接可以提高节点的承载力和位移量, 橡胶节点的破坏为橡胶条的撕裂破坏, 节点的性能取决于橡胶条的性能。本试验采用的橡胶条较为柔软, 对应的节点刚度较低, 但此连接为新型的连接设计提供了一种可行的方法。
(3) 相比单钉节点, LVL-OSB-橡胶-钉节点的承载力、峰值位移都得到了较大的提高, 该连接方式可为今后的木质墙体设计提供新的参考。
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