原竹抱口梁柱節點抗彎性能研究

李陶陶,鄭曉燕*,陳國,楊濤,王文蹈,2

(1. 南京林業大學土木工程學院,南京 210037;2. 南京林業大學生物質材料國家地方聯合工程研究中心,南京 210037)

我國對于原竹連接性能研究起步較早,但研究進展較為緩慢[1-2],現行竹結構設計規范有關節點的構造形式和設計方法尚不完善。傳統竹結構連接方式有綁扎連接、榫卯連接[3]和螺栓連接[4-5]等:綁扎連接操作方便,但節點強度較低且耐久性較差;榫卯連接制作工藝復雜,同時對于竹材自身的破壞大;螺栓連接較為牢固且便于安裝,實際應用最為廣泛,但長期使用下螺母與原竹之間會產生滑動,造成擴孔裂紋等。傳統節點大多存在強度較低、耐久性差且受到人工工藝水平的影響較大等問題[6]。近年來,學者們開始對傳統節點進行改進[7-9],出現了一些新型原竹連接節點形式。單波等[10]用不銹鋼圓環結合鉚釘制作成的“8”字箍連接件和異形“8”字箍連接件,可與墻體有著良好的連接性能。Paraskeva等[11]設計出墊片鋼夾組合原竹節點,克服原竹本身尺寸上的不規則性,提高了節點的性能穩定性。田黎敏等[12]和郝際平等[13]用螺栓和鋼板組合連接的方式設計節點,搭建出原竹結構試驗房,使用過程中發現節點附近存在圓周應力,導致螺栓孔附近出現開裂,節點承載力降低。張步榮等[14]將加工后的木構件嵌套進原竹,形成竹木套接榫卯連接節點,力學性能可以滿足使用要求,但加工煩瑣難以標準化生產。黃政華等[15]運用碳纖維布加固鋼箍的方式,形成鋼箍碳纖維布組合節點,并將其運用在10 m跨度的竹拱中,起到了顯著的加固效果。Cabanas[16]以魚嘴接口形式改進了螺栓連接節點,通過原竹垂直向插入螺栓的方式,在不灌漿的基礎上提高結點的性能。更有學者將3D打印技術運用于定制化原竹節點,使其能夠滿足標準化生產的需要[17]。截至目前,國內外文獻對于如何提高竹節點的承載力已有了較為成熟的方法,但現有節點形式依然存在制作復雜、裝配效率低下、難以有效傳遞彎矩等問題[18]。

為了豐富原竹節點連接形式,提高裝配化效率,設計出3種不同構造形式共9個裝配式抱口連接原竹節點。根據構造不同命名為簡易鋼夾節點(J1)、貫通螺栓節點(J2)和自攻螺釘節點(J3),如圖1所示。通過單調加載的方式測定節點的抗彎承載力和剛度,分析節點的破壞模式,對比原竹等級對于同種節點承載力和剛度的變化規律,驗證節點的半剛性程度。3種節點可用于竹結構景觀小品和傳統竹樓民居建筑梁柱節點連接。

圖1 節點構造形式Fig. 1 Node construction forms

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料包括原竹、鋼箍、角鋼、鋼板、斜撐-1、斜撐-2。原竹采用3～4年生浙江安吉毛竹,竹段長度取1 000 mm,外筒直徑90～110 mm,平均密度0.7 g/cm3,含水率為11%～18%,通過對原竹浸泡、烘干和涂抹丙烯酸防水劑等處理提高材料的防腐性能。原竹厚度等級參照文獻[19]的分級方法,以竹段頂端的最小壁厚和直徑為主要評判依據,本研究所用原竹等級對應的直徑范圍與各型號抱箍的直徑匯總見表1。

表1 原竹分級和抱箍直徑Table 1 Raw bamboo grading and hoop diameters 單位:mm

抱箍為常用規格,角鋼、鋼板、斜撐-1、斜撐-2為設計定制,具體尺寸如圖2所示。型鋼等級為Q235,螺栓采用M8級全螺紋螺桿,螺釘采用M6級全螺紋自攻螺釘。節點處通過鋼夾和橡膠墊彌補原竹表面的不規則,防止產生局部滑移影響節點承載力。同時設置等邊角鋼和斜撐,以增強節點的側向穩定性。

圖2 鋼連接件尺寸Fig. 2 Dimensions of steel connectors

1.2 試件制作

3種節點形式均由竹梁、竹柱和5個鋼箍組成,其連接方式存在差異。簡易鋼夾節點(J1)用焊接螺母(M8×30)和角鋼(∟60×5)實現梁柱之間的垂直連接,用斜撐-1實現梁柱之間的對角支撐。貫通螺栓節點(J2)在梁柱與鋼箍接觸位置預開8.6 mm直徑圓孔并穿入貫通螺栓(M8×140)。自攻螺釘節點(J3)在距離鋼板長寬方向15 mm處預開6.5 mm直徑圓孔,并在和斜撐-2接觸表面安裝全螺紋自攻螺釘(M6×20)實現節點連接。每一組試件內部除原竹等級不同,其余條件完全相同。試件的連接件形式及尺寸見表2。

表2 單調載荷抗彎試驗試件Table 2 Monotonic load flexural test specimens

1.3 試驗方法及加載設備

原竹節點抗彎試驗采用靜力單調加載,加載過程分為預加載和正式加載2個階段。預加載將荷載控制在0.5 kN內,持續加載2 min后卸載;正式加載時,先每級加載0.1 kN,達到1 kN后每級加載改為0.2 kN,當梁柱間產生較大轉角且荷載無法繼續施加時停止試驗。利用破壞荷載和有效力矩長度計算出破壞彎矩,并結合測得位移計算轉角,得到不同節點形式加載過程中的轉動剛度。

試驗采用液壓千斤頂加載,采集裝置包括DH3820靜態應變儀和拉繩位移計(圖3)。分別在柱上角鋼附近和梁右側布置位移計。1#和2#位移計用來測量柱的轉動角度,3#和4#位移計分別測量梁的側移值,梁靠近懸臂端布置與千斤頂中線等高的5#位移計。位移計測點布置如圖4所示。

圖3 現場加載裝置Fig. 3 Field loading device

圖4 位移計測點布置Fig. 4 Displacement meter measurement point arrangement

2 結果與分析

2.1 受力過程及破壞特征

試件的破壞是由多種因素共同作用引起的,節點錯動、抱口分離、鋼夾滑移以及橡膠墊脫落等現象是3種節點加載過程中的共同特征,同時斜撐和角鋼在加載過程也出現了不同程度的變形。分別選取J1-1、J2-1、J3-1作為每種類型節點的代表試樣,破壞形式如圖5所示。

圖5 節點破壞形式Fig. 5 Node damage forms

1)J1加載初期荷載轉角呈線性變化趨勢。以J1-1為例:加載至0.5 kN時,5#鋼夾開始出現滑移,如圖5a所示;加載至1 kN時,5#鋼夾的滑移量達到4 mm,1#鋼夾的滑移量達到2 mm;提高加載速率至轉角達到0.075 rad時,5#和1#鋼夾不再滑動。觀察到抱口受壓側緊緊擠壓竹柱,受拉側與竹柱出現分離,節點發生錯動,如圖5b所示。最終,2#鋼夾位移達到7 mm時,抱口明顯分離,頂底角鋼產生翹曲導致節點破壞,破壞彎矩為2.30 kN·m,剛度為15.8 kN/m。J1-2、J1-3與J1-1破壞過程大同小異,破壞彎矩分別為2.50和2.57 kN·m,剛度分別為16.7和21.4 kN/m。

2)J2相較于J1彈性段更長,抗彎承載力及各階段剛度均高于J1。以J2-1為例:當荷載超過3 kN時,轉角增幅變大,螺栓承壓處原竹發生垂直剪切擴孔,如圖5c所示,5#鋼夾的橡膠墊輕微滑移2 mm,頂角鋼在受拉作用下變形明顯;當荷載加至7 kN時,斜撐下部產生明顯塑性變形,如圖5d所示;當荷載達到8.5 kN時,原竹發出“噼啪”聲響,荷載迅速下降,節點被破壞,破壞彎矩為4.76 kN·m,剛度為35.3 kN/m。J2-2、J2-3破壞形式與J2-1類似,破壞彎矩分別為6.8和8.1 kN·m,剛度分別為56.3和36.9 kN/m。

3)J3破壞荷載相較J1和J2都小。以J3-1為例,荷載加至0.8 kN時,5#鋼夾的滑移量達到4 mm,橡膠墊脫落,如圖5e所示?？紤]到節點承載力較低,保持勻速加載至1.25 kN,5#鋼夾滑移7 mm時,觀察到梁柱已產生相對錯動,斜撐-2輕微壓彎,帶動抱口產生縫隙直至完全分離,如圖5f所示,節點被破壞,破壞彎矩為0.81 kN·m,剛度為5.8 kN/m。J3-2、J3-3與J3-1破壞形式類似,破壞彎矩分別為0.96 和1.04 kN·m,剛度分別為6.4和7.4 kN/m。

綜合上述3種節點破壞過程得出:就力學性能而言,J2極限承載力分別為J1、J3的2.8倍和7.6倍,節點剛度分別為J1、J3的2.4倍和6.6倍,在3種節點形式中表現最優。J1由于鋼夾滑移造成角鋼屈曲,J2連接角鋼在螺栓擴孔帶動下產生變形,最終造成原竹劈裂,2種破壞均呈現一定塑性特征;J3則因鋼板滑移造成抱口分離,屬于失穩破壞。原竹等級的敏感程度J2>J3>J1。研究表明,J2的構造形式有效提高了節點的整體性,充分發揮了原竹自身特性,對應T8等級時與連接件協同工作性能最優。所有試件的試驗結果見表3。

表3 所有試件的試驗結果Table 3 Experiment results for all specimens

圖6 節點轉角測量示意圖Fig. 6 Schematic diagram of joint angle measurement

2.2 彎矩-轉角曲線及擬合方程

彎矩-轉角曲線是評價節點力學性能的重要指標,根據測點位移和荷載換算出節點處彎矩和轉角(圖6),可用公式(1)～(3)計算得到。

M=PLload

(1)

(2)

(3)

式中:M為節點承受彎矩;P為梁懸臂端千斤頂施加荷載;Lload為千斤頂中心線到柱上表面的距離;L1、L2為位移計1#、2#的豎向位移;L3、L4為位移計3#、4#的水平位移;α為立柱轉角;β為橫梁轉角;ρ為梁柱的相對轉角;hv為竹梁直徑;hc為位移計4#到位移計3#的距離。

3種不同節點形式的彎矩-轉角曲線如圖7所示,觀察曲線可知,每個試件都有2個轉折點和3段折線。借鑒以往學者提出的模型[20],結合曲線特征,提出三折線模型對于彎矩-轉角曲線進行分析,三折線模型如圖8所示。該模型無需大量數據,結合曲線特點即可有效擬合出變化趨勢,同時將誤差控制在5%以內,節點的力學模型表達式見式(4)。

圖7 彎矩-轉角曲線Fig. 7 Bending moment-angle curves

圖8 彎矩-轉角三折線模型Fig. 8 Bending moment-angle tripline model

(4)

式中:K1、K2、K3為分段轉動剛度;θ1、θ2、θ3為分段節點轉角;M1、M2、M3為分段彎矩極值。

3組試件的擬合參數值見表4,結果表明,J1在第二階段的剛度呈現突降趨勢,在第三階段又有所增大,這主要是鋼夾滑移造成的,轉動到第三階段時滑移停止,角鋼限制節點轉動,轉動剛度再次增大。J2初始剛度較低,隨著轉動過程中螺栓與鋼夾的緊密貼合,第二階段和第三階段的剛度均最大,表現出良好的抗彎性能。J3與J1變化規律類似,在第二階段剛度迅速下降后第三階段又緩慢上升,但其最大初始剛度平均僅有12 kN/m,在3種節點形式中是最低的。

2.3 節點半剛性驗證

國內現行規范無法評估木材或竹節的傳遞力矩,故遵循了歐洲鋼結構規范設計建議,按式(5)計算。節點可以傳遞力矩,剛度必須大于閾值Sj。此外,通過Foley等[21]提出的方法及CECS 434:2016《圓竹結構建筑技術規程》,按式(6)確定傳遞的彎矩M。

(5)

(6)

式中:w為均布荷載;L為原竹梁的跨度;E為基材的軸向彈性模量;I為原竹截面慣性矩。

均布荷載w根據容許應力計算得出,容許應力一般取12 MPa。通過Geschwindner等[22]提出的方法確定連接可傳遞的彎矩相對于理想傳遞力矩的百分比,繪制彎矩-轉角曲線。通過連接x軸上的一點和y軸上的另一點繪制梁線,將均布荷載改為集中荷載。取線段和試驗曲線之間的交點產生彎矩,判斷半剛性程度。如果超過90%的彎矩,就可以將其歸類為剛性連接件,低于20%則歸類為柔性連接件,這兩類之間的則被視為半剛性連接。梁柱節點剛性判斷方式如圖9所示。

圖9 梁柱節點剛性判斷示意圖Fig. 9 Diagram of beam-column node rigidity judgment

按照上述方法劃分節點J1、J2、J3的剛度特性如圖10所示。J1、J2屬于帶斜撐的T形節點,特征曲線均在剛性區域和柔性區域之間,屬于半剛性節點。J3的特性曲線在柔性區域內,屬于鉸接節點。J1 3個試件的特性曲線稍趨向于柔性區域,這是因為加載過程中橡膠墊和鋼夾出現了滑移,造成節點剛度退化;而同一過程中的J2 3個試件原竹孔壁承壓,剛度持續增加,曲線偏離半剛性區域和柔性區域的分界線,節點剛度最大。

圖10 剛度特性劃分Fig. 10 Stiffness characteristics division

3 結 論

1)簡易鋼夾節點(J1)和貫通螺栓節點(J2)破壞時角鋼產生較大的塑性變形,自攻螺釘節點(J3)則產生了由鋼板滑移造成的局部失穩。J2出現擴孔變形和原竹最終劈裂的現象,表明原竹本身與連接件之間協同作用良好,材料性能充分發揮,證明了其優良的傳遞彎矩能力。

2)3種不同構造的節點均具備一定的承載能力,貫通螺栓節點(J2)的平均破壞荷載、極限彎矩、剛度等指標均優于簡易鋼夾節點(J1)和自攻螺釘節點(J3)。隨著原竹等級的增加, J3和J1承載力提高有限,節點抗彎性能對于原竹等級這一因素表現不敏感;J2承載力提高顯著,剛度則表現出先升后降的趨勢,對應等級為T8時節點的性能最優,可作為節點設計參考等級。

3)自攻螺釘節點(J3)全過程落在柔性區域內,呈現鉸接節點特性,但其制作方便,安裝快捷。簡易鋼夾節點(J1)和貫通螺栓節點(J2)特性曲線落在半剛性區域內,J2在強化階段逐漸遠離分界線,表現出典型的半剛性節點特征,能有效承受荷載并傳遞彎矩。這3種節點均可用于現代竹結構建筑梁柱連接。簡易鋼夾節點J1如何減小連接件之間的滑移,提高節點力學性能是其推廣使用的一大難題。貫通螺栓節點J2自身對于原竹等級影響較大,故對于原竹直徑、厚度,螺栓等級、斜撐截面尺寸的規范化設計還需要進一步研究。