花旗松胶合木销槽顺纹承压性能 影响因素研究

螺栓连接具有良好的力学性能且易于装配化施工，已成为现代胶合木结构的主要连接形式。 Itany等的研究表明木结构的破坏80%源于节点破坏，因此节点连接的设计至关重要。 目前国际上广泛采用Johansen提出的“屈服理论”来计算螺栓连接等销类连接的承载力。 祝恩淳等按上述“屈服理论”研究提出了我国GB 50005—2017中销连接的承载力计算方法。 计算销连接的承载力首先需确定销槽的承压强度。 祝恩淳等在周晓强开展的东北落叶松和樟子松的销槽承压试验研究基础上提出销槽承压强度计算模型按美国NDS标准采用，但缺少胶合木销槽承压性能的试验数据。

在胶合木销槽承压性能研究方面，Bo-Han Xu等 开展了胶合木销槽承压强度试验并进行了数值模拟，Seri等研究了销直径和胶合木的制作方法对销槽承压强度的影响，Eero Tuhkanen等研究了层板数量对胶合木和正交胶合木销槽承压强度的影响。刘柯珍对国产落叶松锯材和胶合木进行了销槽承压对比试验研究，徐心怡和马贵进等分别研究了不同荷载方向和湿度对胶合木销槽承压强度的影响。

在试验方法上，目前世界上广泛采用美国ASTM D 5764和欧洲EN383两种试验方法，国际标准ISO10984-2在前两种方法基础上建立并做了改进。Santos等通过海岸松木材销槽承压试验和有限元数值模拟，对比了 EN383和ASTM D 5764两种试验方法的区别，结果表明两种方法获得的销槽顺纹承压强度基本相同。

在试验数据处理方法方面，ASTM D 5764和EN383分别提出了5% d （ d 为销槽直径）偏移法和5mm位移法2种。 Kei Sawata等按EN383的试验方法，分别采用8?mm, 12?mm, 16?mm, 20?mm销直径对日本鱼鳞云杉和库页冷杉进行大量销槽承压试验，对比两种方法确定的销槽承压强度的区别，结果表明两种方法确定的销槽顺纹承压强度很接近，且几乎不受销直径的影响。

以上研究考虑了不同因素对胶合木销槽顺纹承压性能的影响，进一步对比ASTM D 5764和EN 383可知，二者在试件形式和试件尺寸方面的规定有明显区别；而ISO10984-2标准包含了EN 383的规定，但更灵活。对于胶合木，因受层板厚度的影响，试件厚度可能难以满足相关标准的规定。此外，胶合木销槽受压时，销槽可平行或垂直层板的宽度设置，而目前的研究并未考虑以上因素的影响。

本文通过胶合木销槽顺纹承压试验，研究不同开槽方式、试件尺寸（厚度、高度和宽度）和螺栓直径等对销槽顺纹承压性能的影响；对比不同方法确定销槽顺纹承压强度的区别；通过对比理论计算模型与试验结果，验证胶合木销槽顺纹承压强度的计算模型。

1??试验材料和方法

1.1??试件情况

试件材料采用花旗松同等组合胶合木，强度等级为 TC ^T 32 。 试验设计了S1~S10共10组试件，考虑了开槽方式、试件尺寸（厚度、高度和宽度）及螺栓直径等因素的影响，每组5个试件。 试件形式采用半孔试件，其设计示意如图1所示，试件设计参数见表1，试件组S4为标准组试件。 其中，开槽方式根据销槽与层板宽度的关系分为平行层板宽度（S1、S2组）和垂直层板宽度（S3~S10组）2种。 试件厚度考虑不同层数胶合木的影响，试件宽度和高度分别考虑ISO10984-2标准和ASTM D 5764标准的区别确定。 螺栓直径 d 结合工程应用情况分别取16mm, 18?mm, 20?mm。

图1??试件设计示意（箭头方向为木纹方向）

（a）S1组；（b）S2组；（c）S3~S10组

表1??试件设计参数

每组5个试件，分别从5根不同的胶合木构件上截取。加工时销槽附近需避开木节、腐朽等缺陷。销槽开孔直径大于螺栓直径2mm。采用8.8级高强度螺栓，试验时采用光滑圆杆部分在销槽长度范围内进行加载。

1.2??试验方法

按图2所示的加载装置进行加载，荷载由万能试验机的表盘直接读取。试件变形通过对称布置在试件两侧的位移计测量，通过数据采集仪采集，螺栓的变形取位移计读数的平均值。

图2??试验装置

（a）装置示意；（b）装置实物

先按预估破坏荷载的10%进行预加载，正式加载按连续分级加载方式，使试件在5~10min内破坏或达到最大变形值，当试件出现明显破坏或变形过大时停止加载。试验完成后，在销槽附近切取约10mm厚的整截面无缺陷小试件，测量木材的含水率、气干密度和绝干相对密度。

2??试验结果与分析

2.1??破坏模式

销槽顺纹承压试件破坏经历了3个阶段：荷载较小时，销槽下方木材处于弹性压缩阶段，变形不明 显；随荷载增加，销槽下方及附近木纤维发生压缩变形发生细微响声；荷载进一步增大，销槽附近木材的压缩变形逐渐明显，试件发出较明显的木纤维撕裂声，越接近破坏荷载撕裂声越清脆且连续。

除个别试件（S1-4）在临近破坏荷载时连续发出清脆的木纤维撕裂声直至螺栓完全嵌入销槽内而发生嵌入破坏（图3a）外，其余试件在加载过程中槽孔下部或两侧陆续出现裂缝，随螺栓嵌入裂缝发展加快，直至贯穿试件而发生劈裂破坏（图3b、图3c）。

图3??试件的破坏模式

（a）嵌入破坏；（b）劈裂破坏1；（c）劈裂破坏2

2.2??荷载–位移曲线

根据获得的荷载和变形绘制各试件的荷载–位移曲线，图4为各对照组试件的荷载–位移对比曲线（其中少部分试件因位移计安装原因未获得数据）。

图4??试件的荷载–位移曲线

（a）不同开槽方式对比；（b）不同试件厚度对比；（c）不同试件高度对比；（d）不同试件宽度对比；（e）不同螺栓 直径对比

从图4中可看出，各曲线的变化趋势较为一致：荷载较小时，荷载–位移曲线为直线，试件处于弹性变形阶段；当荷载增加到比例极限荷载后，木材变形增长加快而荷载增加减慢，曲线进入相对平缓的弹塑性阶段，直到曲线的最高点，即达到承载力极限状态，然后进入破坏阶段，曲线开始下降。

图4（b）（e）曲线因具有不同的销槽承压面积，使各试件组差别较大；图（a）（c）（d）中试件销槽承压面积相同，曲线变化反映出开槽方式和试件高度对销槽承压性能产生了一定的影响，而试件宽度的影响较小。

2.3??销槽顺纹承压强度

销槽的承压强度可根据荷载–位移曲线，分别取屈服荷载或最大荷载除以销的投影面积获得。

屈服荷载 f _y,5%d 按ASTM D5764规定的5% d （ d 为螺栓直径）偏移法，取荷载–位移曲线的初始直线段沿位移轴方向偏移5% d 位移与曲线相交所对应的荷载。

最大荷载 f _u,5mm 按EN383规定的5?mm位移法确定，取荷载–位移曲线上5?mm位移处对应的荷载值，若位移达到5?mm之前已达最大荷载，则取该荷载值。 图5表示以上2种方法确定荷载的示意图。

图5??屈服荷载和最大荷载取值示意

本试验同时用烘干法测得试件木材的含水率在9.92%~12.68%之间，平均含水率为11.72%。试验测得的木材绝干相对密度见表2。

表2??试件木材的绝干相对密度

分析表2可知，按5% d 偏移法和5?mm位移法确定的销槽顺纹承压强度较接近，后者略高，这与Kei Sawata和Motoi Yasumura的研究结果较为一致。

与标准组S4相比，开槽方式对销槽顺纹承压强度影响较大，其次是试件高度 h ，试 件厚度 t 和螺栓直径 d 在一定条件下也有一定的影响，而试件宽度的影响较小。 具体影响情况如下。

2.3.1??开槽方式

开槽方式对销槽顺纹承压强度影响较大，销槽平行层板宽度（S1组和S2组）时销槽顺纹承压强度降低较明显，销槽位于一块层板（S2组）上时降低 最多。

与垂直层板宽度的S4组相比，S2组按5% d 偏移法和5?mm位移法确定的销槽顺纹承压强度分别降低了13.45%和12.29%，变异系数 COV 分别为4.40% 和4.71%，从图4（a）也可看出这种差别。

原因可能是销槽平行层板宽度时，销槽的承压主要靠销槽下侧单层或双层层板受力，其性能受该层板性能的影响较大；而销槽垂直层板宽度时几块层板共同承压，层板组合减小了材料性能的变异性，并提高了材料的抗压性能。

2.3.2??试件高度 h

试件组S4和S7分别按ISO10984-2和ASTM D 5764的规定确定试件高度，试件高度减小，按5% d 偏移法和5?mm位移法确定的销槽顺纹承压强度分别增加了7.45%和9.14%，由于2组试件的销槽承压面积和破坏模式均相同，S7组试件销槽承压强度增加的原因可能与该组试件的木材绝干相对密度相对较大有关（表2）。

2.3.3??试件厚度 t  

试件组S3~S6采用不同层板数来改变试件的厚度。S3组试件采用2块层板制作，厚度 t （ t =3.125 d ）满足EN383的规定，销槽的顺纹承压强度有一定的降低，可能是厚度减小时销槽上的应力分布不均匀 所致。

对比S4~S6组试件可知，试件厚度不小于ISO10984-2的规定（4~5 d ）时，销槽的顺纹承压强度变化不明显，说明此时胶缝的影响并不明显，这与Eero Tuhkanen的研究结果较一致。

2.3.4??螺栓直径 d  

S4, S9, S10组试件试验采用的螺栓直径分别为16?mm, 18?mm, 20?mm。螺栓直径大于18?mm后，按5% d 偏移法确定的销槽顺纹承压增加了5.41%，而按5?mm位移法确定的销槽压强度基本不变，这与Rammer在销槽顺纹承压试验中得出的“较大螺栓直径的销槽承压强度之间无显著差异”的结论 一致。

3??销槽顺纹承压强度计算模型对比

3.1??各国标准的理论计算模型

3.1.1??美国NDS标准和我国GB 50005—2017标准的计算模型

美国NDS标准按ASTM D5764的半孔试件方法进行试验，按5% d 偏移法确定销槽承压强度，通过试验研究建立的销槽顺纹承压强度计算模型 如下：

f _{e, 0, NDS/GB50005} =77G（1）

式中： f _{e, 0} 为销槽顺纹承压强度（N/ mm ² ）； G 为木材平均全干相对密度。

我国GB 50005—2017《木结构设计标准》关于销槽的承压强度采用了与美国NDS标准相同的计算模型。

3.1.2??欧洲EC5标准的计算模型

欧洲标准EC5基于EN383的全孔试件方法试验，采用5?mm位移法确定销槽承压强度，在大量试验研究基础上建立的木材销槽顺纹承压强度计算模型如下：

f _{e, 0, EC5} =0.082（1–0.01 d ） ρ _k   （2）

式中： ρ _k 为木材密度特征值，取木材气干密度的5%分位值（kg/m3）； d 为销的直径（mm）。

3.1.3??加拿大CSA O86标准的计算模型

加拿大CSA O86标准规定的销槽顺纹承压强度计算模型如下：

f _{e, 0, CSA} =50 G （1–0.01 d ）（3）

3.2??理论计算模型与试验结果的对比

根据以上计算模型可计算出各试件组的销槽顺纹承压强度值，为更直观地进行对比，表3和图6同时表示出了销槽顺纹承压强度的理论计算结果与试验 结果。

图6??理论公式与试验结果的对比

从表3和图6可知，按加拿大CSA标准确定的销槽顺纹承压强度明显低于试验结果，说明CSA模型过于保守。

按EC5标准的理论计算结果也低于按EN383规定的5?mm位移法确定的试验结果，但EC5的理论模型算得的是5%分位值，而试验结果是平均值，说明EC5模型略保守。

按NDS/GB50005标准的计算模型获得的是销槽承压强度的平均值，除试件组S2外，其理论计算结果总体上与5% d 偏移法确定的试验结果较接近，因S2组的销槽位于单层层板上，情况较为特殊，实际并不常见，故可不予考虑。

4??结论

（1）按5?mm位移法确定的销槽顺纹承压强度略高于5% d 偏移法确定的销槽顺纹承压强度，但差别不大。

（2）开槽方式在一定程度上会影响销槽的顺纹承压强度，销槽平行层板宽度且销槽位于单层层板上时，销槽承压强度降低较明显。

（3）试件尺寸对销槽顺纹承压强度有一定影 响，但影响并不大。

（4）螺栓直径对销槽顺纹承压性能的影响与承压强度的确定方法有关，但影响不大。

（5）采用NDS标准和GB 50005—2017《木结构设计标准》的计算模型能较好地模拟销槽的顺纹承压强度。