紧固件数量对CLT钢木连接节点性能的影响∗

钟淼麟 李 静 强智森 胡宪睿

（华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641）

近年来，我国高度重视生态文明建设和节能减排，积极推动建筑产业转型。随着国内林业产业的蓬勃发展，木结构建筑重新焕发生机，国内外学者积极推动木结构新结构形式的发展[1]。正交胶合木（以下简称CLT）是一种由至少三层实木锯材或结构复合材在层与层之间正交组坯胶合而成的预制实心工程木板，因其具有较高的尺寸稳定性和承载力，被广泛应用于重型木结构的墙、板等构件[2]。近年来CLT结构以及构件性能得到了大量研究，卢布尔雅那大学（the University of Liubljana, Slovenia）对CLT墙体系统进行了单调加载和循环加载试验以充分探究其结构性能，该试验包括改变CLT墙的锚固方式[3]、采用不同的竖向荷载与边界条件[4]及不同的洞口尺寸[5]。由IVALSA（Institute of the National Research Council） 主导的SOFIE项目对CLT的结构性能进行了全面且深入的研究，包括CLT墙体系统的抗侧向力测试[6]、三层CLT足尺结构振动台试验[7]和七层CLT足尺结构振动台试验[8]。加拿大的FPInnovations也对CLT墙体的结构性能进行了一系列研究[9-12]。这些研究表明，CLT结构的变形主要产生于金属连接节点的弯曲和滑移而不是木材的撕裂破坏。在CLT结构中，一般采用抗拔件和角钢使基础与CLT墙、CLT墙与CLT板连成一个整体，这些连接节点均为耗能节点，决定了CLT结构的整体耗能能力与抗震能力[13-15]。因此对该类型连接节点的力学性能研究成为了热点。本文通过对以抗拔件、角钢为连接件的CLT连接节点进行大量的单调与循环加载试验[16-21]，分析其力学性能及破坏机制，为CLT结构的设计提供更多有效的改进方案。

目前关于CLT结构或构件的研究中，角钢连接件中的紧固件数量（如环纹钉）一般为12 个，并无相关研究说明紧固件数量对其力学性能的影响。如上所述，以角钢为连接件的连接节点决定着CLT结构的耗能能力[22-24]。基于此，本文进行了以角钢为连接件的CLT钢木连接节点试验，通过改变连接节点中紧固件数量，分别在平行于木纹方向和垂直于木纹方向（以CLT最外层层板纹路为准）进行剪力单调加载试验，分析紧固件数量对钢木连接节点的力学性能如初始刚度、屈服强度、最大承载力、极限强度、延性等的影响，为今后研究钢木连接节点对CLT结构抗震性能的影响提供试验基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验主要材料有：1）五层CLT层板：层板材料为欧洲云杉，等级C24，尺寸为450 mm×600 mm，板厚为140 mm（40-20-20-20-40），如图1 所示；2）角钢：尺寸为60 mm×160 mm×120 mm，厚度3 mm，由厦门固捷五金制品有限公司生产，如图2 所示；3）螺栓：直径为12 mm，等级8.8；4）紧固件：钉长为60 mm的环纹钉，环纹增强钉的抗拔力，钉帽有利于增强延性，由辛普森公司（Simpson Strong-Tie）生产，如图3 所示。

图1 CLT层板Fig. 1 Cross-laminated timber

图2 角钢Fig. 2 Angle bracket

图3 环纹钉Fig. 3 Annular-ringed shank nails

1.2 试验装置

试验装置由烟台新天地试验技术有限公司生产。如图4 所示，CLT墙通过环纹钉与角钢连接，而角钢与钢板通过4 个螺栓连接，每个CLT样板均未进行预钻孔。试验装置还包含电动伺服系统、DH3816N静态应变仪、位移传感器。电动伺服系统用于控制试验的加载过程，DH3816N静态应变仪用于采集在加载过程中的位移-力曲线数据，位移传感器用于测量钢木连接节点在剪力方向的位移，并在基础钢板上方安装了4 个“L”型钢板，在CLT板上方设置了滑动导轨以避免平面外弯矩对试验的影响。

图4 试验装置示意图Fig. 4 Experimental setups

1.3 加载方案

本试验采用位移控制的单调加载连续方式。根据EN 1382Timber Structures-Test methods-Withdrawal capacity of timber fasterners标准，控制实验室相对湿度在（65±5）%、温度为（20±2） ℃范围内。单调加载方案采用EN 26891Timber structures-Joints made with mechanical fasteners-General principles for thedetermination of strength and deformation characteristics(ISO 6891:1983)标准，通过CEN. EN 1995-1-1. Eurocode 5:Design of timber structures-Part 1-1: General-Common rules and rules for buildings中的计算模型估算试验连接节点的最大承载力（Fest），用于确定在加载初期时卸载的点位0.40Fest，卸载至0.10Fest后继续单调加载直至连接节点破坏，节点破坏状态定义为节点最大承载力的80%。加载速率设置在0.05～0.2 mm/s范围内，控制整个单调加载过程所需时间不超过15 min。

1.4 试件说明

基于目前应用于CLT结构中角钢紧固件数量基本为12 个，本试验角钢中设置数量为6、9、12、15、18个紧固件。所有连接节点在承担剪力荷载下分别在平行于木纹方向和垂直于木纹方向进行单调加载试验，每一类型为5 个试件，试件共计50 个。试件命名规则为：“S”代表平行于木纹方向，“P”代表垂直于木纹方向，“M”代表单调加载，“S”后面的数字代表紧固件数量，“M”后面的数字代表试件编号。如S9M2 表示紧固件为9 个、平行于木纹方向单调加载的第二个试件。

2 结果与分析

2.1 破坏现象

分别对不同紧固件数量的钢木连接节点在平行和垂直于木纹方向下进行剪力单调加载试验。对于每一节点，在加载初期，试件均未出现明显的破坏现象，当所受剪力荷载达到极限荷载约45%时，木材发出脆裂声，此时连接节点处虽无可见裂缝，但可观察到角钢“L”形处翘起。不同类型的节点在达到极限荷载时的破坏现象有差异。如图5 所示，在平行于木纹和垂直于木纹方向上，当紧固件数量较少时，节点的主要变形源于环纹钉与木材销槽的相互作用，角钢变形较小；随着紧固件数量的增加，所能承受的剪力荷载增大，通过螺栓连接至底部钢板基座的角钢底部由于受到约束限制，不能产生水平移动，而是向上倾斜，这由上部角钢传递的拉力所致，基于上述原因，角钢底部的“L”形处伸展程度越大，节点极限位移也相应增大。

在平行于木纹方向，不管紧固件数量多少，CLT板均未出现明显的破坏现象；在垂直于木纹方向，当节点紧固件数量较少时，木基无破坏现象，而当紧固件为15 个或18 个时，可以明显看到CLT板最外层层板发生撕裂破坏，这是因为CLT局部层板由环纹钉传递至销槽的压力达到了销槽承压强度。由于角钢上一侧环纹钉嵌入木基，另一侧环纹钉有拉伸趋势，因此可观察到角钢产生一定的平面外扭转变形。如图5 g所示，在加载过程中，紧固件的破坏形态主要包括钉帽的弯剪破坏和环纹钉的弯曲变形，主要原因是角钢孔洞直径为5 mm，环纹钉直径为4 mm，直径相差1 mm，导致连接节点在加载前，每个环纹钉与角钢的紧贴度有所不同，环纹钉在加载过程中受力不均，局部环纹钉所承受的剪力达到了其截面的抗剪承载力因而发生断钉，而有些环纹钉出现2 个明显的塑性铰，有些环纹钉则基本无变形的现象。

图5 钢木连接节点破坏Fig. 5 Failure of steel-to-timber connections

2.2 荷载-位移曲线

每次试验均记录CLT板与基础钢板在剪力方向的相对位移，确定节点的荷载-位移曲线。图6 和图7 分别为节点在垂直于木纹方向和平行于木纹方向时，紧固件为18 个时的连接节点全部荷载-位移曲线。

图6 垂直于木纹方向环纹钉为18 个时的钢木连接节点荷载-位移曲线Fig. 6 The load-displacement curve of steel-to-timber connections perpendicular to the direction of the grain with the annular-ringed shank nails number of 18

图7 平行于木纹方向环纹钉为18 个时的钢木连接节点荷载-位移曲线Fig. 7 The load-displacement curve of steel-to-timber connections parallel to the direction of the grain with the annular-ringed shank nails number of 18

由图可见，个别试件因孔径差导致在加载初期时产生空载，出现一定的滑移现象；紧接着节点荷载与位移成线性增加，处于弹性工作状态；随着位移的增大，荷载与位移成非线性增加，此时可观察到角钢中靠近剪力加载一侧的环纹钉被拔出一定长度并发生弯曲变形；在达到最大荷载后，因环纹钉受力不均，部分环纹钉钉帽首先达到载力极限状态发生钉帽弯剪破坏，其余环纹钉则继续承受剪力荷载。试件的荷载-位移曲线在破坏阶段呈现周期性的上下波动。

2.3 节点性能分析

根 据EN 12512Timber Structures – Test methods –Cyclic testing of joints made with mechanical fasteners.Comité Européen de Normalisation的 标 准 程 序，采 用“方式b”对试验数据进行分析，得出钢木连接节点的相关力学性能如初始弹性模量（kser）、屈服荷载（Fy）、最大荷载（Fmax）、极限荷载（Fu）、屈服位移（Vy）、最大荷载对应位移（Vmax）、极限位移（Vu）、延性比（Duct）等，每一类型连接节点的力学性能取其平均值（u）和变异系数COV[σ]。

2.3.1 节点性能共性分析

表1 和表2 所示分别为垂直于木纹方向和平行于木纹方向的钢木连接节点力学性能。由表中数据可知，由于材料、试验装置和试验操作具有一定的差异性，试验结果具有一定的离散型，但其变异系数均小于0.15，说明数据可靠。随着紧固件数量的增加，无论是垂直于木纹方向还是平行于木纹方向，连接节点的初始刚度、屈服荷载、最大荷载、极限荷载增大，其对应的位移也相应增大，如在垂直于木纹方向，紧固件为6、9、12、15、18 个时，连接节点的最大荷载分别为21.85、31.12、33.84、42.12、50.05 kN，其对应的位移分别为13.43、17.59、16.68、20.35、21.98 mm；在 平 行于木纹方向，紧固件为6、9、12、15、18 个时，连接节点的最大荷载分别为23.97、36.79、39.88、46.99、54.38 kN，其对应的位移分别为17.48、18.70、23.63、26.62、28.25 mm。连接节点的变形主要有环纹钉的弯剪变形、木材销槽承压变形、角钢弯曲变形3 部分组成。在达到破坏时，每一类型的环纹钉、木材变形基本一致，但环纹钉数量越多，节点承受的荷载也越大，角钢弯曲变形增大，对应的位移也增大。这也使得节点的延性性能和耗能能力增大。在节点的延性比上，以垂直于木纹方向时为例，紧固件数量为6、9、12、15、18 个，对应的延性比分别为1.65、1.74、2.13、2.16、2.19，延性比越大，能量耗散的能力也越强，对应的结构抗震能力也越强，因此在CLT设计时建议采用紧固件数量较多的连接节点以提高结构的抗震能力。

2.3.2 节点性能差异分析

对比表1 和表2 数据，得出钢木连接节点在垂直于木纹方向和平行于木纹方向力学性能差异主要体现在以下几个方面：

1）相同紧固件数量的节点垂直于木纹方向的初始刚度比平行于木纹方向的初始刚度大，但数值相差不大，紧固件数量为6、9、12、15、18个时分别相差9.5%、2.9%、0.7%、2.9%、4.1%，需注意的是，在CEN.EN 1995-1-1.Eurocode 5中，适用于实木或层交胶合木等木制品的钢木连接节点初始刚度计算方式是随着紧固件的增加呈线性增加，从表中数据可知该计算方式并不适用于CLT连接节点。

2）相同紧固件数量的节点在平行于木纹方向的屈服强度、最大强度、极限强度大于垂直于木纹方向，紧固件数量为6、9、12、15、18个的节点最大强度分别相差8.84%、15.40%、15.14%、10.36%、7.96%，紧固件数量在9、12个时，两者数值相差较大。在CEN. EN 1995-1-1.Eurocode 5中采用欧洲屈服理论计算钢木节点的承载力，该标准建议在紧固件直径小于8 mm时不考虑木纹方向的影响。基于此，后续需完善CLT结构基于承载力设计方法[25]中强度增大系数γRd的计算方式，以提高结构设计的准确性。

3）木材顺纹受压时，木纤维受压屈曲，而在横纹方向缺少纤维联系，木材在顺纹方向具有更强的塑形变形能力，因此平行于木纹方向的连接节点的屈服位移、最大荷载对应位移、极限位移均大于垂直于木纹方向。如表1 和表2 所示，当紧固件为18 个时，平行于木纹的节点极限位移为35.96 mm，垂直于木纹的节点极限位移为28.96 mm，两者相差为7.00 mm。

表1 垂直于木纹方向的钢木连接节点力学性能Tab.1 Mechanical properties of steel-to-timber perpendicular to the grain direction

表2 平行于木纹方向的钢木连接节点力学性能Tab.2 Mechanical properties of steel-to-timber parallel to the grain direction

4）当紧固件数量相同时，平行于木纹方向的节点延性比大于垂直于木纹方向的节点延性比，耗能能力更强。当紧固件数量较小时，其对垂直于木纹方向的节点延性比影响较为显著，当紧固件数量大于12 个时，节点延性比趋于平缓；而紧固件数量在6～18 个时，其对平行于木纹方向的节点延性比影响均较为显著。

3 结论

1）钢木连接节点的主要破坏形式是环纹钉的钉帽弯剪破坏且局部环纹钉形成塑性铰；随着紧固件数量的增加，角钢“L”形处变形程度越大；在垂直于木纹方向，当紧固件数量大于15 个时，可观察到最外层CLT层板发生撕裂破坏。

2）无论是在垂直于木纹方向还是平行于木纹方向，CLT钢木连接节点的初始刚度、屈服荷载、最大荷载、极限荷载及其对应的位移均随着紧固件的增加而增大。

3）在相同紧固件数量下，垂直于木纹的节点初始刚度大于平行于木纹方向的节点初始刚度；由于顺纹具有较强的塑性变形能力，因此平行于木纹的节点屈服位移、最大强度对应位移、极限位移均大于对应垂直于木纹的节点。

4）紧固件数量对平行于木纹方向的节点影响显著，且在相同紧固件数量下平行于木纹的节点延性比大于垂直于木纹的节点延性比，延性性能和耗能能力较强；紧固件数量越多，节点的延性比越大，在CLT结构设计中建议采用紧固件数量多的连接节点以提高结构的抗震性能。