木结构螺栓连接设计中销槽承压强度值的确定方法

会议论文

螺栓、钢销、钉、螺丝等细而长的销轴紧固件统称为销轴类连接件,它们的特点是通常承受的荷载与连接件本身长度方向垂直,故称为侧向抗剪连接,屈服时通常发生销轴自身弯曲和木材销槽承压破坏,具有良好的韧性,在工程中广泛应用。木材的销槽承压强度是确定螺栓连接承载力的重要参数与通常的抗压强度不同。当螺栓连接为Ⅰ模式屈服破坏时,螺栓连接侧向抗剪承载力直接由木材销槽承压强度决定。笔者综合阐述了国内外木材销槽承压强度的测定方法,列出国内外木材销槽承压强度的理论计算公式并将美国木结构设计规范NDS[1]中销槽承压强度的计算结果与试验结果进行比较,为木材销槽承压强度的选取提供参考。

1 木材销槽承压强度的测定方法

1.1 木材销槽承压强度的测试方法

通过试验测定木材销槽承压强度的方法有半孔和全孔2种方法。半孔法测试过程中螺栓不能发生弯曲,加载面直接作用于半孔上的螺栓进行平压见图1;半孔法测试方法简单,易于实现,试验结果误差较小;由于测试过程中螺栓不发生弯曲,测试结果能够准确反映木材整体的销槽承压强度,但与实际使用情况不完全相符。全孔法试验要求较高,试验结果的影响因素较多,但更接近木材销槽承压时实际受力状态。

图1 木材销槽承压强度试验测试方法  下载原图

目前测定木材销槽承压强度的试验方法,主要参照美国ASTM(D5764—97a)[2]和欧盟EN 383—2007[3]。两者都是采用单个螺栓测定木材的销槽承压强度。前者采用半孔或全孔两种测试方法,后者仅采用全孔测试方法。它们都对测试试件的尺寸和孔洞的位置做出规定,但两者规定不同,见表1。测试时,ASTM(D5764—97a)规定只能通过试件的压缩试验测定木材的销槽承压强度,而EN 383—2007规定可通过试件的压缩或拉伸试验测定木材的顺纹销槽承压强度,通过试件的压缩试验测定木材的横纹销槽承压强度。

表1 ASTM(D5764—97a)与EN 383—2007关于木材销槽承压强度测试方法的规定差异及目的  下载原图

注:d为紧固件的直径。

1.2 木材销槽承压强度的判定方法

通过试验可以得到在荷载作用下的荷载-位移曲线;将通过荷载-位移曲线上某点对应的销槽承压荷载Fe与直径d和构件厚度t乘积的比值Fe/dt定义为木材的销槽承压强度。那么对于同一试验结果,不同的销槽承压荷载Fe判定方法,将得到不同的木材销槽承压强度。

通常采用的销槽承压荷载Fe判定方法有:5%偏移法、5mm最大位移法,见图2。5%偏移法指试验得到的荷载-位移曲线上与初始线性阶段平行的直线沿水平方向移动5%直径的位移,该斜直线与曲线的交点对应的荷载定义为销槽承压荷载Fe,见图2(a);5mm最大位移法指试验得到的荷载-位移曲线减去由实验装置在对应荷载时因变形产生的位移,校正后的荷载-位移曲线对应的最大荷载或者5mm位移处对应的荷载为销槽承压荷载Fe,见图2(b)。

图2 木材销槽承压强度试验中荷载-位移曲线上荷载Fe的两种判定方法  下载原图

Sawata K等[4]对5%偏移法和5mm最大位移法进行比较,结果表明这两种方法测得木材顺纹的销槽承压强度比较接近,约为0.9倍的木材顺纹承压强度;而5%偏移法测得木材的横纹销槽承压强度结果小于5mm最大位移法得到的结果,约为0.4倍的木材顺纹抗压强度。产生上述现象原因是:木材顺纹承压的应力-应变模型是理想弹塑性模型,而木材横纹承压的应力-应变模型是弹性-线性强化型;从Sawata K等[4]试验得到鱼鳞云杉和库页冷杉机械等级锯材层板的销槽承压强度-位移曲线可以清楚看到木材的这种特性,见图3。

图3 木材的销槽承压强度-位移曲线  下载原图

分析木材销槽承压强度试验中销轴周围的应力分布可知:当试件尺寸一定时,销轴与木材的接触面积随销轴直径的增大而增加,同时销轴对木材水平方向的挤压作用也随之增加,即增大销轴直径可以增加销槽的承压荷载Fe,同时提高了木材开裂破坏的可能性。由此可知考虑到销轴直径因素的5%偏移法判定木材销槽承压荷载更为合理。

2 国内外木材销槽承压强度的模拟计算公式及比较

2.1 国内外木材销槽承压强度的模拟计算公式

以下分别列出国内外木结构设计规范给出的木材销槽承压强度的模拟计算公式。

1)我国《木结构设计手册》(第三版)[5]中给出木材销槽承压强度设计值公式,主要由木材的顺纹抗压强度设计值决定,具体如下:

木材的顺纹销槽承压强度设计值:

木材的横纹销槽承压强度设计值:

式中:fc,0—木材顺纹抗压强度设计值(N/mm2);

k90—木材横纹销槽承压强度降低系数(见《木结构设计手册》(第三版)表5.3.2)。

2)我国《胶合木结构技术规范》GB/T 50708—2012[6]规定了木材销槽承压强度的模拟计算公式:

木材的顺纹销槽承压强度:

木材的横纹销槽承压强度:

式中:G—主构件材料的平均全干相对密度(比重);

D—螺栓直径(mm)。

3)美国木结构设计规范NDS[1]规定木材销槽承压强度的模拟计算公式如下:

木材的顺纹销槽承压强度:

木材的横纹销槽承压强度:

式中:G—主构件材料的平均全干相对密度(比重);

d—螺栓直径(mm)。

4)加拿大木材工程设计[7]规定木材销槽承压强度的模拟计算公式如下:

木基材料的顺纹销槽承压强度:

木基材料的横纹销槽承压强度:

式中:G—主构件材料的平均全干相对密度(比重);

d—螺栓直径(mm)。

5)欧洲木结构设计规范[8]对木材销槽承压强度的模拟计算公式规定比较详细,主要由木材的密度、荷载作用方向与木材纹理的夹角、荷载持续时间、顺纹方向之间的间距以及木构件的树种共同决定。对单个螺栓,木材销槽承压强度的模拟计算公式如下:

木材顺纹的销槽承压强度为:

当螺栓的荷载作用方向与木材纹理方向存在夹角α时,木材的销槽承压强度为:

式中:ρk—木材气干密度的5%分位值(kg/m3);

fe,0—木材顺纹的销槽承压强度;

6)日本木结构设计规范[9]给出的木材销槽承压强度的模拟计算公式如下:

木材的顺纹销槽承压强度:

木材的横纹销槽承压强度:

式中:ρ—木材平均气干相对密度;

d—螺栓直径(mm)。

综上所述,各国给出的木材销槽承压模拟计算公式都与木材的密度有关,只是密度的定义不同;除我国和美国的木材顺纹销槽承压强度模拟计算公式与直径无关,其余的模拟计算公式均与螺栓的直径有关。总体上欧洲木结构设计规范对木材销槽承压强度的规定比较全面,考虑了荷载作用时间、材料和树种对木材销槽承压强度的影响;我国《胶合木结构技术规范》GB/T50708—2012仅考虑了木材的密度和螺栓直径对木材销槽承压强度的影响。

2.2 国内外木材销槽承压强度的模拟公式计算结果比较

各国木结构设计规范给出的木材销槽承压强度模拟计算公式都有一定差别。为了客观说明各个模拟计算公式的不同,笔者对不同密度和直径对应的计算结果进行比较。此处采用钢销,木材选用兴安落叶松,比较结果见表2。表中的密度为平均全干密度,变异系数为10%,从表2可知:我国《木结构设计手册》中木材顺纹销槽承压强度的设计值相对较小,随着密度和钢销直径的变化其计算结果保持不变,与实际情况不符;我国《胶合木结构技术规范》GB/T 50708—2012和美国木结构设计规范对木材销槽承压强度的模拟计算结果整体高于欧洲,这主要是因为欧洲木结构设计规范中木材销槽承压强度模拟公式计算得到的结果为木材销槽承压强度的下限5%分位值,美国的计算结果则为木材销槽承压强度的平均值。美国规范给出的木材销槽承压强度模拟公式的计算结果整体均高于其他4个国家或地区。

表2 木材销槽承压强度不同公式的计算结果(数字)  下载原图

(MPa)

注:1)表中1、2、3、4、5、6分别对应我国《木结构设计手册》、《胶合木结构技术规范》和美国、加拿大、欧洲、日本对木材销槽承压强度的理论公式;1的结果为设计值;2)表中的数据是将全干密度转换成相应公式中规定密度形式后计算得到的;3)全干相对密度G=全干密度/4℃时水的密度;5%分位值=平均值×(1-1.65×10%);4)密度的下限5%分位值=平均密度×(1-1.65×10%);5)气干密度与全干密度的转换公式:ρw=ρ0(100+w)/(100+0.85ρ0w),w%为木材的含水率,此处取w=15。

2.3 兴安落叶松销槽承压强度的试验与理论结果比较

试验选取采自黑龙江省塔河林业局的兴安落叶松和材质为Q235的钢销,规格材试件31个,试件尺寸为140mm(长)×140mm(宽)×38mm(厚);胶合木试件24个,试件尺寸为140mm(长)×140mm(宽)×76mm(厚)或114mm(厚)或152(厚);胶合木由兴安落叶松规格材和异氰酸酯双组份胶黏剂胶合而成,随钢销直径增大而试件厚度增大(2层、3层、4层);参照ASTM(D5764-97a)对兴安落叶松规格材和胶合木的销槽承压强度进行测定。验结果表明,兴安落叶松具有较高的销槽承压强度。将兴安落叶松销槽承压强度的试验结果与美国NDS的模拟公式计算结果进行比较,见表4。由表4可知:美国NDS给出木材销槽承压强度模拟公式的计算结果与参照美国ASTM(D5764—97a)试验测定的木材销槽承压强度存在误差,兴安落叶松顺纹时销槽承压强度的试验与模拟公式结果误差范围在-2.02%～7.77%之间,横纹时的结果误差范围在2.29%～10.44%之间。这主要是因为模拟公式是由不同树种的大量试验拟合得到的,与具体的试验结果比较则会存在误差。因此,对于兴安落叶松计算的销槽强度值与半孔销槽压缩5%偏移法获得实测值虽然有误差,但基本在1 0%范围内,模拟计算值乘以折减系数0.91后更接近实测值。这个参考折减系数虽然偏于保守,但在充分发挥材料性能的同时能够保证木构件节点连接的性能安全。

表3 兴安落叶松规格材与胶合木的销槽承压强度试验结果  下载原图

注:括号内数值为对应数值的变异系数。

表4 兴安落叶松的销槽承压强度试验结果与NDS中模式公式计算结果比较  下载原图

注:1)误差=[(NDS计算结果-试验结果)/试验结果]×100%。

3 建议与结论

1)我国新颁布的《胶合木结构技术规范》GB/T50708—2012中给出了螺栓销槽承压强度的模拟计算公式,销槽承压强度主要由木材密度、螺栓直径和加载方向与木材纹理角度决定。将来修订时可考虑不同树种密度变异、荷载作用时间对木材销槽承压强度的影响。

2)木材销槽承压强度的半孔测试法能够准确测得木材的销槽承压强度,但与实际受力情况不完全相符;全孔测试法能够准确反映实际受力情况时木材的销槽承压强度,但影响因素较多。5%偏移法能够反映直径对木材销槽承压强度的影响,作为销槽承压强度试验中销槽承压荷载Fe的判定方法较为合理。

3)针对兴安落叶松的销槽承压强度,将参照美国ASTM(D5764—97a)半孔法测定的试验结果与依据美国NDS模拟公式的计算结果进行比较,两者之间存在误差;顺纹时销槽承压强度的试验结果与模拟公式计算结果误差范围在-2.02%～7.77%之间,横纹时在2.29%～10.44%之间。因此可根据兴安落叶松密度及销轴直径估算其销槽承压强度。