工学论文：竹层积材钢夹板螺栓节点的承压性能

    摘要：进行了４个测试组共２０个竹层积材钢夹板螺栓节点承压试验研究，并采用 ＡＢＡＱＵＳ有限元软件建立了螺栓节点的三维实体非线性有限元模型，分析了竹层积材厚度和螺栓直径对节点刚度、屈服载荷和破坏形式等力学性能的影响．研究表明：非线性有限元计算结果与试验结果吻合良好，能够准确预测节点刚度、屈服载荷和破坏模式；随螺栓直径的增加，螺栓节点的刚度和屈服载荷大致呈线性增加；竹层积材厚度的增加能显着提高节点的极限载荷和延性系数；节点的破坏形式受螺栓直径和竹层积材厚度的共同影响，当节点破坏形态为Ⅰ型时，螺栓和竹层积材这２种材料的强度均能充分发挥且节点延性系数较高，节点力学性能最佳．
   关键词：螺栓节点；竹层积材；承压；非线性有限元模型
   中国竹资源拥有量和品质均居世界首位.竹子具有生长速度快、成材早、产量高等特点,属于短周期的可再生资源,可为中国提供丰富的木质资源,具有极大的开发价值.现阶段竹材大多处于非建筑竹层积材钢夹板螺栓节点的承压性能结构应用水平,但随着新型复合竹质工程材料技术的突破,将为竹质材料在绿色建筑结构领域的应用奠定坚实基础.螺栓连接作为被广泛应用于钢材和木材的连接形式之一,是否适用于新型竹层积材,尚需作进一步深入研究.目前国内外学者对钢夹板螺栓节点承压性能的研究大多集中于木材方面： Johansen等[基于材料力学方法,对木材螺栓连接节点的理论屈服计算公式进行了推导;樊承谋通过弹塑性力学原理和统计方 法,对 螺 栓 连 接 的 设 计 方 法 进 行 了 简 化;Rammer等研究了含水率、树种和销直径对螺栓连接性能的影响;徐德良等研究了主、侧材的厚度和螺栓排列个数对胶合木螺栓节点的影响;费本华等通过静载试验研究了竹螺栓连接节点的破坏模式和承载力,但对于采用钢夹板的螺栓节点并未涉及.为研究竹层积材钢夹板螺栓节点的承压力学性能,本文参照木结构试验方法,进行了4组共20个节点试样的静载试验,并采用ABAQUS有限元软件建立了节点的三维非线性有限元模型,分析了竹层积材厚度和螺栓直径对节点刚度、强度、破坏形式的影响,为新型竹层积材作为建筑材料的此类节点连接设计提供参考.
    1试验概况1.1节点设计与制作针对竹层积材钢夹板螺栓节点的影响因素---螺栓直径D和竹层积材厚度H,共设计了4组测试组,每组含5个试样,测试组的具体.竹层积材钢夹板螺栓连接节点示意图见图1.其中,竹层积材和钢夹板的螺栓开孔直径均比螺栓直径大1mm.钢夹板厚度为6mm,材料为Q235.螺栓两端带螺纹,材料等级为4.8级.竹层积材制作和力学性能指标竹层积材采用尺寸为200 mm(L)×100 mm(W)×30mm(T)的竹重组材冷压胶合而成,用胶为水性高分子异氰酸酯双组分胶,其质量配比为100∶单面涂胶.试验用竹重组材为正交各向异性材料,由四川竹元科技公司制造的竹基纤维复合材料,材种为丛生竹(sympodial bam-boo).采用10t的Instron 5582万能力学试验机测试竹层积材的力学性能,在x,y,z方向(即L,W,T方向)上的弹性模量(Ex,Ey,Ez)、抗压强度(fc,x,fc,y,fc,z)、剪切强度(fs,xy,fs,xz,fs,yz)及泊松比(υxy,υyx,υyz,υzy,υxz,υzx)的平均值(Avg)和变异系数(CV)值竹层积材的含水率约为10%(质量分数),密度为1.0~1.3g/cm3.竹层积材力学性能Table 2 Mechanical properties of glued-bambooProperty Avg/MPa  CV/% Property Avg/MPa CV/%Ex32 839  7.6 υxy0.588 5  5.4Ey2 035  7.1 υyx0.036 4  5.0Ez1 988  8.2 υyz0.427 4  9.4fc,x 129.17  1.9 υzy0.417 5  4.2fc,y45.50  7.6 υxz0.028 7  6.7fc,z 40.19  9.7 υzx0.474 1  13.8fs,xy22.32  8.1fs,xz 18.49  5.7fs,yz5.38  10.31.3试验加载及量测图2为试验加载装置图.采用30t万能力学试验机对竹层积材钢夹板螺栓节点施加竖向载荷,为保证节 点 试 样 在10 min左 右 破 坏,加 载 速 度 为1mm/min.通过数据采集系统TDS-530对节点载荷和位移实施同步自动采集,位移计型号为CDP-50(量程50mm,精度0.01mm),位移值取两侧位移计平均值.2试验现象钢夹 板 螺 栓 节 点 承 压 时,共 有3种 屈 服 模式.模式Ⅰ:螺栓受弯屈服,在竹层积材中形成1个塑性铰,竹层积材全部承压截面屈服模式
       2试验加载装置图Fig.2 Test set-up螺栓受弯屈服,在竹层积材中形成2个塑性铰,但因竹层积材厚度较大或螺栓直径较小,竹层积材承压截面仅部分屈服;模式Ⅲ:螺栓未屈服,因竹层积材厚度较小或螺栓直径较大,竹层积材承压截面全部屈服.其中,模式Ⅰ最为合理,能充分发挥螺栓与竹层积材2种材料的力学性能.测试组B1,B3,B4均属于破坏模式Ⅰ.以试样B1-1(测试组B1中的第1个试样)作详细说明:节点竖向位移加载至0.69mm(对应载荷为30.89kN)前,节点各构件变形均较小.随载荷增加,螺栓孔下端竹层积材表面出现细微裂纹并伴随有吱吱声响.出现这种现象的原因可能是:竹层积材承受螺栓传递的载荷,其螺栓开孔两端存在局部应力集中.持续加载,竹层积材表面裂纹继续扩展,钢夹板螺栓孔挤压变形明显,并伴有持续声响.当竖向位移增至8.06mm(对应载荷为106.98kN)时,节点连接处发出砰的一声巨响,裂纹基本贯通整个竹层积材部件,钢夹板螺栓孔处增大且鼓曲明显.位移继续增加,则裂纹贯通竹层积材部件,荷载出现明显下降,此时停止加载.试样B1-1破坏模式见图3(a).测试组B2属于破坏模式Ⅱ.以测试组B2-1(测试组B2中的第1个试样)作详细说明:节点竖向位移加载至0.85mm(对应载荷为32.05kN)前,节点各构件均变形较小.随载荷增加,螺栓孔下端竹层积材表面出现细微裂纹,并伴随有吱吱声响.持续加载,竹层积材表面裂纹继续扩展,钢夹板螺栓孔挤压变形明显,并伴有持续声响.当竖向位移增至9.68mm(对应载荷为123.86kN)时,节点连接处发出砰的一声巨响,裂纹基本贯通整个竹层积材,钢夹板螺栓孔处增大且鼓曲明显.位移继续增加,则裂纹贯通竹层积材部件,荷载出现明显下降,此时停止加载.试样B2-1的加载全过程与B1-1基本相同。
       3有限元模型建立竹层积材钢夹板螺栓节点有限元模型如图4所示.采用ABAQUS/Explicit建立节点的非线性有限元模型,节点中钢夹板、螺栓和竹层积材均选用实体单元C3D8R.钢夹板和螺栓均设置为理想弹塑性材料,弹性模量取值均为2.06×105MPa.竹层积材为典型正交各向异性材料,其有限元输入参数见表2,材料强度准则选为Hill准则.钢夹板、螺栓和竹层积材间接触面的动、静摩擦系数均设置为0.5,在各部件靠近螺栓孔及螺栓处细化网格.约束竹层积材底面的竖向位移,在钢夹板顶面施加位移载荷.
      4有限元结果分析与讨论4.1荷载-位移曲线有限元计算结果与实测结果比较见图5,可见两者吻合良好.各节点实测组的荷载-位移曲线(F-δ)形式基本一致.在加载初期,螺栓、钢夹板和竹层钟永,等:竹层积材钢夹板螺栓节点的承压性能积材间因加工误差存在初始空隙,其曲线呈现非线性,而有限元计算中不存在此现象.随着载荷增加,初始空隙消除,曲线处于线性增长阶段,节点各构件均处于线弹性状态.继续加载,节点各构件的销槽承压截面全部或部分进入塑性阶段,竹层积材表面出现裂纹且持续扩展,位移增加较快,曲线处于非线性增长阶段.随着节点各构件塑性变形继续增加,裂纹基本贯通整个竹层积材,节点达到极限载荷并破坏,曲线呈下降趋势,试件进入破坏阶段.由于有限元模型中竹层积材的材料本构模型未考虑损伤,故有限元分析未考虑节点的破坏阶段.选用4种螺栓直径(D=10,12,14,16mm)、6种竹层积材厚度(H=45,60,75,90,105,120mm),共24组螺栓节点进行非线性有限元分析.有限元计算的荷载-位移曲线。
     4.2刚度、屈服载荷参照美国木结构设计规范NDS,竹层积材钢夹板螺栓节点的屈服载荷Fy取初始刚度的5%D偏移线与荷载-位移曲线相交处的荷载值,极限载荷Fu取曲线上的最大值,如图7所示.图8为按上述有限元分析计算的各螺栓节点组的初始刚度K1,屈服后刚度K2,屈服载荷Fy.从图中分析可知,随着螺栓直径D的增加,节点的K1,K2,Fy均大致呈线性增加,增幅分别为每mm约6.05kN/mm,1.37kN/mm,9.69kN;竹层积材厚度H对节点的K1,K2和Fy影响均较小,可忽略不计.参照文献,得到竹层积材钢夹板螺栓节点各测试组的参数实测值,并与有限元分析结果比较,见表3.由表3可知,竹层积材钢夹板螺栓节点各测试组的各项参数实测值与有限元计算结果之间的相对误差均不大于10%,其稳定性能远优于木材螺栓连接节点,主要原因是相对于木材材性的变异性,竹层积材材性非常稳定、变异性小.当螺栓直径不变而竹层积材厚度增加时,即测试组B2相对于B1,B4相对于B3,其节点的初始刚度、屈服后刚度和屈服载荷基本相等,而极限载荷Fu分别增加25.9%,19.7%,延性系数μ分别增加36.3%,96.0%;说明竹层积材厚度的增加能够显着提高节点的极限载荷和延性系数,而对节点的初始刚度、屈服后刚度、屈服载荷影响较小;螺栓直径的增加能显着提高节点的初始刚度、屈服后刚度、屈服载荷、极限载荷,但节点延性系数则会显着降低.综合考虑节点的破坏模式和延性系数,测试组B1和B4的设计较为合理.实测结果与有限元计算结果一致.
       4.3破坏模式有限元分析计算的各螺栓节点组达到屈服载荷时,所对应的螺栓孔附近钢夹板、竹层积材和螺栓的变形见图9.测试组B1~B4的有限元计算破坏模式分别为模式Ⅰ、模式Ⅱ、模式Ⅰ和模式Ⅰ,与实测结果的破坏模式相同.图9典型节点破坏模式Fig.9 Typical failure modes of specimens by FE calculation由图9可知,当螺栓直径和竹层积材厚度均适中时,螺栓受弯屈服,在竹层积材中形成1个塑性铰,竹层积材全部承压截面屈服,节点破坏形式为模式Ⅰ(图9(a),(c),(d));当螺栓直径较小或竹层积材厚度较大时,螺栓受弯屈服,在竹层积材中形成2个塑性铰,竹层积材承压截面仅部分屈服,节点破坏形式为模式Ⅱ(图9(b),(f));当螺栓直径较大或竹层积材承压厚度较小时,螺栓未屈服,竹层积材承压截面全部屈服,节点破坏形式为模式Ⅲ(图9(e)).6
       5结论(1)非线性有限元分析能够较好地模拟竹层积材钢夹板螺栓节点的承压力学性能.(2)随着竹层积材厚度的增加,螺栓节点的初始刚度、屈服后刚度、屈服载荷基本不变,但其极限载荷和延性系数则显着增加;随螺栓直径的增加,节点的初始刚度、屈服后刚度、屈服载荷大致呈线性增加,但延性系数则显着降低.(3)螺栓节点的破坏形式受螺栓直径和竹层积材厚度的共同影响.
      参考文献:
      [1]刘一星,赵广杰.木质资源材料学[M].北京:中国林业出版社,2004:141-160.LIU Yi-xing,ZHAO Guang-jie.Material science of wooden re-source[M].Beijing:China Forestry PublishingHouse,2004:141-160.(in Chinese)[2]TRAYER G W.