侧向荷载下木框架剪力墙受力性能的有限元分析

随着现代木结构建筑在国内的推广应用,木结构的试验与理论研究工作在我国也逐步展开,其中对木框架剪力墙(简称木剪力墙)的研究也取得了较多成果。笔者基于木剪力墙结构在侧向水平荷载作用下的试验研究,利用有限元分析软件ABAQUS建立分析模型,主要研究无洞墙体、开门洞墙体在单向与反复荷载作用下的荷载-变形关系以及受力特点。将有限元模拟结果与试验结果对比分析表明,所建模型能够很好地模拟木剪力墙抗侧性能以及墙体应力状态和变形特点,模型能为木剪力墙抗侧性能的理论分析提供较好的借鉴。     

开槽沉头自攻螺钉增强轻型木结构剪力墙抗侧性能研究

轻型木结构剪力墙在水平荷载作用下常发生墙骨柱上拔破坏,从而削弱剪力墙的抗侧性能。本研究提出采用自攻螺钉连接边墙骨柱与底梁板的轻型木结构剪力墙,并以骨架钉种类、自攻螺钉直径和长度为变量,对传统轻型木结构剪力墙和自攻螺钉增强轻型木结构剪力墙进行单调加载对比试验。结果表明：剪力墙破坏时,其边墙骨柱弯曲且上拔较小,覆面板与墙骨柱间破坏较轻。与普通剪力墙相比,自攻螺钉增强剪力墙抗剪强度提高16%～33%,弹性抗侧刚度提高27%～111%,延性系数提高1.7%～31.7%,耗能提高2%～18.8%。因此,采用自攻螺钉连接边墙骨柱与底梁板可以有效提高剪力墙抗侧性能。     

锯材/单板层积材混合正交胶合木力学性能研究

为改善正交胶合木(Cross laminated lumber,CLT)的力学性能,将加拿大云杉-松-冷杉规格材和单板层积材按照不同结构进行混合组坯,形成3种不同结构的混合结构CLT,并对CLT试件进行弯曲和剪切力学性能测试,观察试件破坏形式。试验结果表明,芯层(横向层)剪切破坏是CLT梁试件弯曲破坏的主要、关键形式,单板层积材(Laminated Veneer Lumber,LVL)显示了较低的横纹剪切性能;将LVL置于表层,能较大地改善CLT材料的力学性能,其顺纹抗弯弹性模量比普通结构CLT值提高17.6%,将LVL置于芯层(横向层),SPF作为表层形成的混合CLT材料力学性能低于普通结构CLT性能。     

边界骨柱对石膏面板轻木剪力墙抗剪性能的影响研究北大核心

采用木基结构板材的轻型木结构,其剪力墙的抗剪强度和抗剪刚度由面板和面板钉构造情况决定。当采用石膏面板时,剪力墙的失效主要由面板钉节点破坏导致,在受力后期木骨架将承担一定的墙体剪力,因此应考虑木骨架特别是边界骨柱对剪力墙抗剪性能的影响。通过对石膏面板轻型木结构剪力墙的单调加载试验,分别研究了有无墙面板、边界单骨柱和边界双骨柱对墙体剪力分配比例、抗剪强度和抗剪刚度等的影响。结果表明:边界骨柱对石膏面板轻型木结构剪力墙墙体抗剪承载力影响不大,但可提高抗剪刚度;采用边界双骨柱时可提高骨架剪力分配比例,延缓面板钉连接破坏,从而提升剪力墙抗剪性能;可采用本文提出的抗剪刚度提高系数计算边界双骨柱时墙体的抗剪刚度。     

日式剪力墙覆面板钉连接性能试验研究

剪力墙是日式梁柱式木结构最主要的抗侧力构件,其抗侧力取决于覆面板钉连接的性能。按照日式剪力墙构造制作剪力墙覆面板钉连接试件,分别进行单调和往复加载试验,分析钉连接的破坏模式、荷载-位移曲线及承载力,并对相关曲线进行拟合分析。研究表明,加载方式对钉连接测试结果有明显影响;落叶松胶合板和辐射松/杨木复合胶合板的覆面板钉连接性能均较好,二者承载力相近。     

空心胶合木梁柱式结构抗侧力性能研究

为研究空心胶合木梁柱式结构体系抗侧力性能,对纯框架及框架-人字撑两种单跨结构试件进行了单调及低周反复加载试验,考察了结构破坏模式、耗能能力、刚度等抗震性能。结果表明:纯框架与框架-人字撑结构均具有一定抗侧力性能,但纯框架结构承载能力较弱,不建议单独用于工程实践;框架-人字撑结构具较大抗侧刚度及承载力,分别为纯框架的6.3倍及2.68倍,但其延性仅为纯框架的67%。两种结构失效前强度退化小于30%,具足够剩余承载力。     

正交胶合木销槽承压性能研究进展北大核心

对正交胶合木(CLT)销槽承压性能研究进行了系统回顾。归纳总结了木材销槽承压性能测试标准,分析比较了不同测试方法的优缺点,梳理了销槽承压性能影响因子,并对现有CLT销槽承压性能计算公式进行整理。研究表明:CLT销槽承压性能与木材销槽承压性能有较大区别,除木材销槽承压的影响因素外,层板材料和组坯结构、销类连接件打入和加载方向、横向层厚度占比等对CLT销槽承压性能也有很大影响。建议针对主要因素进行深入研究,建立统一的CLT销槽承压性能理论预测公式,并对采用国内材种研发的CLT销槽承压性能展开系统研究。     

自攻螺钉连接正交胶合木抗剪承载力研究

采用自攻螺钉(Self-tapping screw,STS)连接正交胶合木(Cross-laminated timber,CLT),对5种不同参数的连接试件进行单调加载和分级加载试验,测试其抗剪承载力。结果表明,增加STS长度、直径,可明显提高CLT连接试件的抗剪承载力;钉入角度为45°比钉入角度30°时的抗剪承载力提高了28.3%;主侧材对接、STS左右双向斜钉是一种较优的连接形式,比搭接的抗剪承载力提高了50.7%。     

加拿大西部铁杉正交胶合木胶合性能与耐久性初探

以加拿大西部所产铁杉锯材为基材,采用单组分聚氨酯(PUR)和双组分异氰酸酯(EPI)两种不同胶黏剂,0.28 MPa和0.83 MPa两个不同压力参数,制造正交胶合木(CLT)小样(609 mm×609 mm),对其进行胶层剪切测试和浸渍剥离测试,分析判断胶黏剂种类和压力对铁杉CLT胶合性能和耐久性的影响。试验结果表明:胶黏剂种类和压力大小对cLT的胶合性能、剪切破坏中木材破坏率和耐久性均有显著影响:当使用单组分聚氨酯(PUR)、压力0.83 MPa时,相比于0.28 MPa,其胶层剪切试验中木材破坏率更高;浸渍剥离试验中胶层剥离率更低。虽然在北美现行标准中尚没有利用加拿大铁杉制造CLT的相关规定,但加拿大铁杉的各项性能符合CLT制造的要求。建议进行进一步研究,制定合理的工艺参数,将加拿大丰富的铁杉资源用于制造CLT。     

焊钉连接件直径对钢-HSSFC界面受剪性能的影响

为研究大直径焊钉连接件在高强钢纤维混凝土(HSSFC)中的力学性能,制作了4组共12个焊钉连接件进行推出试验,得到了不同直径焊钉连接件在HSSFC中的破坏形态、抗剪承载力和极限滑移量,并对规范承载力公式进行了修正。结果表明:对于16和19 mm的小直径焊钉连接件,破坏形式以焊钉剪断为主;对于22和25mm的大直径焊钉连接件,破坏形式以焊缝破坏为主;与普通混凝土推出试件相比,采用HSSFC时,焊钉连接件的承载力有一定的提高;随着焊钉直径的增大,推出试件的抗剪刚度有较大的提高,极限滑移量则明显减小。对既有规范给定的焊钉连接件承载力计算公式进行了修正,修正后的公式与试验值吻合较好,与收集到的92个采用不同类型混凝土、不同强度等级(C60~C100)、不同焊钉直径(16~30 mm)的推出试件试验值均较为吻合,表明该修正公式适用范围较广,可作为钢-HSSFC大直径焊钉剪力键的设计参考。     

冷弯薄壁型钢-稻草板组合墙体抗剪性能研究

为研究冷弯薄壁型钢-纸面稻草板组合墙体力学性能,对4面冷弯薄壁型钢-纸面稻草板组合墙体试件进行了单调水平抗剪性能试验。分析了各试件破坏形态和破坏过程,得到组合墙体的屈服荷载、极限荷载及延性系数、抗侧移刚度等性能指标。研究结果表明:冷弯薄壁型钢与纸面稻草板通过自攻螺钉连接组合方式合理,组合效应良好;组合墙体经历弹性、弹塑性、破坏三个阶段,其主要破坏模式为边立柱底部局压屈曲,部分纸面稻草板在螺钉孔处被撕裂;组合墙体具有较大的抗剪承载力,延性系数和抗侧移刚度等指标表现良好;施加上部竖向荷载使组合墙体抗剪承载力降低,带有斜撑的组合墙体能够显著提高抗剪承载力。该组合墙体抗剪承载力和抗侧移刚度对于实际工程具有参考意义。     

单调荷载下三层正交胶合木企口节点的剪切性能

为了研究3层正交胶合木(CLT)企口连接的连接性能,对3种不同榫头长度的正交胶合木企口连接试件和传统半搭接连接试件进行准静态单调加载剪切测试。分析企口试件的破坏模式,比较企口试件与半搭接试件在承载能力、刚度以及延性方面的改变,并对比3种不同榫头长度对CLT企口节点抗剪性能的影响。测试使用全螺纹自攻螺钉,垂直CLT板宽面单侧打入,企口连接的榫头长度分别为35,50和65 mm,半搭接连接的搭接长度为50 mm。参照欧洲标准EN 26891-1991进行准静态单调加载。结合试验现象和数据进行了分析比较,结果表明:企口试件的主要破坏现象为STS屈服、钉帽拉穿和木材销槽承压破坏,同时,得益于企口连接的剖面形状,试件在整个加载过程中保持了良好的完整性,未发生面外偏转。半搭接试件易发生面外偏转、钉尖拔出、构件分离。3种榫头长度的企口连接相较半搭接连接在最大承载力、初始刚度和延性方面都有提升。榫头最长的TG-65组试件力学性能相对较好,较半搭接HL-50组试件承载力提升23%、初始刚度提升200%、延性系数提升206%。     

斜螺钉2种角度不同组合形式对钢板-正交胶合木剪切性能的影响

【目的】制作一种采用自攻螺钉连接的钢板-正交胶合木节点，探究螺钉不同钉入角度不同组合形式对节点力学性能的影响，并依据现有的理论计算模型与试验值比较对计算模型进行优化，为新型连接件的开发和应用提供理论模型和参考。【方法】参考美国标准（ASTM D1761-12）以1 mm·min^-1的速度匀速加载，对夹角为45°和90°2种自攻螺钉钉入角度进行6种不同组合形式的抗剪试验，记录分析受剪切节点的破坏形态并对比各组试件的荷载-位移曲线、承载力、刚度和能量耗散。【结果】试件主要破坏模式包括2颗钉同时被剪断、钉未被剪断但产生塑性铰和钉未被剪断但同时被拔出。6组试件均出现一侧钉被剪断的破坏模式，组J-Cross45°T和S-Double45°T出现钉未被剪断而被拔出、组S-45°T-45°C出现钉未被剪断而产生塑性铰的破坏模式。组J-Cross45°T、J-Double45°T、S-Double45°T的承载力和刚度均远高于组S-45°T-45°C、S-90°-45°C、S-90°-45°T,组S-90°-45°C的能量耗散和承载力对应位移最大。【结论】对于承载力、刚度、能量耗...     

轻型木结构剪力墙木骨架的抗侧性能

轻型木结构是以规格材作为木骨架,通过木基结构板材或石膏板覆面而成的木结构建筑,规格材与规格材、骨架与面板之间通过钉子连接.轻型木结构墙体在试验研究和实际工程中的破坏往往是由钉节点失效导致的,面板钉节点破坏后水平侧向力仅由木骨架承担,因此,单独研究木骨架水平抗侧力很重要.为了解剪力墙中木骨架在单独作用时的最大承载能力与荷...     

组坯方式对正交胶合木双向板弯曲性能的影响

【目的】近年来,随着国家在节能减排方面的要求提高,以及大力倡导使用新型绿色材料,木材作为一种传统绿色环保的建材逐渐受到人们的青睐。正交胶合木（CLT）板是近年来兴起的一种建造现代木结构建筑的新型构件,具有良好的整体性、稳定性以及较高的强度。为了研究组坯方式对正交胶合木（CLT）双向板的弯曲性能,本研究采用2种组坯方式（三层交叉和四层交叉）制作了2组厚度相同的胶合木双向板试件,研究其静力弯曲性能。【方法】用于制作试件的原材料为兴安落叶松板材与聚氨酯结构胶粘剂,制作2组、每组2个共4个正交胶合木双向板试件,通过千斤顶在板的跨中施加单点集中荷载,同时测试和分析应变、挠度和极限荷载等数据,观察裂缝开展及破坏形态,研究胶合木双向板的弯曲性能,探讨其最终破坏特征和破坏机理;运用正交各向异性弹性薄板理论对CLT双向板进行了挠度分析,并与试验结果进行了比较。【结果】正交胶合木（CLT）双向板的破坏形态主要是板底横纹受拉破坏,当加载至极限荷载80%左右时,承载能力快速下降。对于相同厚度的CLT板,四层组坯与三层组坯相比,受弯承载力提高了22.7%。【结论】对两组胶合木双向板构件的结构力学性能（平均值）进行比较,三层正交胶合木双向板与四层正交胶合木双向板相比,厚度相同的双向板在四边简支的情况下增加板的胶合层数能提高双向板的整体承载能力。正交各向异性弹性薄板理论计算正交胶合木双向板弹性阶段的挠度值与试验值吻合较好,表明提出的方法合理、可靠。     

胶合木-混凝土组合楼板受弯性能有限元分析北大核心

为研究胶合木-混凝土组合楼板受弯性能,采用ABAQUS有限元软件建立9个组合楼板模型,其中楼板部分采用实体单元,钢筋采用桁架单元。有限元分析采用三分点加载方式,研究组合楼板模型纯弯段混凝土强度、连接方式、混凝土层厚度以及胶合木厚度等因素对组合楼板抗弯强度的影响,并探究组合楼板纯弯段的破坏形态。结果表明:采用胶结加抗剪连接件连接的组合楼板其受弯极限承载力比采用胶结连接的组合楼板提高了11.35%,比采用抗剪连接件的组合楼板提高了32.64%。混凝土强度、胶合木层厚度及混凝土层厚度的增加均能提高组合楼板的极限承载力。胶合木-混凝土组合楼板表现出良好的抗弯性能,且能减少混凝土用量,发挥木材的优势,值得在实际工程中推广应用。     

空心胶合木柱轴心受压性能研究

【目的】节能环保理念越来越受关注,木材作为绿色环保的可再生建筑材料可应用在工程中,目前国内木建筑中应用的木柱主要局限于原木圆柱,为了提高木材利用率,同时降低成本,改善受力性能,满足工程需要,提出一种新型的空心胶合木柱,并进行试验研究分析。【方法】使用相同尺寸拱形锯材作为骨架,利用环氧树脂胶粘剂进行胶合,制作3根空心胶合木柱试件进行轴心加载受压试验,研究空心胶合木柱的轴压力学性能,在试验过程中通过仪器记录应变、应力和位移等数据,主要分析木柱的竖向与横向应变、竖向与侧向位移、稳定承载力等特性,并利用ABAQUS有限元软件进行建模对比分析,探讨木柱最终破坏特征。【结果】空心胶合木柱破坏形态主要是整体压屈破坏,达到极限荷载80%左右时,承载能力快速下降,侧向位移随荷载增加而迅速增大,加载过程中存在多个增长台阶;与同截面积原木圆柱比较,理论承载力提高了4.3%,计算得承载能力稳定系数为0.9,材料缺陷对轴心承载力有影响;通过有限元建模分析,材料在弹性阶段理论值与试验值吻合程度较好。【结论】空心胶合木柱应用在实际工程中是可行的,能够满足工程使用需求,充分利用小型锯材,提高了木材利用率,降低了成本,相较于原木圆柱受力性能更好。     

斜螺钉连接胶合木梁柱节点抗侧性能研究

设计了一种适用于装配式胶合木建筑的新型梁柱斜螺钉连接节点。采用全螺纹自攻螺钉将金属钢板和梁、柱分别连接,通过高强度螺栓完成梁和柱的基础连接。试验表明:3组斜螺钉连接胶合木梁柱节点低周反复试验得到的弯矩-转角滞回曲线,在拉向和压向加载循环中基本对称,呈"反S形",转角较大时,表现出一定的"捏缩"现象,随着循环次数的增加,骨架曲线的斜率逐渐减小,出现了刚度退化,表明节点在反复荷载作用下因累积吸收的能量而产生损伤;全螺纹自攻螺钉可以有效地将胶合木梁柱节点处的荷载传递到胶合柱的内部,具有较强的抗侧承载性能;节点在变形角1/100循环前,耗能能力处于较低水平,随着转角的增大,耗能能力明显增强,直至最后循环,节点仍保持较强的耗能能力。     

螺栓排列对内填钢板胶合木梁柱和梁式节点力学性能的影响

为研究螺栓排列方式对内填钢板胶合木节点力学性能的影响,对螺栓齐列、错列的胶合木梁柱节点及梁式节点进行单调加载试验。探讨节点失效模式及破坏机理,获得该类节点的弯矩-转角及荷载-位移曲线,并对节点的刚度、延性、承载能力进行分析。试验结果表明,除加载初期,螺栓与螺孔之间因初始空隙发生接触的低刚度段外,节点受力过程大致可分为弹性工作阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段。螺栓错列可以提高梁柱节点及梁式节点的受弯、抗拉承载力和极限变形：其屈服弯矩和抗拉屈服荷载相较于螺栓齐列梁柱节点及梁式节点,分别提高了35%和7.1%。螺栓错列梁柱节点在塑性阶段变形较小,其延性系数约为螺栓齐列梁柱节点的71%;螺栓错列梁式节点的塑性变形较大,延性较好,抗拉延性系数为螺栓齐列梁式节点的2.79倍。     

日本柳杉木构件内嵌钢填板销连接横纹承载性能

【目的】研究日本柳杉木构件内嵌钢填板销连接在横纹荷载作用下的破坏机制和承载性能,为木结构梁、柱构件金属件连接时梁端销连接设计提供依据。【方法】在梁端部开槽钻孔后将单个钢销连接到内嵌钢填板,分别对日本柳杉锯材梁和胶合木梁进行横纹荷载作用下的弯曲剪切加载试验,按照日本通行数据分析方法确定销连接短期承载力标准值,并与5个不同国家标准规定的屈服荷载计算值进行比较。【结果】加载初期,荷载-位移曲线呈线性关系,构件处于线弹性阶段,随着位移增加曲线呈非线性,构件进入弹塑性阶段,当位移增加到一定数值,梁端出现初始脆性开裂,荷载瞬间急速减小,随后荷载又随位移增加再次上升,加载至极限状态时,梁构件产生劈裂破坏丧失承载力;最终的破坏形态为梁构件沿销孔水平剪切面开裂、销连接屈服模式Ⅲ型;通过足尺试验得到断面尺寸120 mm×240 mm锯材梁和胶合木梁的钢填板单个销连接短期承载力标准值取决于屈服荷载,分别为8.6和13.7 k N,初始开裂对应的荷载平均值分别为15.0和21.1 k N,屈服荷载平均值分别为14.50和15.00 k N,最大荷载平均值分别为27.0和30.8 k N。【结论】胶合木梁钢填板销连接的最大荷载和屈服荷载平均值均大于锯材梁,且变异系数明显小于锯材梁,含水率低而变异小,从而导致试验获得胶合木梁销连接的短期承载力标准值明显高于锯材梁,当销连接作为中小断面梁柱构件的主要连接方式时,宜选用强度等级确定、质量合格的胶合木作为木构件,比锯材具有更高的连接承载力。梁端销连接节点承载力与单个销连接承载力和销数量具有良好的相关性,可作为梁柱节点梁端销连接设计依据。销连接部位发生销屈服后木材开裂,初始开裂取决于木材抗剪强度、横纹抗拉强度和销所在的梁高部位以及销孔到梁端的距离,发生初始开裂后钢销仍能起到支撑作用,连接节点延性较好;锯材梁和胶合木梁短期承载力标准值与标准中规定的屈服荷载公式计算值吻合度较好。各国标准中关于脆性破坏计算公式均能较好预测销连接木材的脆性破坏,与试验值比较,日本标准对于劈裂破坏的计算值最为接近,欧洲和加拿大标准的计算结果更趋于保守,我国现行标准在销连接设计中尚未考虑木材的脆性破坏,今后应进一步研究完善销连接计算公式和参数,更好地保证木构件连接安全可靠度。