膠合木植筋節(jié)點粘結(jié)錨固與抗震性能研究.pdf

1、木結(jié)構(gòu)的連接形式有多種，如榫卯連接、釘連接、螺栓連接、齒板連接及植筋連接等。隨著現(xiàn)代工程木結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的強度及剛度的要求越來越高，傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)連接形式有時很難以滿足現(xiàn)代工程木結(jié)構(gòu)對節(jié)點設(shè)計的要求。木結(jié)構(gòu)植筋連接作為一種新型的木結(jié)構(gòu)連接形式，具有強度高、剛度大、美觀且防火效果好等優(yōu)點，能夠很好地滿足現(xiàn)代工程木結(jié)構(gòu)對高性能節(jié)點的需求。植筋-膠層-木材之間的粘結(jié)性能是木結(jié)構(gòu)植筋節(jié)點結(jié)構(gòu)性能的重要影響因素之一。木結(jié)構(gòu)植筋體系涉及

2、到三種材料、二個界面，木材與植筋之間的粘結(jié)可被認為是多重介質(zhì)間的粘結(jié)錨固問題。目前，對于木材植筋內(nèi)部的粘結(jié)-滑移機理尚不完全清楚。鑒于此，本論文通過膠合木植筋節(jié)點對拉試驗，研究了不同參數(shù)對膠合木與植筋之間的粘結(jié)錨固性能的影響;理論推導(dǎo)了膠合木植筋界面粘結(jié)錨固基本變量的解析解，深入分析了膠合木與植筋之間的粘結(jié)-滑移機理，最終建立了考慮位置函數(shù)的膠合木-植筋粘結(jié)應(yīng)力-相對滑移關(guān)系;基于ANSYS平臺采用非線性彈簧單元(Combin39)對膠

3、合木植筋節(jié)點粘結(jié)性能進行有限元數(shù)值模擬;通過低周反復(fù)荷載試驗，探索性地研究了帶耗能連接件與不帶耗能連接件的膠合木梁柱抗彎植筋節(jié)點的抗震性能;基于可靠度理論，對膠合木植筋節(jié)點的粘結(jié)錨固性能進行了可靠度分析，并提出了膠合木植筋節(jié)點的抗震設(shè)計建議。本文主要研究內(nèi)容與結(jié)論歸納如下:
　　(1)通過膠合木植筋節(jié)點的對拉試驗，研究了植筋種類、植筋直徑、錨固長度及膠層厚度等對膠合木植筋節(jié)點的抗拔與粘結(jié)性能的影響。一定范圍內(nèi)，植筋的拉拔承載力隨錨

4、固長度和膠層厚度的增加，均有不同程度的增大;螺紋鋼植筋節(jié)點容易發(fā)生植筋/膠層界面破壞與木材劈裂破壞，而螺栓桿植筋節(jié)點則主要發(fā)生木材環(huán)向剪切破壞。不同種類植筋與木材之間的界面粘結(jié)-滑移工作機理存在一定差別。界面粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度分布不均勻，在加載端與錨固端附近均出現(xiàn)粘結(jié)應(yīng)力峰值，且隨著外荷載的增加，粘結(jié)應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出由加載端向錨固端逐漸轉(zhuǎn)移趨勢。對于螺紋鋼植筋，當(dāng)錨固長度達12.5d（植筋直徑）時，植筋發(fā)生屈服破壞;適當(dāng)?shù)卦黾幽z層厚度能夠

5、有效的降低界面粘結(jié)應(yīng)力集中現(xiàn)象。
　　(2)對膠合木植筋節(jié)點粘結(jié)-滑移機理進行了深入探討，提出了適合于膠合木植筋的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系模型，并進行了參數(shù)化分析。研究結(jié)果表明，不同位置處的粘結(jié)應(yīng)力-滑移關(guān)系是不同的，界面的粘結(jié)-滑移剛度沿錨固長度分布是不均勻的，呈兩端（加載端和錨固端）大而中間小的分布趨勢。
　　(3)將提出的粘結(jié)-滑移關(guān)系模型簡化為三折線粘結(jié)-滑移關(guān)系模型，理論推導(dǎo)了植筋應(yīng)力、粘結(jié)應(yīng)力及相對滑移值沿錨固長度分布

6、的解析表達式，并與試驗結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明，試驗值與理論值吻合良好。最終，基于得到的粘結(jié)錨固基本變量沿錨固長度的分布，建立起了考慮位置函數(shù)的粘結(jié)-滑移關(guān)系模型。
　　(4)基于上述提出的粘結(jié)-滑移關(guān)系模型，采用ANSYS對膠合木植筋進行有限元數(shù)值模擬。木材考慮為各向異性材料，考慮粘結(jié)位置函數(shù)的影響，采用非線性彈簧(Combin39)單元模擬木材-植筋之間的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系。通過有限元模擬獲得植筋應(yīng)力、膠層粘結(jié)應(yīng)力及木材與植筋

7、之間的相對滑移沿錨固長度的分布，并與試驗及理論值進行對比，結(jié)果表明，采用Combin39單元能夠有效地用于木材與植筋之間的粘結(jié)-滑移性能模擬，且考慮粘結(jié)位置函數(shù)得到的有限元結(jié)果與試驗結(jié)果更為接近。
　　(5)對三種帶耗能連接件的組合式膠合木梁柱植筋節(jié)點進行了低周反復(fù)荷載試驗，研究了組合式膠合木梁柱植筋節(jié)點的破壞形態(tài)、滯回性能、剛度、耗能及延性等。試驗結(jié)果表明，相比于單純的膠合木梁柱植筋節(jié)點，帶耗能連接件的組合式膠合木梁柱植筋節(jié)點的

8、延性與耗能能力得到明顯提高，其滯回環(huán)曲線相對飽滿，試驗過程中耗能連接件發(fā)生明顯的屈服，且先于植筋及木材的破壞。組合式植筋節(jié)點與純植筋節(jié)點承載力相差不大，剛度相對稍低但剛度退化要比純植筋節(jié)點小。
　　(6)基于可靠度理論，對膠合木植筋節(jié)點的粘結(jié)錨固性能進行可靠度分析，針對不同種類的植筋給出了其臨界錨固長度的可靠度解。提出了木結(jié)構(gòu)植筋的抗震錨固長度，建議其為在臨界錨固長度的基礎(chǔ)上乘以附加錨固長度增加系數(shù)，以保證地震荷載作用下，植筋屈服