研究背景

Research background

       我國(guó)位于世界竹子分布中心,竹資源極其豐富,有 39 個(gè)竹屬,占全世界 70 余個(gè)木本竹屬的一半以上,有 500 余種竹類,占全世界 1200 多種竹類的近一半。我國(guó)早期就有用原竹建造房屋的歷史,如湖南湘西的吊腳樓、西南傣族的“干闌式”竹樓等。竹子作為一種天然綠色環(huán)保材料,可以就地取材,大大降低建造成本。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,以及國(guó)家綠色環(huán)保、低碳節(jié)能等可持續(xù)發(fā)展政策的推動(dòng),全生命周期均可實(shí)現(xiàn)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)共存的竹結(jié)構(gòu)是未來的發(fā)展方向之一。

研究?jī)?nèi)容

Research contents

1、竹結(jié)構(gòu)材的研究和應(yīng)用

       原竹本身存在的局限限制了其在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用: 1) 原竹建造的房屋隨機(jī)性大,主要由于原竹直徑和長(zhǎng)度本身的隨機(jī)性和不規(guī)則性,導(dǎo)致原竹建造房屋所采用的各構(gòu)件尺寸隨機(jī)性大,因而房屋的詳細(xì)建造尺寸以及建造水平等隨機(jī)性大,技術(shù)含量低; 2) 原竹內(nèi)中空,自身的直徑和長(zhǎng)度有限且不規(guī)則,使用范圍有限; 3) 原竹因其隨機(jī)性和不規(guī)則性,無法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化大批量加工生產(chǎn);4) 原竹的各向異性造成節(jié)點(diǎn)復(fù)雜。為了解決原竹隨機(jī)性、離散性大等問題,相關(guān)學(xué)者研發(fā)出工程竹材,對(duì)工程竹材的相關(guān)性能展開研究,并將其應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中。

       目前廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)中的工程竹材主要有兩大類,一類是重組竹,一類是膠合竹。重組竹是將竹材加工碾碎成竹絲束,經(jīng)干燥后浸膠,再干燥到要求含水率,鋪放在模具中,經(jīng)高溫高壓熱固化而成的型材。重組竹的物理力學(xué)性能均較木材優(yōu)良,能夠滿足結(jié)構(gòu)用材力學(xué)性能的要求,廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)中。膠合竹是對(duì)竹材膠合工程材料的統(tǒng)稱,用于建筑結(jié)構(gòu)的主要是竹集成材和格魯斑膠合竹(Glubam)。竹集成材是一種單向平行膠合竹材(又稱為竹層積材),將竹子剖成竹篾,干燥后浸膠再干燥后,將竹篾按同一方向排列層疊組坯膠合而成。它具有很高的縱向強(qiáng)度和剛度,且目前可獲得較厚尺寸達(dá) 300 mm 的板坯,根據(jù)需要可裁成不同尺寸。竹集成材不論是力學(xué)性能還是可加工尺寸方面,均適合用作梁柱等受力構(gòu)件。Glubam 是一種雙向竹纖維膠合竹,特點(diǎn)在于不同的受力構(gòu)件可采用不同的纖維配比,充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能。增加縱、橫纖維的比例,有利于提高 Glubam 的強(qiáng)度和材料的利用率,但不合理的比例會(huì)導(dǎo)致 Glubam 板的變形較大,橫向性能較弱。目前研究中應(yīng)用最多的Glubam 板縱向纖維量與橫向纖維量之比為 4∶1,被廣泛用于梁、柱、墻骨架、桁架等結(jié)構(gòu)體系。

       工程竹材作為建筑材料具有多個(gè)優(yōu)勢(shì): 1)原材料竹材屬于短周期可再生資源,一般 3 ~ 4 年便可用于建筑材料,且生態(tài)環(huán)保; 2) 竹材的能耗低,建造相同面積的建筑物,竹子的能耗是木材能耗的 1/3,是混凝土能耗的 1/8,是鋼鐵能耗的 1/50; 3) 竹材具有良好的固碳能力,從原材生長(zhǎng)到產(chǎn)品成型,其碳排放值為負(fù),且其固碳能力明顯強(qiáng)于木材,而傳統(tǒng)的水泥、鋼材和鋁材的碳排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于竹材和木材;4) 工程竹材力學(xué)性能優(yōu)良,高于一般木材?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì),工程竹材應(yīng)用于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中,有利于推動(dòng)我國(guó)綠色建筑的發(fā)展。

       2004 年,在國(guó)際竹藤組織、中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究所和中國(guó)建筑科學(xué)研究院的合作下,在云南的屏邊小學(xué)建造了第一所以工程竹材作為建筑結(jié)構(gòu)材的竹材校舍。隨后,工程竹材就不斷應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中,主要建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用如圖 1 所示。2006—2007年,第一次在北京昌平南口建造了框架結(jié)構(gòu)的全竹結(jié)構(gòu)示范房;2008 年,經(jīng)南京林業(yè)大學(xué)張齊生院士和東南大學(xué)呂志濤院士牽頭,采用重組竹等現(xiàn)代工程竹材,在南京林業(yè)大學(xué)建造了一棟 2 層竹樓,作為現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)抗震安居示范房,為汶川地震后村鎮(zhèn)住宅的重建提供了一個(gè)可供選擇的良好方案;同一時(shí)期,江西飛宇竹業(yè)股份有限公司在江西奉新縣建造了一座竹重組材別墅;2009 年,采用肖巖課題組自主研發(fā)的 Glubam 膠合竹和工程竹結(jié)構(gòu)建造施工技術(shù),在湖南大學(xué)建造了首座現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)別墅;同一時(shí)期,在湖南省耒陽市又成功建造了蔡倫竹海公園別墅;2010 年,在國(guó)際竹藤組織的資助下,在北京紫竹院公園建成了一座竹結(jié)構(gòu)示范房,用于竹產(chǎn)品展示和茶室;2012 年,武漢華中科技大學(xué)采用竹膠合材建成了“石榴居”;2014 年,江西貴竹有限公司在沙特建造了一棟 2 層竹集成材別墅;2016 年,湖南大學(xué)采用工程竹結(jié)構(gòu)建造完成邵陽縣旗桿嶺農(nóng)莊工程;2017 年,南京林業(yè)大學(xué)在白馬小區(qū)采用竹集成材成功建造一棟三層示范房;同一時(shí)期,國(guó)際竹藤中心成功完成福建永安竹質(zhì)裝配式房屋示范工程的建造;2019 年,潤(rùn)竹綠建公司采用重組竹材在河北尚義建造了一座竹屋別墅。雖然目前竹材工程的應(yīng)用不斷提多,但由于工程竹結(jié)構(gòu)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較少,導(dǎo)致工程竹的建筑結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用在一定程度上受到制約,因此,需要建立工程竹領(lǐng)域的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),從而進(jìn)一步促進(jìn)工程竹材在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的廣泛推廣應(yīng)用,形成理論指導(dǎo)實(shí)踐、實(shí)踐再提升理論的良性循環(huán)。

a—北京南口全竹示范房; b—南京林大 2 層竹樓; c—奉新重組材別墅; 

d—湖南大學(xué)膠合竹別墅; e—湖南耒陽蔡倫竹海公園別墅;f—北京紫竹院別墅; 

g—武漢華科大“石榴居”; h—沙特竹集成材別墅; i—邵陽縣旗桿嶺農(nóng)莊工程

;j—南京林大三層示范房; k—福建永安竹質(zhì)裝配式房屋; l—尚義竹屋。

圖 1 工程竹的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用

2、螺栓連接的研究

       費(fèi)本華等對(duì)主側(cè)材均為竹結(jié)構(gòu)材的螺栓連接件的承載力和破壞模式進(jìn)行了靜載試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,連接結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度、剛度和很好的延性,采用美國(guó) NDS 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中“5% 偏移法”計(jì)算單個(gè)螺栓承載力,作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是合理的。多螺栓連接中由于螺栓受力不均需引入折減系數(shù),本研究中的折減系數(shù)為 95% 且破壞模式為主板、夾板和螺栓同時(shí)達(dá)到其極限承載力的理想破壞模式,因此試件具有很好的整體受力特征。

       為進(jìn)一步研究主側(cè)材均為工程竹材的螺栓連接性能,楊瑞珍通過對(duì)膠合竹螺栓連接件的承載能力和破壞形態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究(圖 2),得到了與費(fèi)本華相同的研究結(jié)果。

a—中間主材厚 28 mm; b—中間主材厚 56 mm。

圖 2 膠合竹螺栓連接節(jié)點(diǎn) mm

       周愛萍等通過對(duì)重組竹-鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究(圖 3),結(jié)果表明:側(cè)材厚度增大,節(jié)點(diǎn)承載力、延性系數(shù)均增大,破壞模式由單純的銷槽承壓破壞變?yōu)橥瑫r(shí)發(fā)生螺栓受彎屈服和銷槽承壓破壞;當(dāng)兩邊側(cè)材總厚度與螺栓直徑之比(厚徑比)為5 時(shí),處于兩種破壞模式的臨界點(diǎn);與側(cè)材厚度的影響相同,螺栓端距增大,節(jié)點(diǎn)承載力增大,存在臨界端距為 7 d (d 為螺栓直徑)。將試驗(yàn)結(jié)果與中美規(guī)范節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn) GB50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和美國(guó)木結(jié)構(gòu)規(guī)范 ANSI/AF&PA NDS-2012 的計(jì)算結(jié)果偏于保守,誤差較大。

a—側(cè)視圖; b—正視圖。

圖 3 重組竹鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)

       王辰熙通過對(duì)鋼填板膠合竹螺栓連接進(jìn)行試驗(yàn),進(jìn)一步探究厚徑比、螺栓順紋端距、橫紋邊距、間距等構(gòu)造因素對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響,并提出鋼填板膠合竹多螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載力計(jì)算公式。

       相關(guān)學(xué)者也對(duì)工程竹鋼夾板螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)的研究,如 Yang 等對(duì)鋼夾板-glubam 單螺栓連接試件進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明:順紋試件均發(fā)生剪切屈服,橫紋試件發(fā)生凈截面拉斷,端距是決定順紋連接承載力的決定性因素,而邊距對(duì)橫紋連接的承載力影響更大,并且順紋連接比橫紋連接具有更高的承載強(qiáng)度和延性。同時(shí)采用“5% 偏移法”計(jì)算螺栓連接的屈服荷載,并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出了螺栓連接承載力的計(jì)算公式。

       鐘永等對(duì)竹層積材鋼夾板螺栓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承壓試驗(yàn)和 ABAQUS 有限元模擬研究,試驗(yàn)與有限元結(jié)果吻合良好,并分析了竹層積材厚度和螺栓直徑對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度、屈服荷載和破壞形式等力學(xué)性能的影響。

       崔兆彥等對(duì)重組竹鋼夾板螺栓連接進(jìn)行受拉試驗(yàn)(圖 4),進(jìn)一步得出:隨螺栓直徑、端距和間距增加,螺栓連接承載力增加,當(dāng)試件厚徑比為5.0 ~ 5.7 時(shí),螺栓連接破壞形態(tài)為單鉸屈服模式,厚徑比為 8.0 ~ 10.0 時(shí)為雙鉸屈服模式,此結(jié)論與周愛萍等的研究結(jié)論不同。筆者分析原因認(rèn)為主要是由于螺栓連接節(jié)點(diǎn)的形式不同造成的。將試驗(yàn)結(jié)果與 GB 50005—2003、《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》和 Eurocode 5 計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)規(guī)范計(jì)算結(jié)果較為保守,Eurocode 5 計(jì)算公式具有更好的適用性。

圖 4 重組竹鋼夾板螺栓連接節(jié)點(diǎn)受拉試驗(yàn)

       在以上研究基礎(chǔ)上,李霞鎮(zhèn)等通過試驗(yàn)對(duì)重組竹鋼夾板單螺栓連接受壓承載力進(jìn)行理論分析(圖 5),得到節(jié)點(diǎn)承載力受螺栓直徑、主構(gòu)件厚度和端距三因素共同影響,Foschi 理論模型能夠較為全面地反映節(jié)點(diǎn)整個(gè)受力過程。采用 GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和 Eurocode 5 得到的計(jì)算值與試驗(yàn)值之間均存在一定安全富余空間,但采用 GB 50005—2017 的計(jì)算誤差相對(duì) Eurocode 5 較小,可以較好地預(yù)測(cè)重組竹-鋼夾板螺栓連接的承載力。此結(jié)論與崔兆彥等的研究不同,筆者認(rèn)為主要原因是 GB 50005—2017 在 GB 50005—2003 的基礎(chǔ)上對(duì)螺栓節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式做了修正,使2017 版更適用于不同材質(zhì)、不同強(qiáng)度等級(jí)的構(gòu)件組合而成的連接節(jié)點(diǎn),且 Eurocode 5 的承載力計(jì)算考慮了“繩索效應(yīng)”,導(dǎo)致誤差偏大,因而 GB 50005—2017相比 GB 50005—2003 和 Eurocode 5,能較好地預(yù)測(cè)重組竹-鋼夾板螺栓連接的承載能力。

a—正視圖; b—側(cè)視圖。

注: e 為端距; d 為螺栓直徑; c 為構(gòu)件厚度。

圖 5 重組竹鋼夾板螺栓連接節(jié)點(diǎn)受壓試驗(yàn)

       相關(guān)學(xué)者對(duì)不同種類的螺栓連接形式進(jìn)行了一定的研究,包括工程竹材螺栓連接、鋼填板螺栓連接以及鋼夾板螺栓連接等,考慮了螺栓直徑、螺栓端距、螺栓行距、螺栓間距等構(gòu)造要求,以及鋼填板或鋼夾板厚度等多個(gè)影響參數(shù),研究得到了不同參數(shù)對(duì)螺栓連接力學(xué)性能及破壞模式的影響規(guī)律,并通過將國(guó)內(nèi)外木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范得到的計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析,探究了不同木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)工程竹結(jié)構(gòu)螺栓連接的適用性。雖然在一定程度上木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范可以預(yù)測(cè)工程竹結(jié)構(gòu)的承載力,但是采用木結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范預(yù)測(cè)工程竹結(jié)構(gòu)螺栓連接的承載力存在較大的誤差,分析認(rèn)為雖然竹材與木材有一定的相似性,但是二者在宏觀和微觀構(gòu)造上均存在本質(zhì)的差異。由于目前工程竹結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范相對(duì)較少,因此有待對(duì)工程竹結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步研究,盡快制定符合工程竹結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),從而指導(dǎo)其工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

3、梁柱螺栓節(jié)點(diǎn)的研究

       李玉順等對(duì)鋼-竹組合結(jié)構(gòu)梁柱邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究,節(jié)點(diǎn)采用鋼套筒、T 型鋼連接件和螺栓以實(shí)現(xiàn)組合梁柱之間的連接(圖 6),得到了梁柱節(jié)點(diǎn)的耗能系數(shù)、延性系數(shù)等抗震性能指標(biāo),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)點(diǎn)區(qū)連接件理論轉(zhuǎn)角計(jì)算方法分析,得出螺栓強(qiáng)度等級(jí)和根數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切變形和組合梁柱節(jié)點(diǎn)的極限承載力影響不大,但節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼套筒焊腳尺寸和加勁肋的設(shè)置變化對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和抗震性能指標(biāo)影響顯著。在此基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步研究此節(jié)點(diǎn)對(duì)鋼-竹組合框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,李玉順等建立 6 榀 2 層鋼-竹組合框架數(shù)值模型,對(duì)其進(jìn)行了地震作用下的有限元分析,結(jié)果表明:其滯回曲線飽滿,抗震性能突出,提高節(jié)點(diǎn)處螺栓的強(qiáng)度和設(shè)置加勁肋能顯著提高鋼-竹組合框架的抗震性能。

圖 6 鋼-竹組合梁柱邊節(jié)點(diǎn)

       Huang 等對(duì)鋼-竹組合梁柱連接節(jié)點(diǎn)做了進(jìn)一步研究,提出了一種新型的鋼-竹組合框架半剛性連接的耗能裝置(圖 7)。通過對(duì)不同耗能板長(zhǎng)厚比的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)框架的損壞可以限制在耗能板處,且具有足夠的初始剛度、強(qiáng)度和延性,并提出了連接承載能力的簡(jiǎn)化公式,與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。在此研究基礎(chǔ)上,Wang 等提出了該節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型,并通過有限元模擬驗(yàn)證其有效性;為進(jìn)一步驗(yàn)證該耗能節(jié)點(diǎn)的抗震性能,對(duì) 5層 3 跨鋼-竹組合結(jié)構(gòu)框架在地震作用下的時(shí)程分析進(jìn)行了數(shù)值模擬。

圖 7 鋼-工程竹組合結(jié)構(gòu)耗能節(jié)點(diǎn)

       根據(jù)實(shí)際工程中的應(yīng)用,馮立等選取具有代表性的螺栓連接膠合竹梁柱框架試件(圖 8),通過試驗(yàn)研究梁貫通式螺栓連接節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力性能。結(jié)果表明,節(jié)點(diǎn)螺桿群中的螺桿受力不均,節(jié)點(diǎn)的破壞模式主要是膠合竹的撕裂,在構(gòu)造合理的條件下,受力較小的螺桿也可參與抗震耗能。同時(shí)根據(jù) GB 50005—2003 以及美國(guó)規(guī)范 ANSI/AF&PANDS-2012 計(jì)算出膠合竹螺栓節(jié)點(diǎn)抗剪承載力,將其與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)計(jì)算值均偏于保守。

圖 8 膠合竹結(jié)構(gòu)梁柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)

       在多螺栓連接受剪性能研究的基礎(chǔ)上,冷予冰提出多螺栓連接在彎矩和剪力共同作用下受力性能的研究,設(shè)計(jì)了鋼填板螺栓節(jié)點(diǎn)和外包鋼板螺栓節(jié)點(diǎn)兩種工程竹梁柱節(jié)點(diǎn)(圖 9),通過試驗(yàn)對(duì)比分析得出,采用外包鋼板螺栓連接有利于增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的抗側(cè)性能。

a—鋼模板螺栓節(jié)點(diǎn); b—外包鋼板螺栓節(jié)點(diǎn)。

圖 9 膠合竹梁柱節(jié)點(diǎn)

       以上研究的梁柱螺栓節(jié)點(diǎn)很好地解決了梁柱的連接,但不能同時(shí)解決柱柱連接的問題。周軍文等設(shè)計(jì)了一種既可以完成梁柱構(gòu)件連接,又可實(shí)現(xiàn)柱子豎向連接貫通的新型裝配式節(jié)點(diǎn)(圖 10),通過試驗(yàn)研究節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響因素及規(guī)律。結(jié)果表明:增加節(jié)點(diǎn)梁翼緣鋼板厚度既可以提高承載力,又可以增加節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力;增加柱套鋼板的厚度可以提高節(jié)點(diǎn)的承載力和初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。在對(duì)節(jié)點(diǎn)靜載試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,周軍文等又進(jìn)行了循環(huán)荷載試驗(yàn),研究不同柱套鋼板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)地震作用力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)柱套鋼板越厚,節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度越大,但耗能能力變差。

a—節(jié)點(diǎn)分解; b—節(jié)點(diǎn)連接。

圖 10 新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)

       綜上,學(xué)者們對(duì)不同形式的梁柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)研究,分別探究了梁柱節(jié)點(diǎn)靜力性能和抗震性能的影響因素,以及不同因素對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞模式的影響規(guī)律,結(jié)果表明,不同形式的節(jié)點(diǎn)通過控制影響參數(shù)均具備較好的抗震性能。但目前關(guān)于梁柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載力理論研究相對(duì)較少,現(xiàn)有研究中依據(jù)木結(jié)構(gòu)規(guī)范得到的承載力計(jì)算值均與試驗(yàn)值存在誤差。因此,未來可考慮對(duì)相關(guān)的梁柱螺栓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深入的理論研究,得到適用于工程竹材梁柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)承載力的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法,從而指導(dǎo)相關(guān)梁柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)的工程設(shè)計(jì),有利于其在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。

4、螺栓連接的研究

       螺釘連接是工程竹材連接的基本形式之一,承受的荷載可分為兩個(gè)方向:垂直于螺釘桿的側(cè)向剪力以及平行于螺釘桿的拔出力,因此握釘力和側(cè)剪承載力是衡量螺釘連接節(jié)點(diǎn)性能的兩個(gè)基本強(qiáng)度指標(biāo)。

       李吉慶等通過對(duì)竹集成材的 3 種螺釘連接進(jìn)行試驗(yàn)(圖 11),研究得出螺釘種類對(duì)螺釘?shù)奈蔗斄τ绊戄^小,減小導(dǎo)孔直徑、提高擰入深度能顯著提高螺釘連接強(qiáng)度,并建議螺釘導(dǎo)孔直徑為螺釘公稱直徑的 80% ~ 90% 較合適。在此基礎(chǔ)上,劉學(xué)莘等采用相同的參數(shù)和試驗(yàn)方法,對(duì)重組竹的握釘力進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到相同的結(jié)論,并建議重組竹的導(dǎo)孔直徑可設(shè)為螺釘公稱直徑的 75%。張恒旺也做了進(jìn)一步研究并得到相同結(jié)論,但建議導(dǎo)孔直徑取螺釘直徑的 70%,同時(shí)提出順紋方向的握釘力比橫紋方向的差,握釘力隨著拆裝次數(shù)的增加而降低。

圖 11 竹集成材螺釘連接

       Chen 等通過試驗(yàn)研究重組竹螺釘連接的握釘力,如圖 12 所示。研究得出:螺桿直徑、螺桿類型和加載速率對(duì)握釘力沒有顯著影響,隨著導(dǎo)孔直徑的增大,握釘力減小,并建議導(dǎo)孔直徑為螺釘公稱直徑的 60% ~ 85%。

圖 12 重組竹材螺釘連接

       鄭維等對(duì)竹膠板覆面剪力墻中釘連接的承載性能進(jìn)行試驗(yàn)(圖 13),其中,墻骨采用工程木材,竹膠板作為覆面板。研究發(fā)現(xiàn):橫紋加載的極限承載力略高于順紋加載的,竹膠板厚度和板端距的變化對(duì)竹膠板覆面釘連接力學(xué)性能的影響不大;采用自攻螺釘?shù)闹衲z板覆面釘連接的彈性剛度和極限承載力約為采用普通圓釘、鋼射釘時(shí)的 4 ~ 5 倍,大大提高了竹膠板覆面剪力墻的抗側(cè)力性能。在此研究的基礎(chǔ)上,又增加一側(cè)墻骨,對(duì)墻骨-竹膠板-墻骨形式的竹膠板雙剪螺釘連接的承載性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到其承載力與單剪相同的結(jié)論,并提出我國(guó) GB 50005—2017 預(yù)測(cè)的雙剪螺釘連接的屈服模式有較好的準(zhǔn)確性,但計(jì)算的極限承載力偏低。

a—順紋加載; b—橫紋加載。

圖 13 竹膠板覆面剪力墻中釘連接

       Li 等對(duì)冷彎薄壁型鋼框架剪力墻與工程竹板覆面板釘連接進(jìn)行試驗(yàn)(圖 14),結(jié)果表明:隨螺釘直徑的增加,連接試件的剛度和峰值載荷均增加,但延性系數(shù)變化不大;隨螺釘端距的增加,峰值荷載增大,但剛度和延性系數(shù)變化不大;隨加載速率的增加,彈性剛度、峰值荷載和延性均減小;并提出工程竹板具有良好的力學(xué)性能,可以作為冷彎薄壁型鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)的有效覆面板。

a—試驗(yàn)加載裝置; b—加載示意。

圖 14 冷彎薄壁型鋼框架剪力墻與工程竹板覆面板釘連接

       與上述研究中主側(cè)材的選取不同,Sinha 等將竹集成材作為框架主材,刨花板(OSB 板)作為護(hù)面板,通過試驗(yàn)研究了竹集成材-OSB 板螺釘連接的側(cè)向承載力。結(jié)果表明,屈服前平行于竹集成材墻骨纖維方向加載試件的承載力,比垂直于纖維方向加載的高。

       陳國(guó)等對(duì)主側(cè)材全部采用竹集成材釘節(jié)點(diǎn)做了進(jìn)一步試驗(yàn),如圖 15 所示,研究釘連接構(gòu)造要求對(duì)釘節(jié)點(diǎn)承載性能和破壞模式的影響,結(jié)果表明:釘節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能主要取決于端距和中距,而邊距和行距的影響較小;釘子構(gòu)造要求的布置對(duì)破壞模式影響顯著,當(dāng)滿足最小容許要求時(shí),以銷槽承壓破壞模式為主,表現(xiàn)出較好的延性特征;并提出 Folz模型能較好地反映釘節(jié)點(diǎn)在各個(gè)受力階段的荷載-位移本構(gòu)關(guān)系,而基于 Foschi 和 Hassanieh 模型預(yù)測(cè)的彈塑性階段的釘節(jié)點(diǎn)荷載-本構(gòu)關(guān)系結(jié)果偏于保守。

圖 15 竹集成材釘節(jié)點(diǎn)

       綜上所述,相關(guān)學(xué)者已對(duì)工程竹螺釘連接進(jìn)行了少量的研究,目前研究中根據(jù)螺釘受力方向的不同,可以分為螺釘抗拔連接和螺釘抗剪連接兩種。關(guān)于螺釘抗拔連接,現(xiàn)有研究考慮了螺釘直徑、螺釘種類、導(dǎo)孔直徑、螺釘錨固深度和擰入方向等多個(gè)因素,主要探究了不同因素對(duì)螺釘抗拔連接握釘力的影響規(guī)律,不同學(xué)者根據(jù)各自的研究結(jié)果分別給出了導(dǎo)孔直徑建議值的取值?，F(xiàn)有關(guān)于螺釘抗剪連接的研究多集中在竹材剪力墻覆面板的螺釘連接方面,研究結(jié)果表明,螺釘抗剪連接的承載性能和破壞模式主要受螺釘特性、螺釘端距等構(gòu)造要求和加載方向的影響,并給出了螺釘連接相關(guān)構(gòu)造要求的建議取值。

       進(jìn)一步分析上述研究認(rèn)為,目前螺釘連接研究存在一定的不足。首先,現(xiàn)有研究中所用的螺釘直徑通常較小,并且現(xiàn)有的螺釘抗拔連接多屬于家具領(lǐng)域的研究,螺釘直徑一般小于 6 mm 且錨固深度在 30 mm 以下,少見螺釘直徑 6 mm 以上及錨固深度 30 mm 以上螺釘連接的研究;其次,螺釘抗剪連接多集中在竹材剪力墻覆面板的螺釘連接方面,少見鋼夾板或鋼填板工程竹材連接形式的研究,并且未見梁柱結(jié)構(gòu)螺釘連接節(jié)點(diǎn)的研究;另外,目前相對(duì)缺少相關(guān)的工程竹結(jié)構(gòu)規(guī)范,現(xiàn)有研究中對(duì)螺釘連接抗拔承載力和抗剪承載力理論計(jì)算方法的深入研究也甚少。因此,未來有待對(duì)工程竹螺釘連接進(jìn)行深入研究,通過理論分析得到承載力計(jì)算方法,并盡快制定相關(guān)的工程竹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。

結(jié)  論

Conclusions

       目前研究中的工程竹結(jié)構(gòu)的連接及梁柱節(jié)點(diǎn)主要是螺栓連接,集中于螺栓連接性能、梁柱螺栓節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的研究,但螺釘連接的研究還比較少。本文主要結(jié)論和展望如下: 

       1) 目前的研究中,關(guān)于工程竹材螺釘連接節(jié)點(diǎn)的研究相對(duì)匱乏,尤其是對(duì)于將螺釘連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于工程竹梁柱等框架結(jié)構(gòu)及鋼-竹螺釘連接的研究更少,因此這方面的研究有待進(jìn)一步深入。

       2) 目前工程竹結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范較少,節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)基本依據(jù)國(guó)內(nèi)外木結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行,雖然竹結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)類似,但通過研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有連接形式的受力機(jī)理不夠明確,對(duì)于不同的節(jié)點(diǎn)連接形式,木結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范沒有普適性,并且竹材和木材在本質(zhì)上具有一定的差別,采用木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在較大的誤差。因此,建議下一步通過大量的試驗(yàn)和理論研究,確定符合工程竹材的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算體系,為建立工程竹結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范提供依據(jù)。