干缩裂缝对木结构节点受力性能的影响

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干缩裂缝是影响木结构安全性和耐久性的重要因素之一,不可忽视。钢填板-螺栓胶合木节点以其传力直接、安装方便等优点成为现代木结构中应用最广泛的连接方式。由于干缩裂缝的产生,会削弱钢填板-螺栓胶合木节点的力学性能,影响木结构的整体安全性和耐久性。有关干缩裂缝对钢填板-螺栓胶合木节点的力学性能的影响还处于初步探索阶段,尚缺少实用的研究成果。本文在总结已有研究成果的基础上,采用预开缝的方式,对干缩裂缝对钢填板-螺栓胶合木节点的力学性能影响进行了试验研究、数值模拟和理论分析。论文依据试件干缩开裂试验结果,以裂缝位置、裂缝长度、裂缝深度为主要变化参数,采用人工预开缝的形式设计了12组带裂缝的钢填板-螺栓胶合木节点,进行了单调荷载试验,并按照探究目的进行分组。试验结果表明:木节点均沿梁构件的受拉侧螺栓连线位置横纹劈裂,木材达到横纹抗拉强度而破坏;钢板未发生明显的变形和破坏;梁上螺栓未发生弯曲变形,基本刚直。从试验得到的荷载-位移曲线和最终破坏形态可以看出:受压侧螺栓和梁中和轴开缝对木节点的承载力影响较小;受拉侧不同长度预开缝的节点,随着开缝长度的增加,木节点承载力降低;开缝深度相同情况下,单侧开缝的承载力降低情况相对于双侧开缝更明显;在受拉侧沿螺栓预开相等长度裂缝情况下,裂缝深度越深,对节点承载力的削弱越明显。基于有限元分析软件ABAQUS建立了钢填板-螺栓节点的有限元分析模型,均采用C3D8I实体单元来模拟木柱、木梁、螺栓以及钢填板等构件,并利用木材损伤本构定义薄弱单元来模拟预开裂缝问题,模拟结果表明预定义薄弱单元可较好的模拟试验中的预开裂缝,模拟得到的节点破坏形态、荷载-位移曲线、承载力等与试验结果对比相差较小,验证了有限元模型的正确性。在此基础上,系统分析了不同长度、不同位置、同侧异侧和不同深度预开缝的钢填板-螺栓胶合木节点的整体受力机理、节点区域的应力-应变关系和节点整体荷载-位移曲线,均与试验得出的结论相同。之后对木梁裂缝长度与螺栓直径进行参数分析,结果表明:裂缝长度越长,节点承载力越小。螺栓直径减小时,木梁破坏模式会由横纹劈裂破坏转变为单铰屈服破坏,且裂缝对破坏模式也有一定的影响。在试验和有限元研究的基础上,通过节点受力机理分析、简化假定,建立了钢填板-螺栓节点的计算模型与裂缝折减方法,推导了节点的承载力计算公式,分析了裂缝对节点承载力的影响,并与试验结果和有限元计算结果对应,具有较好的精度,可为现代胶合木结构节点的安全鉴定提供理论依据。
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