文摘

dowel-type连接广泛应用于木材和竹子结构。竹子是模棱两可的有关设计计算方法的联系完全被称为木材的设计准则。steel-to-laminated竹子与顺畅钢板销连接测试进行了调查基于ASTM-D5652-15张力下的力学性能。厚度的影响,定位销直径,距离结束屈服载荷,极限荷载、初始刚度和延性的关系进行了研究。不同距离结束的屈服载荷的差异可以忽略不计。相同厚度的连接,定位销直径厚度越低,承载力越大。三种典型的收益模式和相应的荷载位移曲线的连接。通过考虑刚塑性模型,连接提出和证明的理论公式与实验结果非常吻合。它提供了一个更好的预测steel-to-laminated竹销连接的承载力与顺畅钢板。

1。介绍

由于一个简单的制造过程的优点,胶含量低,和漂亮的表面,层压竹有一个前景广阔的工程材料在建筑业(1,2]。与其他生物结构材料相比,层压竹具有较高的抗拉强度和刚度变化较少1),也就是说,建筑的目的,这将是一个比其他的更好的选择。

工程结构,连接的可靠性是结构设计的关键。叠层竹子的连接性能直接影响力量,生活的期望,和结构的鲁棒性,使得相关的研究极其重要。木材和竹子的定位销连接结构可分为单剪连接和双剪连接数量的每个销剪的面孔。multishear连接可以分为wood-to-wood连接和steel-to-wood连接从不同材料的连接主要和材料,和steel-to-wood连接包括一个钢夹板连接钢机连接。简单的形式和可靠传输武力使steel-to-wood连接的最重要的形式连接在现代木材结构,特别是dowel-type联系顺畅钢板没有钢板覆盖和良好的美学;和裂缝的发生可以很容易地观察到避免潜在的安全隐患(3]。

研究人员探索木螺栓连接的计算理论和方法。欧洲产量理论是起源于约翰森(4木材连接理论,Eurocode 5[奠定了基础5]。在美国,设计方法已经改变了从经验设计方法基于收益率理论自1991年以来。几个因素,如销直径、厚度直径比,最后距离进行了调查研究可能影响连接的承载力。Daudeville et al。6]木材进行dowel-bearing测试,表明该定位销直径对轴承的强度有影响。在一定范围内,它有一个与dowel-bearing强度正相关,和结果符合欧洲木材结构设计规范。Solitis et al。7]提出的概念thickness-to-diameter比率在1987年和相信,定位销直径、相同的螺栓接合木头的厚度越大,韧性越好。塞萨尔(8]在研究指出,当销一端距离直径比小于4,容易发生脆性断裂。柯南道尔(9)发现,增加螺栓的间距在一定范围内有助于提高关节的承载力。要求在这些螺栓结构直接影响关节损伤的形式。加载方向也被发现有重大影响的连接的性能。木材的失效模式加载平行和垂直于粮食是明显不同的。帕特尔和几何10]研究了轴承螺栓接合的属性在横向方向上,发现失效模式与木材的断裂韧性。此外,水分含量(11)和温度会影响承载力。

目前,现有的方程steel-to-wood连接的国家设计规范和标准侧重于不同的失效模式:Eurocode 5:木材结构的设计计算的承载力与边的厚度,dowel-bearing能力的材料,和定位销的直径。预测每个失效模式下的最小值作为计算结果来预测连接的承载力。类似的方法已应用于美国国家木材建筑设计规范(12)和加拿大标准(13]。

虽然竹子材料股大相似之处与木材物理力学性质方面,两种材料的区别不是可以忽略不计。有工程竹材料的研究相对较少。崔et al。14)的承载力检测螺栓steel-bamboo scrimber-steel连接,发现Eurocode 5有更好的预测精度。徘徊(15)进行了一项实验研究螺栓连接的层压竹加载平行于粮食和分析其破坏机理和承载力。一般来说,研究轴承性能的层压竹连接国内外仍然是稀缺的,并进一步探索是迫切需要的。

这项研究的目的是分析的承载力steel-to-laminated竹连接平行于加载粮食。定位销直径、厚度、和最后的距离连接已经被考虑。实验结果与现有的方程相比,和一个更精确的方程叠片竹子开发基于分析。

2。材料和试验方法

2.1。材料

原始层压竹材料的制造过程被描述具体在先前的研究16]。根据中国标准17],ASTM D143-14 [18],ASTM d5764 - 97 a (19),叠层竹子的物理和力学性能测试。风干、烘干的密度的平均值是609公斤/米³和592公斤/米³含水率为5.9%。抗压强度为59.63 MPa平行于谷物与教育部12087 MPa。相应的抗拉强度是104.16 MPa, 10820年教育部和剪切强度为17.26 MPa。层压竹垂直于谷物的抗拉强度是3.35 MPa。销是480 MPa的屈服强度和抗拉强度600 MPa。无螺纹的长度区域中间的螺丝是不少于120毫米。钢板Q345合金钢与10毫米的厚度;和槽的厚度是12毫米。

2.2。测试标本和方法

如前所述,许多因素可能会影响承载力的关系。在这项研究中,定位销直径、厚度、和结束距离选为参考因素。测试设置和前面和侧面视图的连接如图1。层压竹标本的长度是900毫米,宽度是120毫米。有人指出的结束距离连接5D6D7D,8D除了对照组是7D。不同群体的具体参数如表所示1。每个测试重复了3次。测试方法是基于ASTM-D5652-15 [20.合理调整),结合试验条件。测试进行了100吨的MTS疲劳试验机。如数据所示1 (b)和1 (c),1表示MTS致动器,2钢板的固定装置,3钢板,四个位移传感器支持,5销,6位移传感器屋顶,7标本的固定装置,和8 MTS地面锚。预压后消除初始间隙和变形的影响,标本受到单调统一的张力方向与位移控制加载。加载速率是1毫米/分钟。加载过程中停止当出现重大损害或承载力低于80%的最大负载。连接的负载是衡量测试设置。由两个位移传感器位移测量。

平均值来衡量两个位移米被选为定位销之间的相对位移和层压竹子,和负载数据结合生成荷载位移曲线。一条直线是适合初始载荷变形曲线的线性部分。行抵消了一个变形等于紧固件直径的5%。抵消线相交的加载载荷变形曲线被选为屈服载荷,F_y。弹性刚度、K₁的斜率,计算初始载荷变形曲线的线性部分。postyield刚度,K₂计算的荷载位移曲线的切线通过十字路口的初始载荷变形曲线的线性部分和通过屈服载荷的水平线。

3所示。结果和分析

3.1。的失效模式和荷载位移曲线连接

根据Eurocode收益理论,有三个产量模式为双剪连接图2。模式我代表紧固件不弯曲的情况,和木头纤维破碎发生在销没有通过裂缝。模式II代表情况紧固件产量在弯曲塑性铰点/剪切面,bearing-dominated产生的木材纤维接触侧梁的紧固件(s),分别。模式III代表情况紧固件产量在两个塑性铰点弯曲/剪切面,与有限的局部破碎的木质纤维附近的剪切面(年代)。

如图3,所有的三个收益率发生销子连接模式。当一方成员的厚度很小,直径比的厚度也小,模式我很容易发生,例如,T2-D1-L1。这主要是因为销的弯曲强度大,抗剪强度的叠层竹平行于谷物更低。但当厚度直径比足够大,发生模式III,标本T1-D2-L1。因为轴承区也变得更大、销弯曲受到约束。其他连接的失效模式属于第二模式。

方成员的失效模式下一个塑性铰的收益模式(模式II)主要是剪切破坏和分裂失败并伴随着嵌入。当一方成员的厚度小,延性较低和标本展览分裂失败。随着厚度的增加,塑性位移的增加,细长的定位销孔。标本展览分裂失败和嵌入。但当销直径较大,例如,M14 M16,标本展览剪切破坏和嵌入失败。当最后的距离连接在6的范围D8D,表现出更好的韧性和嵌入的连接失败。因此,足够的距离连接是至关重要的设计层压竹连接。

典型的荷载位移曲线如图的连接4。曲线可以分为线性分支,一个非线性分支在比例极限,内外和分支迅速下降。的影响定位销直径、厚度和结束距离连接平行于颗粒的力学性能进行了分析。如图4(一)从10毫米,定位销直径增加到16毫米,极限荷载,屈服荷载和初始刚度逐渐增加。定位销直径10毫米时,最终的位移是约20毫米,它表现出更好的韧性。随着厚度的增加,极限荷载和位移图4 (b)。30毫米厚度时,极限荷载和位移太小,就27.15 kN, 2.49毫米。最终的位移是在90 - 120毫米的范围。连接具有良好的延性和曲线变化类似于相同的直径和厚度,当距离超过6D如图4 (c)。因此,距离结束的6到8个定位销直径和厚度等于或大于7销直径叠层竹连接将提供合理的结果。

3.2。不同因素的影响

测试结果如表所示2。一系列的测量的平均值不同群体的收集。的初始刚度连接,K₁,Δ屈服位移_y屈服载荷,F_y,获得了5%的直径补偿方法。μ是延性比,μ=Δ_u/Δ_y。的变异系数的张开面积和张开体积F_u。如果交点的位移大于极限位移、极限载荷被定义为屈服载荷。极限载荷,F_u,得到的承载力连接。

的影响定位销直径、厚度、和结束距离产量和极限荷载,初始刚度和延性比图进行比较和分析5。T1-D1-L1作为对照组,相应的产量和极限载荷32.33 kN, 50.56 kN;和初始刚度和延性比43.56 kN /毫米和10.26。定位销直径,从10毫米直径增加到16毫米,产量和极限荷载和初始刚度逐渐增加,如图5(一个)。但延性比略微降低。因为定位销直径决定了定位销之间的支承面积和竹子材料但连接的直径的增加可能导致的失效模式改变结合嵌入剪切破坏和分裂失败。

至于厚度的因素,它最重要的影响初始刚度、延性比,和极限载荷的连接图5 (b)。随着样本的增加从30毫米到120毫米,极限荷载增加从27.15 kN到50.56 kN迅速和延性比从1.98增加到10.26。但当一方成员的厚度是在90 - 120毫米,厚度变化对产量没有显著影响负载。这主要是因为失效模式是相似的,和收益模式是由竹纤维的压缩屈曲,属于当地的材料属性和独立样本的总体规模。

当连接端距离的增加从5D到8D,剪切面积扩大,成员导致极限荷载略有增加。之间没有明显的相关性结束距离与屈服载荷和初始刚度,因为产量模式取决于叠层竹子的材料特性。初始刚度38-45 kN /毫米左右。结束时指出,距离是60毫米,延性系数非常小,仅为3.7。它应该避免在工程竹结构的设计。这一现象证明了连接有足够的距离可以保证连接的延性。

4所示。计算

4.1。现有的计算方法

关于连接的承载力和产生阻力,不同国家标准的木材结构有不同的计算方法。Eurocode 5 (5),三种不同的方程被用来计算相应的失效模式基于Eurocode屈服理论;和连接的承载力特征可以获得三个方程的最小值。它可以表示如下: 在哪里F_u是承载力特征每剪切面扣,kN,f_{h1 k}木材成员的嵌入强度,MPa,t₁侧梁的厚度,毫米,d定位销直径,毫米,米_y,Rk是收益率的销,N·毫米。

在加拿大木材的工程设计(13),电阻的连接,而不是收益率承载力计算根据不同的失效模式。像Eurocode 5连接得到的最小值来计算产生阻力。它可以表示如下: 在哪里F_y是产生阻力/剪切面/紧固件,kN,f₁侧梁的嵌入强度,MPa,f₂是嵌入强度的主要成员,MPa,t₁侧梁的厚度,毫米,d定位销直径,毫米,f_y销的屈服强度,MPa,然后呢ϕ_y是产生的阻力因素失败,0.8。顺畅的连接钢板,f₂可以计算为 在哪里K_sp参数,值为3.0时为低碳钢;ϕ_钢是钢板的阻力系数与销子连接,0.8为低碳钢,然后呢f_u钢的抗拉强度,MPa。

4.2。方程的叠片竹子

Eurocode收益理论是起源于约翰森木材连接理论,这对国家标准奠定了基础的木材结构。理论的基本假设如下:连接的失效模式是韧性和嵌入的理想刚塑性应力-应变关系模型。然后,根据力的平衡条件和三种收益模式的紧固件,方程表达可以确定连接的承载力。三种不同产量下的应力分布模式在刚塑性模型如图6。红色圆圈表示塑性铰,R负载容量/剪切面/紧固件,kN,f_e木材成员的嵌入强度,MPa,t侧梁的厚度,毫米,米_y是收益率的销,N·毫米。

下列方程的三种收益模式下连接可以开发计算承载力:

关于销的收益率的时刻,国家标准的计算方法是不同的木材结构。在中国木结构设计规范(21),收益率的定位销与屈服强度和方程可以表示为 在哪里的比例是塑料弹性剖面模数剖面模数,在塑料销的行为充分发展,1.7,如果没有,1.4。Wmm阻力部分的时刻³。F_yMPa销的屈服强度。

在美国设计规范对木材构造,收益率时刻与销的弯曲强度。它可以确定基于屈服载荷的5%的平均直径偏差方法或抗拉强度和屈服强度。一般来说,它是作为屈服强度的1.3倍。方程可以表示为

在Eurocode 5中,收益率时刻与抗拉强度,和方程可以表示为 在哪里f_tMPa螺栓的抗拉强度。

如前所述,M10 M12、M14 M16测试和收益率时刻72.30 kN毫米,167.70 kN毫米,271.80 kN毫米,和394.80 kN毫米。与不同的国家标准,相比美国代码计算结果与实验结果最接近;,相对偏差小于15%。接下来,方程(8)可以替换为方程(5)和(6)计算单剪承载力的关系。因此,方程可以表示为

根据边界条件的三种收益模式,方程(10)可以进一步解决,包括厚度直径比区间。它可以显示在图7。所以,上限和下限的确定模式II,方程可以表示为

叠层竹子的dowel-bearing能力是一个重要的参数来评估这种连接的承载力。以前的测试和研究22,23]建议的dowel-bearing能力层压竹平行于谷物可以表示为 在哪里f_e,票面和f_c,0支持嵌入强度和抗压强度的叠层竹平行于谷物MPa,分别。

基于上述方程,理论和实验结果的承载力和破坏模式如表所示3。与极限载荷相比,理论结果是保守的,但预测失效模式是准确的。为了获得准确的解决方案steel-to-laminated竹销连接的承载力与顺畅钢板,公式需要进一步讨论和优化分析。修改后的系数可以介绍并结合方程(11)来预测连接的承载力。为进一步分析,修改后的系数获得评估三种收益模式。模式中相应的值是1.14,1.50 1.08第二模式,模式III。当连接时,模式III,修改后的系数是最大的。通过前面的分析,当最后连接的距离是6到8销直径,他们表现出更好的延性和承载力。另外,距离结束的影响承载力的计算没有考虑连接的计算方法。足够的一端距离能保证结果的准确性和结构安全。指出,考虑到有限数量的连接,修改后的系数提出本文需要进一步验证。综上所述,修改后的方程具有更好的预测和安全steel-to-laminated竹销连接顺畅钢板。

5。结论

研究调查的承载性能dowel-type steel-to-bamboo连接顺畅钢板。定位销直径的影响,厚度、屈服载荷和结束距离,弹性刚度、极限载荷、塑料刚度和延性的关系研究。可以得出以下结论:(1)典型的荷载位移曲线和收益模式的谷物研究了平行的连接。方成员的失效模式主要是剪切破坏和分裂失败,他们伴随着嵌入失败。至于销,一个铰链产量模式已经见证了大多数。(2)不同的影响因素对连接的承载力进行了分析。定位销直径显著影响产量和极限荷载和初始刚度。当一方成员的厚度的范围90 - 120毫米,厚度变化对产量没有显著影响负载。至于最终的距离,当它在6D8D,表现出更好的韧性和嵌入的连接失败。(3)理论结果与实验结果相比,是保守的,但预测失效模式是准确的。此外,介绍了修正系数和结合理论公式预测连接的承载力,具有更好的预测和安全steel-to-laminated竹销连接顺畅钢板。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(国家自然科学基金委)(51778299)和上海工程结构安全重点实验室开放基金(2019 - kf05)。