自定心胶合板梁柱节点滞回性能研究
摘要:本文研究了胶合木结构自定心梁柱节点的滞回性能。这些节点包括一个后张高强钢绞线，以提供重新定位能力，并安装了一个能量耗散装置(一个特殊的钢帽或一对钢角钢)，以增加剪切抗力和提供能量耗散。此外，在钢绞线锚固处安装碟形弹簧，以减少预拉力损失。设计了7个具有不同连接布局的足尺试件进行了一系列循环加载试验。报告了观察到的破坏模式，并评估了试件的迟滞矩-旋转响应。由于安装了消能装置，试件的抗弯矩能力和转动刚度均有所提高，但残余变形较大，因为钢构件的塑性变形较难完全恢复。监测了钢绞线预拉力的变化。监测数据表明，圆盘弹簧在正常使用条件下(即湿度/温度变化的室内环境)，能够消除钢绞线的预拉力损失。但在循环加载试验中，加盘簧的试件与不加盘簧的试件表现出非常相似的预拉力损失行为，说明盘簧无法防止大旋转变形下埋塑木引起的钢绞线预拉力损失。所以进一步，建立了自定心连接的非线性数值模型，数值结果表明，该模型能够较好地预测不同旋转变形水平下的抗弯矩能力。所提出的实验和数值研究旨在评估胶合木自定心连接的迟滞行为，这有助于开发具有增强抗震性能的创新型木材连接。
1.介绍
在开发新的抗震解决方案的同时，研究人员一直在追求抗震连接节点的改进，重点是减少结构损伤和残余变形。后张拉技术已被应用到预制混凝土结构的新连接中。后来引入了自定心的概念，用来描述结构或连接在经历较大的非线性变形后，在很少甚至没有损伤的情况下恢复到初始位置的能力。自定心连接通常依靠后张钢绞线/钢筋提供恢复力，并关闭梁端和柱面之间的缺口。在大多数情况下，耗能装置(如角钢、摩擦装置等)是必要的，以提供耗能能力，同时最小限度地损害结构构件。自2000年以来，一系列自定心连接被开发用于钢框架抗弯矩结构和预制混凝土结构。建立并验证了自定心连接的理论和数值模型，并进一步提出了设计指南。
梁-柱螺栓连接与开槽钢板是现代木框架最常用的连接方式。当遭受中等或大地震时，在这些常规连接中经常观察到具有大量残余变形的显著刚度/强度退化。后张法也被引入木结构；新西兰坎特伯雷大学首次将它用于由单板层积材制成的抗震木结构。在验证后张拉力概念后，对更大规模的试件进行了试验，包括三分之二尺度级联框架和墙体组件(纽科姆等人，2008年)、全尺寸级联梁柱连接(Iqbal等人，2016年)和三分之二尺度的三层胶合板建筑进行振动台试验(Smith等人，2014年)。苏黎世的瑞士联邦理工学院也在进行后张木结构的研究(Wanninger和Frangi, 2014年)。提议的连接节点是用云杉胶合层压木材(胶合木)制作的;采用欧洲白蜡树(白蜡)制成的硬木，在垂直于柱的颗粒区压缩处进行局部强化。在梁的中间放置了一根单根直钢筋，以提供重新收缩的力，不需要其他钢构件。在这样的连接中，梁构件通过钢腱中的预张力压向柱构件，导致梁是平行于颗粒加载，柱垂直于颗粒加载的应力情况。为了获得梁-柱界面的刚度，对小型透明木材试件进行了试验(Wanninger等人，2015年)，结果表明，局部加固硬木有效地增加了路基反作用力模量以及连接的转动刚度。此外，构建了一个单层后张木框架结构，并进行初步的动力振动试验，以确定结构的模态特性。
从以前的研究中已经注意到，因为木材在垂直于纹理加载时具有非常低的刚度和强度，所以柱面对梁端的承载性能成为后张木材连接的抗载荷性能的限制因素。而且，木材作为一种天然材料，其力学性能对温度和湿度的变化更加敏感。蠕变效应可能导致钢绞线中拉力的损失，从而进一步降低连接的抗弯能力。在中国，大多数现代木结构都是由等级为TCT21或TCT24的云杉-松树-冷杉(SPF)胶合木建造而成。根据中国胶合木结构技术规范(MOHURD 2012)，TCT21和TCT24胶合木的弹性模量和强度远低于单板层积材，这可能导致连接刚度低，且有较高的垂直颗粒破坏倾向。本文提出了一种在SPF胶合木梁-柱连接中应用自定心概念的可能解决方案。这种连接采用后张高强度钢绞线，以提供自定心能力。能量耗散是通过一个特殊的钢帽或一对与木梁连接的角钢来增加连接刚度。另一种配置，不同于以前的研究，规定盘簧应安装在高速钢绞线的锚上，以减少预张力损失。本文报告了对所提议的自定心连接的实验和数值研究，旨在为改进创新的木结构系统提高抗震性能做出贡献。
2.实验测试
2.1材料和试件样本
我们设计了7个不同连接布局的全尺寸试件，如图1所示。采用2级(NLGA 2014)北美SPF级尺寸木材作为胶合板的原料。胶合板的物理力学性能见表1。每个试件由梁(截面300times;200mm，长度1500 mm)和柱(截面250times;250mm，长度1000 mm)组成。高强度钢绞线直径15.2 mm，抗拉强度1670 MPa，梁、柱构件预定义50times;50 mm导管。试件的结构如表2所示。研究了钢绞线预张力和消能装置类型等影响因素。试件S1为基准连接，无任何耗能装置，柱端面与梁端之间放置10mm厚钢筋板。试件S2采用自攻螺钉(长度300mm，直径10mm)加固胶合板柱的垂直颗粒区。螺丝由伍尔特(产品编号0165310300,Kunzelsau，德国)用ASTM A29钢制造。对于S3-S6试件，钢帽与胶合木梁连接，起到抗剪和耗能的作用。每个钢帽都由10毫米厚的钢板组装而成，在梁端有一个预定义的5毫米厚的缩小截面，以便在循环加载期间形成屈服区。对于试件S5和S6，在锚与梁端之间安装碟形弹簧，以减少钢绞线中的预拉力损失。圆盘弹簧(也被称为贝尔维尔弹簧)是由Mubea Tellerfedern GmbH(德国)制造的，采用50 CrV 4-弹簧钢，符合德国标准化协会。根据DIN 2093 (DIN 2013)，阀瓣弹簧的设计、定径和生产工艺已经标准化。本研究使用的碟形弹簧的几何形状如图2所示:外径为100 mm，内径为51 mm;弹簧整体高度9.2 mm，厚度6 mm。试件S7安装了一对角钢来替代钢帽，这种配置是自定心连接耗能最常用的策略之一。所有钢构件(钢板、钢帽、角钢)均采用低碳钢结构钢Q235B制造，符合《中国钢结构设计规范》(2003)。标称屈服强度和弹性模量分别为235 MPa和200 GPa。试件采用符合标准的M16和M20螺栓作为紧固件。螺栓等级为8.8s。在本研究中，对七种连接布局中的每一种进行了重复测试，以验证使用自定心概念对低等级SPF胶合木连接的有效性。另一个目标是为这种连接确定更好的连接配置。需要注意的是，自定心连接的抗荷载行为会受到各种固有变量的影响(例如，木材和钢绞线的物理和力学性能，含水量等)，这个问题将在下一步的研究中进行更多的重复研究。
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