竹胶板双剪连接的抗剪性能试验研究开题报告

 2021-08-08 04:08

1. 研究目的与意义

夹板剪力墙(midply)是一种性能优异的轻型木结构剪力墙体,其抗侧力性刚度、强度约为常规轻木剪力墙的两到三倍。墙骨-墙板-墙骨这种特殊的构造形式所形成的双剪钉连接是夹板剪力墙表现出优异抗侧力性能的主要原因。然而,采用常规木质结构板材(如OSB、plywood)作为夹板剪力墙的中心夹板时,常出现板边撕裂、钉子拔出和剪断等钉连接破坏,不利于夹板剪力墙充分发挥其构造上的优势。因此,可采用高强、材质均匀的竹胶合板来代替常规木质结构板材作为中心夹板,并采用自攻螺钉连接墙骨-墙板-墙骨,以期进一步提升夹板剪力墙的抗侧力性能,使其能满足多高层轻型木结构或木框架-夹板剪力墙结构房屋对墙体抗震性能的需求。

由于夹板剪力墙的抗侧力性能主要受其内部双剪钉连接的影响,所以本项目拟针对竹胶板双剪钉连接进行单调和低周反复荷载试验,研究其抗剪切性能,为后续进一步研究竹胶板夹板剪力墙抗侧力性能提供理论和数据基础。

2. 国内外研究现状分析

1.国外研究现状

在北美,木结构住宅处于市场的主导地位,木结构住宅的工业化、标准化和配套安装技术非常成熟。

有许多学者对木结构剪力墙的抗侧性能做了大量研究。

(1)2001年,Forintek [1]研究所最先提出了夹板剪力墙的概念,之后对其进行了单调加载、低周反复加载试验以及动载试验,发现其承载能力是标准剪力墙的3倍。

(2)2007年,Erol Varoglu等人[2]研究表明,夹板剪力墙在地震荷载作用下具有优越的存活特性,动载荷能力是同等标准剪力墙的2.5倍以上。为了防止由于高张力引起的端部螺栓的脆性破坏,将钢棒用于中间壁的端部以代替压紧连接器。对于这种现象的进一步理解对于在使用寿命期间经历多次地震的建筑物的地震安全评估是重要的。(3)2012年,Fernando[3]等人通过不同直径和不同加载方向的钉子和螺纹杆紧固件,确定了胶合竹的承载强度,提出了确定这些局部性质作为整体性质的函数的表达式以及关于试样宽度与紧固件直径比的支承强度的等式。

(4)2015年,JuanS.Echeverry和JuanF.Correal[4]通过测试由层压竹框架构件和护套板构成的框架连接的循环,并进行了由木框架构件和胶合板护套构成的框架连接的单调循环对比试验,得到了钉连接层压竹剪力墙的侧向承载能力的初步数值预测。

(5)1988年,Ulf Arne Girhammar和Hakan Andersson等人[5] 通过测试了四种不同类型的接头,木材的承载强度和钉子的弯曲强度研究加载或变形率对钉子木材接缝屈服荷载的影响。试点研究结果表明,钉子接头的强度可以用变形率来表示。

(6)2014年,Arijit Sinha和Byrne T[6]通过试验研究表征了层压竹木与定向刨花板连接的侧向承载能力,并研究了国际设计规范的产量模型对LBL连接的适用性。在破坏性测试之后,进一步评估来自样品的框架材料和护套材料的一部分的销轴承强度。实验结果表明,层压竹木与定向刨花板连接具有与传统的Douglas fir-OSB连接相似的横向承载能力,并且,假定材料的销轴承承载能力是已知的,用于钉连接设计的现有屈服模型可以预测在本研究中考虑的等级和尺寸的OSB护腿和LBL框架构件之间的边连接几何的屈服能力和屈服模式。

(7)1991年,J.D.Dolan[7]研究了钉子连接对木材材料的晶粒取向的依赖性,并证明了钉子的材料属性是热浸镀锌普通钉子的连接的负载-位移特性的主要参数。结果表明,改善剪力墙施工中使用的主要连接的改进也将提高对剪力墙性能的理解。

2.国内研究现状

近十年来,国内学者也对普通轻木剪力墙进行了一系列的试验研究,但起步较晚,仍与国外有着较大差距。

(8)1986年,张齐生研究发现竹胶合板是一种强度高、刚性大、强重比很高的工程结构材料,其湿涨率小,尺寸稳定,不易变形,耐候性好,且不经防火处理就已经具备良好的阻燃性能,是代替木材、塑料和薄钢板的一种理想材料。

(9)2006年,程海江[8]对6组足尺普通轻木剪力墙试件进行了单调和低周反复加载试验,主要研究了竖向荷载、翼缘墙体和开洞尺寸等参数对其抗剪强度、刚度、变形、耗能和墙骨柱上拔等性能的影响。研究结果表明:竖向荷载能显著提高木剪力墙的抗剪强度、刚度和耗能,起到与抗倾覆连接件相同的作用;此外,翼缘墙体对剪力墙的抗侧力性能也有一定的提高作用。

(10)2010年,祝恩淳[9]等人研究了国产钉连接轻型木结构剪力墙的抗侧力性能,对7组14片不同规格和构造的剪力墙进行了标准推力试验,并利用ABAQUS建立了剪力墙的有限元模型,对工作性能进行分析。

(11)2006年,陈志勇[10]研究剪力墙墙板钉连接的承载性能是否受墙板方向和墙骨木纹夹角、剪力方向和墙骨木纹夹角、多次重复荷载作用、放置时间这四个因素的影响。

(12)2013年,李智[11]等人进行了8片采用10mm厚国产竹胶合板作为覆面板,研究该类竹胶合板轻型木框架剪力墙的加工方法和抗震性能。结果表明:竹结构墙体具有良好的承载力和延性,其力学性能满足规范中对墙体抗侧力的要求。

(13)2010年,何敏娟和李征[12]为了研究中国钉应用在木剪力墙建造中的可行性,进行了面板钉连接节点试验和剪力墙有限元分析,对采用中国钉的面板钉连接节点进行加载方向垂直于木纹和加载方向平行于木纹的试验。研究结果表明:在木剪力墙的建造中,中国钉和进口钉可以相互替代使用。

(14)2011年,熊海贝等人介绍了轻型木结构框架剪力墙结构中面板与木框架钉节点低周反复试验研究。

(15)2015年,董伟博探究夹板木剪力墙钉节点的性能参数。

(16)2015年,董伟博选用SPF规格材与不同厚度的定向刨花板,依据荷载垂直或平行于木材纹理方向制作60个夹板剪力墙钉连接试件以及20个标准剪力墙钉连接试件,采用美国ASTM D 1761-12 试验标准进行单调加载试验。

(17)2016年,郑维[13]等人为研究不同构造形式对夹板木剪力墙抗侧性能的影响,对8片夹板木剪力墙试件进行了水平抗侧力试验。表示端部墙骨柱在抗拔锚栓顶部的受拉断裂是导致其整体破坏的原因,墙骨柱间距及墙肢长度变化对其抗侧性能影响较小。

参考文献:

[1] KARACABEYLI E,STIEMER S, NI C.MIDPLY shear wall system[C]//Structure Engineering Odyssey Proceedings of Structure Congress2001.2001:1一7.

[2] Varoglu E, Karacabeyli E, Stiemer S, et al.Midply wood shear wall system: performance in dynamic testing [J]. Journal ofStructural Engineering, 2007, 133(7): 1035-1042.

[3] Ramirez F, Correal J F, Yamin L E, et al.Dowel-bearing strength behavior of glued laminated Guadua bamboo [J]. Journalof Materials in Civil Engineering, 2012, 24(11): 1378-1387.

[4] Echeverry J S, Correal J F. Cyclicbehavior of Laminated Guadua Mat sheathing-to-framing connections [J].Construction and Building Materials, 2015, 98: 69-79.

[5] GirhammarU A, Andersson H. Effect of loading rate on nailed timber joint capacity [J].Journal of Structural Engineering, 1988, 114(11): 2439-2456.

[6] Sinha A, Miyamoto B T. Lateral Load Carrying Capacity of Laminated Bamboo Lumber and Oriented Strand Board Connections s [J]. Journal ofMaterials in Civil Engineering, 2014, 26(4), 741747.

[7] Dolan J D,Madsen B. Monotonic and cyclic nail connection tests [J]. Canadian Journal ofCivil Engineering, 1992, (19): 415-422.

[8]张齐生. 竹材胶合板的研究Ⅲ.竹材胶合板的物理和机械性能[J]. 南京林业大学学报, 1989, 13(2): 13-18.

[9] 程海江. 轻型木结构抗震性能研究[D]. 上海: 同济大学,2007.

[10] 祝恩淳, 陈志勇, 潘景龙. 覆面板钉连接的承载性能试验研究[J]. 同济大学学报: 自然科学版,2011, 39(9): 1280-1285.

[11] 陈志勇. 轻型木结构中剪力墙钉连接承载性能的试验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2006.

[12] 李智, 肖岩, 王睿, 等. 竹胶合覆面板轻型木结构剪力墙抗震性能研究[J]. 建筑结构学报, 2013, 34(9): 142-149.

[13] 何敏娟, 李征. 不同面板钉木剪力墙抗侧承载力试验[J]. 建筑科学与工程学报, 2011, 28(1): 1-5.

[14] 熊海贝, 化明星, 康加华, 等. 轻型木结构钉节点低周反复试验研究[J]. 结构工程师, 2011, 27(S): 195-200.

[15] 董伟博. 轻型木结构夹板剪力墙钉连接节点试验研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2015.

[16] 董伟博, 高颖, 于志明, 等. 轻型木结构夹板剪力墙钉节点试验研究[J]. 建筑结构, 2015, 45(6): 54-57.

[17] 郑维, 陆伟东, 刘伟庆, 等. 夹板剪力墙的抗侧力性能试验[J].振动与冲击, 2016, 35(19): 94-100.

3. 研究的基本内容与计划

1.研究内容:

(1)单调加载试验:根据夹板剪力墙的实际构造,选取具有代表性的双剪连接节点进行单调加载试验。试件采用竹胶板作为中心墙板,并根据竹胶板实际的厚度情况,选取两到三种适宜厚度作为参数变化;以SPF规格材作为墙骨,选取适宜长度的自攻螺钉,板端距根据实际情况考虑50mm、22mm和10mm三种变化;加载方向根据SPF墙骨纹路分为顺纹加载和横纹加载两种变化。另外,选用相似规格的镀锌螺纹钉和OSB板制作一组双剪钉连接试件进行试验,作为对比依据。

(2)低周反复试验根据上述的单调加载试验,制作相同数量、相同构造的双剪钉连接节点,并依据相关规范标准进行低周反复加载试验,检验其往复加载性能表现。

(3)总结归纳竹胶板双剪连接的破坏模式,得到各组试件的荷载-位移曲线,并给出不同构造形式下的刚度、强度、延性等各项力学性能指标,对比分析各参数变化对竹胶板双剪连接抗剪性能的影响。

(4)基于对试验结果的分析,提炼出准确、合理、有意义的结论,以进一步指导后续的相关研究。

2.具体计划:

(1)2017.2.1-2.31:文献检索、阅读,相关资料收集;

(2)2017.3.1-3.30:进行试验;

(3)2017.4.1-5.12:整理数据、绘图;

(4)2017.5.13-5.31:整理试验,论文撰写;

(5)2017.6.1-6.5:准备答辩

4. 研究创新点

采用高强、材质均匀的竹胶合板来代替常规木质结构板材作为中心夹板,并采用自攻螺钉连接墙骨-墙板-墙骨,以期进一步提升夹板剪力墙的抗侧力性能,使其能满足多高层轻型木结构或木框架-夹板剪力墙结构房屋对墙体抗震性能的需求。

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