CN108613879A - 螺栓连接木-轻集料混凝土组合梁及性能试验方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁，包括木腹板、轻集料混凝土面板和若干个螺栓连接件，螺栓连接件贯穿木腹板设置并间隔均匀的分布在木腹板上，轻集料混凝土面板通过螺栓连接件连接在木腹板的上方；本发明还公开一种螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁性能试验方法及装置。本发明的螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁连接可靠，组合梁结构刚度比基材抗弯承载能力成倍增加，弯曲呈柔性变形，使木材的柔性与混凝土的刚性完美结合，且在应用时施工便捷，安全可靠。

Description

螺栓连接木-轻集料混凝土组合梁及性能试验方法和装置

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁及受力性能试验装置和方法。

背景技术

木材具有绿色、低耗、弹性好、耐冲击等特点，木材在我国土木工程的应用历史悠久，运用榫、卯连接方式，创造了很多经典的木桥、木塔、木结构禅院等建筑。随着时代和技术的发展，基于木质材料的新型组合结构成为热点，将木材与混凝土组合，这种木-混凝土组合结构能大幅度地提高木结构的承载力。在木-混凝土组合结构的研究中，连接方式主要有栓钉、螺钉、凹槽、弯起钢筋等形式，这些连接件间距相对较大，布置较离散；连接件在荷载作用下，剪应力在连接件布置处容易产生应力集中现象。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种螺栓连接木-轻集料混凝土组合梁，还提供一种螺栓连接木-轻集料混凝土组合梁性能试验方法及试验装置。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的螺栓连接木-轻集料混凝土组合梁，包括木腹板、轻集料混凝土面板和若干个螺栓连接件，所述螺栓连接件贯穿木腹板设置并间隔均匀的分布在木腹板上，所述轻集料混凝土面板通过螺栓连接件连接在木腹板的上方。

本发明还公开一种螺栓连接木-轻集料混凝土组合梁性能试验方法，主要包括以下步骤：

(1)用不同直径的螺栓连接件及其分布间距采用不同的排列方式，制作出若干组木-轻集料混凝土组合梁试件，木-轻集料混凝土组合梁架设在支座上；

(2)在木―轻集料混凝土组合梁的木腹板和轻集料混凝土面板的界面处纵向等距离布置4组位移计，在跨中木腹板和轻集料混凝土面板截面等距离粘贴电阻应变片，跨中木腹板下方放置激光位移传感器；

(3)在轻集料混凝土面板上施加载荷；

(4)在载荷施加过程中，采集木腹板和轻集料混凝土面板界面的相对滑移量，得到荷载-滑移曲线，采集木-轻集料混凝土组合梁跨中截面的应变情况，得到载荷-应变曲线，采集木-轻集料混凝土组合梁跨中扰度，得到载荷-扰度曲线；

(5)在载荷施加过程中，观察、记录木-轻集料混凝土组合梁破坏过程及破坏形态。

进一步地，步骤(1)中的试件设置有5组，试件的参数分别为螺栓直径8mm，间距100mm；螺栓直径8mm，间距150mm；螺栓直径8mm，间距200mm；螺栓直径10mm，间距150mm；螺栓直径12mm，间距150mm。

进一步地，步骤(2)中所述位移计分别测量组合梁的跨中、距支座900mm、距支座450mm和支座处的界面滑移，所述电阻应变片测量组合梁跨中截面的应变，所述激光位移传感器测量组合梁跨中扰度。

进一步地，步骤(3)中载荷加载采用位移控制，载荷加载速率为1mm/min，当跨中挠度为15mm时加载速率变换为0.5mm/min，直到木腹板完全断裂破坏。

进一步地，步骤(4)中载荷―滑移曲线分为三种类型，分别为木―轻集料混凝土组合梁跨中位置处的滑移曲线，距离支座900mm处的滑移曲线，以及距离支座450mm和支座处的荷载-滑移曲线。

本发明还公开一种螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁性能试验装置，包括木―轻集料混凝土组合梁、载荷加载装置、电阻应变片、激光位移传感器和位移计，所述载荷加载装置设置在轻集料混凝土面板上，所述位移计分别设置在木―轻集料混凝土组合梁的跨中、距支座900mm处、距支座450mm处和支座处，所述电阻应变片竖向等距离固定设置在组合梁跨中木腹板和轻集料混凝土面板截面，所述激光位移传感器设置在木腹板跨中下方。

进一步地，所述载荷加载装置为电液伺服试验机，电液伺服试验机的作动器量程为50KN。

进一步地，所述位移计包括位移计表座和测杆，所述位移计表座设置在轻集料混凝土面板上，位移计的测杆设置在相同垂直度的木腹板上。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的螺栓连接木-轻集料混凝土组合梁试验表明，试件破坏时组合梁的木梁部分发生断裂；轻集料混凝土面板侧面未产生贯穿的裂纹、板顶面未被剪切破坏，轻集料混凝土内抗剪螺栓与轻集料混凝土粘结面发生破坏，破坏过程未见螺栓被剧烈地拔出等破坏现象，破坏模式属于延性失效；同种组合梁之间的极限承载力相差较大，其承载力性质的差异主要是由木材性能决定的；界面滑移的测试表明，组合梁中木材与轻集料混凝土相对滑移，沿着纵向长度整体分布规律一致，表明螺栓连接件的剪力传递均匀，荷载-滑移曲线显示其具有很好的滑移变形能力；螺栓连接件的抗剪承载力主要由开孔木材中贯穿的螺栓、轻集料混凝土与螺栓粘结面所提供。

因此，本发明的螺栓连接件与木材、轻集料混凝土之间粘结可靠，组合梁结构刚度比基材抗弯承载能力成倍增加，螺栓连接木-轻集料组合梁抗滑移变形能力好。采用较大直径的螺栓和合适的螺栓间距，能使螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁获取较好地组合效果，保证木材发挥抗拉和轻集料混凝土发挥抗压的力学性能，使木材的柔性与混凝土的刚性完美结合，且在应用时施工便捷，安全可靠。

附图说明

图1是螺栓连接木-轻集料混凝土组合梁结构示意图；

图2是螺栓连接木-轻集料混凝土组合梁试验装置结构示意图；

图3是组合梁的螺栓直径8mm、间距100mm的荷载―滑移曲线；

图4是组合梁的螺栓直径8mm、间距150mm的荷载―滑移曲线；

图5是组合梁的螺栓直径8mm、间距200mm的荷载―滑移曲线；

图6是组合梁的螺栓直径10mm、间距150mm的荷载―滑移曲线；

图7是组合梁的螺栓直径12mm、间距150mm的荷载―滑移曲线；

图8是组合梁的螺栓直径8mm、间距100mm的荷载―应变曲线；

图9是组合梁的螺栓直径8mm、间距150mm的荷载―应变曲线；

图10是组合梁的螺栓直径8mm、间距200mm的荷载―应变曲线；

图11是组合梁的螺栓直径10mm、间距150mm的荷载―应变曲线；

图12是组合梁的螺栓直径12mm、间距150mm的荷载―应变曲线；

图13是组合梁的螺栓直径8mm的荷载―扰度曲线；

图14是组合梁的螺栓间距150mm的荷载―扰度曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本申请的螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁，包括木腹板1、轻集料混凝土面板2和若干个螺栓连接件3，螺栓连接件3贯穿木腹板1设置，并间隔均匀的分布在木腹板1上，轻集料混凝土面板2通过螺栓连接件3连接在木腹板的上方。木腹板上开设有间距相等的通孔，通孔的内径比螺杆连接件的直径小1mm，保证螺栓连接件3与木材的紧密粘结。

本发明还公开一种螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁性能试验方法，主要包括以下步骤：

(1)用不同直径的螺栓连接件3及其分布间距采用不同的排列方式，制作出若干组木―轻集料混凝土组合梁试件，木-轻集料混凝土组合梁架设在支座6上；

(2)在木-轻集料混凝土组合梁的木腹板1和轻集料混凝土面板2的界面处纵向等距离布置4组位移计5，在跨中木腹板和轻集料混凝土面板截面等距离粘贴电阻应变片7，跨中木腹板下方放置激光位移传感器8；

(3)在轻集料混凝土面板2上施加载荷；

(4)在载荷加载过程中，采集木腹板1和轻集料混凝土面板2界面的相对滑移量，得到荷载―滑移曲线，采集木―轻集料混凝土组合梁跨中截面随高度变化的应变情况，得到载荷―应变曲线，采集木―轻集料混凝土组合梁跨中扰度，得到载荷―扰度曲线；

(5)在载荷加载过程中，观察、记录木―轻集料混凝土组合梁破坏过程及破坏形态。

步骤(1)中，试件由1个3000mm×70mm×140mm的木腹板和1块3000mm×200mm×70mm的轻集料混凝土面板2组成，轻集料混凝土面板2与木腹板1通过螺栓连接件3相连，螺栓连接件3采用直径为Φ8、Φ10、Φ12mm及长为190mm的304不锈钢螺杆加工制作而成，考虑到螺栓与木材的紧密粘结，木材钻孔时采用的钻头比螺杆小1mm，再用锤子把螺栓楔穿过孔；考虑到轻集料混凝土支模、浇筑方便，把模板平置在地面，并放入绑扎好的构造钢筋，然后将穿好螺栓连接件3的木腹板1放置在模板上，最后拌制并浇筑轻集料混凝土。试验所用的樟子松型材的实测抗拉强度为29.5MPa，顺纹抗压强度为8.1MPa，弹性模量为1.10×104MPa；轻集料混凝土配比为水泥：水：砂：轻集料：粉煤灰：减水剂＝1：0.65：0.625：0.2：0.015，实测标准养护28天立方体抗压强度22.4MPa，圆柱体抗压强度19.6MPa，棱柱体试件压缩弹性模量1.82×104MPa；实测Φ6构造钢筋的屈服强度为353.4MPa，弹性模量为189.3GPa。试件共5组，试件参数分别为螺栓直径8mm，间距100mm；螺栓直径8mm，间距150mm；螺栓直径8mm，间距200mm；螺栓直径10mm，间距150mm；螺栓直径12mm，间距150mm，如表1所示。

表1木―轻集料混凝土组合梁参数

步骤(2)中，界面滑移采用位移计测量法，在每个组合梁试件的木材和轻集料混凝土界面处，沿组合梁跨中至支座的纵向等距离布置4个电测位移计，位移计5分别测量组合梁的跨中、距支座900mm、距支座450mm和支座处的界面滑移，电阻应变片7测量组合梁跨中截面的应变，激光位移传感器8测量组合梁跨中扰度。

步骤(3)中，施加载荷采用电液伺服试验机4，电液伺服试验机4设置在轻集料混凝土面板上，作动器量程50KN。正式加载试验前，先预加载5KN，检查TDS信号和作动器工作是否正常；载荷加载采用位移控制，载荷加载速率为1mm/min，当试件跨中挠度为15mm时加载速率变换为0.5mm/min，直到木腹板完全断裂破坏。

步骤(4)中载荷-滑移曲线分为三种类型，分别为木-轻集料混凝土组合梁跨中位置处的滑移曲线，距离支座900mm处的滑移曲线，以及距离支座450mm和支座处的荷载-滑移曲线。

本发明还公开一种实现上述试验方法的试验装置，具体方案如下：

一种螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁试验装置，包括木―轻集料混凝土组合梁、载荷加载装置4、4组位移计5、若干电阻应变片7以及一个激光位移传感器8，载荷加载装置4设置在轻集料混凝土面板2上方，4组位移计5分别设置在木―轻集料混凝土组合梁的跨中、距支座900mm处、距支座450mm处和支座6处，电阻应变片7竖向等距离粘结固定设置在组合梁跨中木腹板1和轻集料混凝土面板2截面处，激光位移传感器8设置在木腹板1跨中位置下方。载荷加载装置4为电液伺服试验机，电液伺服试验机设置在轻集料混凝土面板2上，电液伺服试验机的作动器量程为50KN。位移计5包括位移计表51和测杆52，位移计5的位移计表座51设置在轻集料混凝土面板2上，位移计5的测杆52设置在相同垂直度的木腹板1上。

采用上述螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁性能试验方法取得的试验结果如下：

(1)破坏模式

在载荷施加过程中，观察、记录木―轻集料混凝土组合梁破坏过程及破坏形态。根据观察记录的结果，对于螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁试件，在极限荷载30％～50％范围内，会产生木质纤维断裂的脆响，木材的外观并没有明显变化；随着加载的继续，在加载点附近的木材木节开裂，裂纹延木节方向缓慢延伸，此时，整个组合梁的混凝土界面没有产生裂纹，界面滑移不明显，滑移反映出组合梁的刚度大。

当承载力达到极限荷载80％左右时，组合梁的轻集料混凝土面板载荷加载点处产生由顶面竖向延伸的裂纹，轻集料混凝土面板局部开裂。随着加载的持续，直至组合梁破坏失稳，木材与轻集料混凝土的粘结界面未发生明显剥离的竖向相对位移。

在80％～极限(100％)荷载期间，作为腹板的木材和轻集料混凝土面板相对滑移增加迅速，但是未发现木材与轻集料混凝土之间有水平分离现象，随着滑移的增加，承载力逐渐达到极限状态，试验组合梁腹板的木材呈现剧烈的破坏反应。

试件弯曲破坏后，凿开木材和轻集料混凝土进行观察发现，发现螺栓与木材、螺栓与轻集料混凝土粘结紧密，未见螺栓与木材、轻集料混凝土之间产生剥离现象。

(2)荷载―滑移曲线

4组位移计采集得到的荷载-滑移曲线如图3～图7所示。荷载―滑移曲线可以分为三种类型：

第一种类型是组合梁跨中位置处的相对滑移曲线，在加载过程中滑移量较小，随着荷载的增大，荷载―滑移曲线基本近似于直线上升，木腹板1与轻集料混凝土面板2粘结完好，螺栓传递剪力可靠，此阶段，植入轻集料混凝土及开孔木腹板中穿插的螺栓连接件提供了抗剪和有效的连接作用，木材与轻集料混凝土之间的滑移发展稳定，呈现“相向移动”且滑移量在0.1mm～1.2mm之间，其中，滑移量最小的组合梁为螺栓直径Φ12mm、间距150mm，滑移量最大的组合梁为螺栓直径Φ8mm、间距200mm。

第二种类型是位距离支座900mm处的滑移曲线，此处，测得的木腹板1与轻集料混凝土面板2界面滑移量随荷载增长呈速度直线上升，荷载―滑移关系呈线性关系，直到组合梁试件达到极限荷载，木腹板1底面发生撕裂破坏，试件中螺栓布置间距小(100mm)和螺栓直径大(Φ12mm)时其特征更加显著。

第三种类型，即距离支座450mm和支座处的的荷载―滑移曲线，界面滑移呈塑性变形，荷载缓慢增加，相对滑移稳持续增大，直至组合梁弯曲破坏。

(3)荷载―应变曲线

电阻应变片7采集五种组合梁跨中截面随高度变化的应变分布情况。对于螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁，在加载初期(<30KN)，应变沿截面高度应变差不明显(<500με)；随着荷载的增大，组合梁截面的应变差显著增加，在接近极限荷载(170KN)时，截面各高度处应变差急剧增大，其中混凝土板顶部压应变量在2000με～4000με之间；木腹板低部拉应变在1750με～3500με之间。

图8～图12给出了组合梁跨中截面不同高度的荷载―应变曲线。

沿着跨中截面不同高度处的应变呈现大小不同的变化，在靠近混凝土面板2底面和木腹板1顶面的界面处，界面应变几乎为0，自界面向梁上、下两边缘，应变随荷载增加变化显著增大，在轻集料混凝土面板2上边缘及木腹板1下边缘处，应变量达到最大，破坏时上、下边缘的混凝土和木材应变量分别达到最大值：4000με和3500με；截面各高度应变随着荷载的增加而增大。在组合梁承载力极限状态下，螺栓分布间距相同(如150mm)，螺栓直径为8mm和10mm时，轻集料混凝土面板2最大应变约为2000με，木腹板1的最大应变从3500με减小到1750με；螺栓直径相同(如8mm)，螺栓分布间距不同(100mm～200mm)时，轻集料混凝土面板2最大应变从2500με增大到4000με，木腹板1的最大应变从3500με减小到2250με。

(4)荷载―挠度曲线

图13～图14所示为激光位移传感器8采集组合梁的扰度，并得到组合梁试件的荷载―挠度关系曲线，组合梁试件在承载力不超过75KN的加载初期，荷载―挠度曲线呈线性关系；随着荷载增大，曲线呈非线性变化，从组合梁的界面滑移曲线以及试验过程中腹板木材的开裂导致连接件组合效果逐渐失效。组合梁的螺栓连接件3的直径为8mm而螺栓连接件3的间距为100mm时，由于排列较密，组合梁刚度大，其在承载过程中的挠度值只有螺栓连接件3的间距为150mm和200mm时的50％。组合梁螺栓连接件间距为150mm，随着连接键直径从8mm增加到12mm，组合梁刚度增加，体现为相同承载作用下的挠度值降低。

本申请的螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁试验结论：

(1)螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁的弯曲试验表明，组合梁试件破坏时，其螺栓连接件与轻集料混凝土面板之间未发生明显的剪切破坏，破坏产生于螺栓与木腹板1连接处的剪切破坏，对于螺栓型剪力连接件的破坏过程未见剧烈的破坏情形，破坏模式属于延性破坏。

(2)由于组合梁刚度较小，其弯曲过程的荷载―滑移曲线呈弹塑性情形。螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁极限承载力差异较大，其承载力主要取决于木材性能；螺栓连接木―轻集料组合梁抗滑移变形能力好。

(3)从组合梁各截面高度的应变变化可知，采用较大直径(10mm或12mm)的螺栓和合适的螺栓间距(150mm)，能使螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁获取较好地组合效果，保证木材发挥抗拉和轻集料混凝土发挥抗压的力学性能。

(4)对于螺栓连接的木―轻集料混凝土组合梁弯曲试验过程中，螺栓连接件与木材、轻集料混凝土之间粘结可靠，其抗剪承载力主要取决于开孔木腹板内螺栓抗剪榫支撑面粘结效果；轻集料混凝土具有较大的弯曲变形和抗剪能力，各种组合情况下未发生混凝土断裂、剪裂的情形。

Claims (9)

1.一种螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁，其特征在于：包括木腹板、轻集料混凝土面板和若干个螺栓连接件，所述螺栓连接件贯穿木腹板设置并间隔均匀的分布在木腹板上，所述轻集料混凝土面板通过螺栓连接件连接在木腹板的上方。

2.一种如权利要求1所述的螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁性能试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)用不同直径的螺栓连接件及其分布间距采用不同的排列方式，制作出若干组木―轻集料混凝土组合梁试件，木―轻集料混凝土组合梁架设在支座上；

(2)在木―轻集料混凝土组合梁的木腹板和轻集料混凝土面板的界面处纵向等距离布置4组位移计，在跨中木腹板和轻集料混凝土面板截面等距离粘贴电阻应变片，在跨中木腹板下方设置激光位移传感器；

(3)在轻集料混凝土面板上施加载荷；

(4)在载荷施加过程中，采集木腹板和轻集料混凝土面板界面的相对滑移量，得到荷载―滑移曲线，采集木―轻集料混凝土组合梁跨中截面的应变情况，得到载荷―应变曲线，采集木―轻集料混凝土组合梁跨中扰度，得到载荷―扰度曲线；

(5)在载荷施加过程中，观察、记录木―轻集料混凝土组合梁破坏过程及破坏形态。

3.根据权利要求2所述的螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁性能试验方法，其特征在于：步骤(1)中的试件设置有5组，试件的参数分别为螺栓直径8mm，间距100mm；螺栓直径8mm，间距150mm；螺栓直径8mm，间距200mm；螺栓直径10mm，间距150mm；螺栓直径12mm，间距150mm。

4.根据权利要求2所述的螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁性能试验方法，其特征在于：步骤(2)中所述位移计分别测量组合梁的跨中、距支座900mm、距支座450mm和支座处的界面滑移，所述电阻应变片测量组合梁跨中截面的应变，所述激光位移传感器测量组合梁跨中扰度。

5.根据权利要求2所述的螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁性能试验方法，其特征在于：步骤(3)中载荷加载采用位移控制，载荷加载速率为1mm/min，当跨中挠度为15mm时加载速率变换为0.5mm/min，直到木腹板完全断裂破坏。

6.根据权利要求2所述的螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁性能试验方法，其特征在于：步骤(4)中载荷―滑移曲线分为三种类型，分别为木―轻集料混凝土组合梁跨中位置处的滑移曲线，距离支座900mm处的滑移曲线，以及距离支座450mm和支座处的滑移曲线。

7.一种如权利要求1所述的螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁性能试验装置，其特征在于：包括木―轻集料混凝土组合梁、载荷加载装置、电阻应变片、激光位移传感器和位移计，所述载荷加载装置设置在轻集料混凝土面板上，所述移计分别设置在木―轻集料混凝土组合梁的跨中、距支座900mm处、距支座450mm处和支座处，所述电阻应变片竖向等距离固定设置在组合梁跨中木腹板和轻集料混凝土面板截面，所述激光位移传感器设置在木腹板跨中下方。

8.根据权利要求7所述的螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁性能试验装置，其特征在于：所述载荷加载装置为电液伺服试验机，电液伺服试验机的作动器量程为50KN。

9.根据权利要求7所述的螺栓连接木―轻集料混凝土组合梁性能试验装置，其特征在于：所述位移计包括位移计表座和测杆，所述位移计表座设置在轻集料混凝土面板上，位移计的测杆设置在相同垂直度的木腹板上。