CN113076613A - 一种木材横纹销槽承压强度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种木材横纹销槽承压强度的计算方法，包括以下步骤：基于木材横纹局部受压理论计算模型，对于木材横纹销槽承压受弯试件，建立横纹销槽承压强度理论计算模型；考虑赫兹接触行为及销栓和木材的摩擦力对木材横纹销槽承压强度的影响，根据威布尔统计分布理论，得到修正函数，构建木材横纹销槽承压强度理论计算模型；考虑有效加载高度的影响，进一步优化木材横纹销槽承压强度的计算公式。本发明涉及的木材横纹销槽承压强度的测试方法与木材横纹销槽承压时的实际受力状态完全一致，且能正确反映出木材横纹销槽承压强度的真实值；涉及的木材横纹销槽承压强度计算方法考虑了所有参数的影响，且与实测值吻合较好，计算值可靠适用。

Description

一种木材横纹销槽承压强度的计算方法

技术领域

本发明涉及木结构销栓连接技术领域，具体涉及一种木材横纹销槽承压强度的计算方法。

背景技术

针对木结构销栓连接的欧洲屈服模式，木材销槽承压强度是其承载力计算的一个决定性参数。目前，通过试验测定木材销槽承压强度的方法有半孔法和全孔法；半孔法测试过程中销栓不能发生弯曲，加载面直接作用于半孔上的销栓进行平压，测试方法简单易于实现，试验结果误差较小，由于测试过程中销栓不发生弯曲，测试结果能够准确反映木材整体的销槽承压特性。但销槽承压试件只有全孔试件的一半，另一半虽没有直接承受荷载作用，但其间接限制了木材试件的变形，故半孔试件法不能真实反映销栓连接的实际情况，所得到的木材横纹销槽承压强度偏保守，且具有明显的尺寸效应。全孔法试验要求较高，试验结果的影响因素较多，木材销槽承压试件长度方向连续支撑，可以真实反映销栓连接顺纹受力的实际情况。但销栓连接横纹受力构件的横纹方向高度一般较小，对销槽承压应力难以形成有效支撑。故全孔试件法也不能完全反映木结构销栓连接横纹受力的实际情况。其中，半孔试件和全孔试件及相应加载方法被美国试验标准ASTM D5764-97a所采纳。全孔试件和相应的加载方法被欧洲试验标准EN 383-2007所采纳。国际试验标准ISO 10984-2-2009采用了欧洲试验标准EN 383中加载方法，同时包括半孔试件和全孔试件。

ASTM D5764-97a和EN 383-2007都对测试试件的尺寸和孔洞的位置做出规定，但两个规范中试件尺寸和销槽承压强度取值规定的差别较大。对于木材横纹销槽承压强度，两者都是规定采用压缩试验测定。

在ASTM D5764-97a和EN 383-2007中，木材销槽承压强度的判定方法也不同。通过试验可以得到在荷载作用下的荷载-位移曲线，将通过荷载-位移曲线上某点对应的销槽承压荷载F_e与直径d和构件厚度t乘积的比值F_e/d/t定义为木材的销槽承压强度。对于同一试验结果，ASTM D5764-97a采用5％偏移法，EN 383-2007采用5mm位移法。5％偏移法是指试验得到的荷载-位移曲线上与初始线性阶段平行的直线沿水平方向平移5％销栓直径的位移，该斜直线与曲线的交点对应的荷载定义为销槽承压荷载；5mm位移法是指试验得到的荷载-位移曲线减去实验装置在对应荷载时因变形所产生的位移，校正后的荷载-位移曲线中，5mm位移处所对应的荷载定义为销槽承压荷载。

在现有的木材横纹销槽承压强度测试方法中，半孔法测试过程中销栓不能发生弯曲，加载面直接作用于半孔上的销栓进行平压，测试方法简单易于实现，试验结果误差较小，由于测试过程中销栓不发生弯曲，测试结果能够准确反映木材整体的销槽承压特性，但与实际使用情况不完全相符；全孔法试验要求较高，试验结果的影响因素较多，也更为接近木材顺纹销槽承压时实际受力状态，但与木材横纹销槽承压时的实际受力状态不一致。

木结构销栓连接所承受荷载的方向和木材纹理方向之间的夹角对连接接节点的性能有着决定性的影响。在木材顺纹销槽承压强度判定方法中，一般情况下，5％偏移法所得到实测值5mm位移法所得基本一致，两者也基本能完全反映木材顺纹销槽承压强度的实际值。但在木材横纹销槽承压强度判定方法中，一般情况下，5％偏移法所得到实测值小于5mm位移法所得，但两者均不能完全反映木材横纹销槽承压强度的实际值。进而，所得到的木材横纹销槽承压强度计算方法所得到的计算值也不能完全反映木材横纹销槽承压强度的实际值。

综上所述，急需一种木材横纹销槽承压强度的计算方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种木材横纹销槽承压强度的计算方法，以解决现有计算方法所得到的计算值不能完全反映木材横纹销槽承压强度的实际值问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种木材横纹销槽承压强度的计算方法，包括以下步骤：

步骤一：基于木材横纹局部受压理论计算模型，对于木材横纹销槽承压受弯试件，建立横纹销槽承压强度理论计算模型，记作式(2.9)；

式中：f_e,90表示木材横纹销槽承压强度；f_c,90表示木材横纹抗压屈服强度；l_eff表示有效承压长度，h_e0表示销栓有效承压深度；d表示销栓直径；

步骤二：考虑赫兹接触行为及销栓和木材的摩擦力对木材横纹销槽承压强度的影响，根据威布尔统计分布理论，得到修正函数，记作式(2.13)

式中，H_A是一个修正函数，表示所求试件的强度，H_ref表示参考体的强度，d_ref表示参考体中销栓的直径，d_A表示所求试件中销栓的直径，

表示威布尔分布变异系数；

步骤三：修正后木材横纹销槽承压强度理论计算模型可写为式(2.14)；

步骤四：考虑有效加载高度的影响，木材横纹销槽承压强度的计算公式为：

式中：α表示有效加载高度和构件高度之比，α＝h_e/h；H_A表示一个无量纲修正参数，H_A＝10.25d^-0.555。

进一步地，木材横纹销槽承压受弯试件采用标准受弯小试件。

进一步地，以销栓承压深度为10mm所对应的荷载值或木材试件破坏所对应的最大荷载值定义为木材销槽承压荷载。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

本发明涉及的木材横纹销槽承压强度的测试方法与木材横纹销槽承压时的实际受力状态完全一致，且能正确反映出木材横纹销槽承压强度的真实值；涉及的木材横纹销槽承压强度计算方法考虑了所有参数的影响，且与实测值吻合较好，计算值可靠适用，具有重要的理论意义，对实际工程的应用具有指导作用，可以为行业相关标准《木材横纹销槽承压强度的测试方法》的编制提供参考。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是木结构销栓连接横纹受力示意；

图2是木材横纹销槽承压强度加载方法；

图3是试件滑移线场示意图；

图4(a)是木材局部横纹受压塑性区域平衡应力区域(横纹局部受压试件)；

图4(b)是木材局部横纹受压塑性区域平衡应力区域(应力区域)；

图5是函数C及其近似解；

图6(a)是横纹局部受压木材受弯试件；

图6(b)是横纹销槽承压木材受弯试件；

图7是修正参数与销栓直径的关系；

图8是威布尔分布概密函数和正态分布概密函数；

图9是木材横纹销槽承压强度-销栓位移曲线；

图10(a)是受弯试件销槽承压强度-销栓位移曲线(有效加载高度变化)(d＝12mm)；

图10(b)是受弯试件销槽承压强度-销栓位移曲线(有效加载高度变化)(d＝8mm)；

图11(a)是受弯标准试件DIC位移场测试结果(位移场分布)；

图11(b)是受弯标准试件DIC位移场测试结果(承压长度位移分布)；

图11(c)是受弯标准试件DIC位移场测试结果(承压深度位移分布)；

图12(a)是38×150×1200-12-0.5h系列试件DIC测试结果(位移场分布云图)；

图12(b)是38×150×1200-12-0.5h系列试件DIC测试结果(有效承压长度位移)；

图12(c)是38×150×1200-12-0.5h系列试件DIC测试结果(有效承压深度位移)；

图13(a)是24-144-640-5d有效承压范围(竖向位移云图)；

图13(b)是24-144-640-5d有效承压范围(有效承压长度)；

图13(c)是24-144-640-5d有效承压范围(有效承压深度)；

图14是参数拟合结果；

图15是木材横纹销槽承压强度实测值与计算值的对比。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1～图15，木结构销栓连接横纹受力的一般情况如图1所示。

木材横纹销槽承压试件为受弯试件，其测试方法如图2所示，木材横纹销槽承压试件的规格如下：4d≤h_e≤0.7h，h-h_e≥4d，跨径l≥3h，1.5d≤b≤4d；加载方式可以采用单调递增加载，控制在5min左右使试件达到破坏状态；试件破坏时的最大荷载定义为销槽承压荷载。主要步骤如下：

①按照试件的规格制作木材横纹销槽承压试件，其中，销栓孔的孔径大于销栓直径，但其量值不大于0.1倍的销栓直径；然后将试件放在恒温恒湿的环境内养护2周，其中，环境内的相对湿度为(65±5)％，温度为(20±2)°c。

②按照图2所示的方法将承压试件和销栓安装放置到位，并正确安装位移计(精度为0.01mm)，销栓和木材试件跨中底部的竖向位移之差为销栓承压深度；

③预估最大施加荷载值，荷载施加采用单调加载的方式，通过位移控制，速率一般为1mm/min左右，以期在5min～10min范围内达到最大荷载；

④以销栓承压深度为10mm所对应的荷载值或木材试件破坏所对应的最大荷载值定义为木材销槽承压荷载F_max，则木材销槽承压强度f_e，90＝F_max/b/d，其中，b为木材试件的厚度，d为销栓直径。由图1和图2的对比可知：本发明所涉及的测试方法主要创新点为采用了标准受弯小试件，且以销栓承压深度为10mm所对应的荷载值或木材试件破坏所对应的最大荷载值定义为木材销槽承压荷载。其主要优点为：本发明所涉及测试方法中的木材承压试件与木材横纹销槽承压时的实际受力状态完全一致，所得木材销槽承压强度更能反映实际工程中木材横纹销槽承压时的真实值。

木材横纹销槽承压强度计算方法中考虑了有效加载高度等各个参数的影响。其计算方法如式2.1所示。

式中：f_e,90表示木材横纹销槽承压强度；f_c,90表示木材横纹抗压屈服强度；α表示有效加载高度和构件高度之比，α＝h_e/h；h_e0表示销栓有效承压深度；d表示销栓直径(mm)，H_A表示一个无量纲的修正函数，H_A＝10.25d^-0.555

式2.1的主要思路：基于木材横纹局部受压理论模型分析木材横纹销槽承压强度计算。

(1)木材横纹局部受压计算：

对于木材横纹局部受压试件，假设加载块与木材试件接触面无摩擦力，则根据滑移线理论可得其滑移线场，图3为滑移线场示意图。由于面AA*受均布压力作用，根据滑移线场几何性质，三角形AA*B区域内是处于均匀的应力状态，且滑移线场为均匀直线场，那么此区域内主应力方向即为最高压应力方向。已知B点的静水压力p_B，根据汉基(Hencky)应力方程，则D点的静水压力p_D如式2.2所示。由于三角形AA*B区域内是处于均匀的应力状态，则压力p_B与AA*面上的压力p_S相等，试件底面压力p_O表达式如式2.3所示，其中nφ是第一条滑移线和最后一条滑移线之间的夹角。基于滑移线理论，木材局部横纹受压塑性区域滑移线场如图4所示，图中灰色线表示应力主方向，黑色线表示滑移线。

p_D＝p_B-4kφ (2.2)

p₀＝p_s-4knφ＝p_s-4kθ (2.3)

通过数值分析法建立滑移线场，结果表明夹角θ≈0.62In(2h/s)。并通过平衡方程进一步证实了此关系式的精确性。根据摩尔应力圆，试件顶面承压位置和底面支撑位置的最大主应力σ₁可以表示为式2.4，将图4(b)中关系式σ_ss＝σ₀l_eff代入到式2.4，得式2.5。此时，图4所示试件处于弹性状态时，局部压应力的扩散角约为45度，处于塑性状态时，扩散角约为34度，所以在试件的初始屈服面上l_eff＝2h+s，将此关系式带入到式2.5，则得到σ_s的计算式(式2.6)。可以把σ_s表示为关于

的函数，即

其中，C的表达式如式2.7所示。当h＞s，即l_eff＞4s时，C几乎是一个不变的函数，一般取C≈0.78，对于横纹荷载作用的销栓连接试件，一般要求受力边缘的最小边距不小于4d，图5进一步证明了此关系式的正确性。

根据木材长方体单轴抗压强度，其最大切应力k＝0.5σ₁＝0.5f_c,90，因此式2.6可以表示为式2.8。对于木材横纹局部受压强度计算，数值分析表明木材横纹局部压应力以不大于1:1.5倍梁高的角度扩散，通过塑性理论平衡方程可以解释这一应力扩散现象，并通过试验证明了有效承压长度的计算式l_eff＝2×1.5h+s。

(2)木材横纹销槽承压计算：

根据图6(a)所示木材受弯试件进行试验研究和数值模拟分析，结果表明l_eff＝3h₀+s，h₀＝0.4h≤140mm。此研究结果表明底面连续支撑的木材局部受压试件与木材受弯试件横纹局部受压强度计算有所不同。类比木材横纹局部受压理论计算模型，对于图6(b)所示木材横纹销槽承压受弯试件，考虑了销栓承压应力的传递路径和影响范围。其横纹销槽承压强度理论计算可以记作式2.9。而相比于木材横纹局部受压理论计算模型，有两点假设并不适用于木材横纹销槽承压试件，它们分别是无摩擦接触面的应力边界条件和接触面是平面的假设，这两点都将导致试件承载力的增加和滑移线的局部扭曲变形。

针对以上存在的问题，对式2.9的理论计算模型进行修正；根据库伦摩擦接触面应力边界条件，滑移线以变化的角度与接触面相交。在这种情况下，接触面上的法向正应力和水平向正应力都不是主应力，根据法向正应力和摩擦切应力可求得滑移线与接触面的夹角，该夹角一般小于45度，但是第一条滑移线和最后一条滑移线之间的夹角不变，因为它只和受约束材料的几何特性有关。对于塑形变形、局部应力重分配、微裂缝和摩擦力等复杂因素存在的销栓和木材试件接触问题，没有一个较为准确而又简单实用的解决方法。

通过选择一个考虑以上因素的函数，对木材横纹局部受压理论模型进行修正，假设该函数能代表接触试件主要的力学行为，特别是接触面减小导致承载力增大的特性。尺寸效应一般可采用威布尔(Weibull)最弱链理论，该理论已成功用于木材脆性破坏方面。尺寸效应一般不存在于木材压应力区域，而对于木材横纹局部受压试件，相对较低的应力水平也将导致微裂缝的出现，产生了更大的塑形变形和应力重分布，位于销栓下面的微裂缝将进一步发展。假设更大体积的木材横纹销槽承压试件存在微裂缝、空洞和木节等缺陷的可能性更大，这些缺陷将影响承载力，则根据威布尔统计分布理论，该函数的表达式可以写为式2.10，式中f_ref和V_ref分别表示参考体的强度和体积，f_A和V_A分别表示所求试件的强度和体积，m表示威布尔分布形状系数。假设体积V＝bhd可以表示为销栓直径的倍数，即V＝ζdηdd(ζ和η为常量)，则式2.10可以写为式2.11。

根据美国规范ASTM D5457，威布尔分布变异系数与其形状系数的近似关系如式2.12所示，且当变异系数在0.09～0.5之间时，其与精确值相差在1％以内。所以式2.11可以写为式2.13，可以初步将式2.13作为式2.9的修正函数。

(3)木材横纹销槽承压计算式的适用性：

考虑赫兹接触行为及销栓和木材的摩擦对木材横纹销槽承压强度的影响，木材横纹销槽承压强度理论计算模型2.1可写为式2.14。式2.14中，f_c,90表示木材横纹抗压屈服强度，H_A表示一个无量纲的修正参数，

为证明式2.14的适用性，结合文献资料，对指数n参数进行分析研究。

图7中的数据来源于文献的单销栓连接横纹受力木材受弯试件。根据国内外相关规范要求和本发明涉及的木材横纹销槽承压试件规格，文献数据中舍弃有效加载高度小于4d和跨高比小于3的数据，共59组219个单销栓连接横纹受力木材受弯试件数据。对于文献中的试件，木材密度在430kg/m³～455kg/m³之间，含水率在8％～12％之间，销栓直径d在6mm～35mm之间，不同文献的试件尺寸均不同，木构件材料包含欧洲云杉锯材、欧洲云杉胶合木和加拿白云杉胶合木三种。根据相关文献资料，欧洲云杉锯材横纹抗压屈服强度取值为2.81MPa，欧洲云杉胶合木横纹抗压屈服强度取值为3.22MPa，加拿大白云杉胶合木横纹抗压屈服强度取值为3.4MPa。修正参数H_A与销栓直径d的关系如图7所示，以销栓直径d＝16mm的试件数据均值为参照，对文献数据的均值进行最小二乘法回归拟合，得到了修正函数H_A与销栓直径d的关系式(式2.15)。由图7可知，式2.15可以较好的修正木材横纹销槽承压强度计算模型(式2.14)。

不同销栓直径所对应的试件数量不同，为考虑试件数量的影响，试件数量加权平均值与式2.15计算值的差异性如表1所示。式2.15计算值与试验数据总体比值的平均值为1.012，变异系数为4.19％，进一步证明了修正函数H_A的适用性。

表1计算值与实测值的对比

基于文献试验数据的拟合结果和美国规范ASTMD5457，m＝3/0.555＝5.41，进而得到威布尔分布变异系数σ/μ＝5.41^-0.92＝0.212。统计结果表明，木材基本强度指标的变异系数在0.14～0.28之间，其中横纹性能变异最大。根据文献资料，实际工程所应用的欧洲软木基本强度和刚度变异系数在0.1～0.30之间。美国规范ASTMD 1761解释说明连接节点受力性能试验变异系数在0.15～0.3之间。进而表明，根据修正函数H_A拟合公式得到的变异系数在可接受范围内。文献资料表明，木材横纹抗压强度的实测值服从正态分布，横纹销槽承压强度和横纹抗压强度极其相关，暂假设木材横纹销槽承压强度也服从正态分布。

两参数威布尔分布概率密度函数(PDF)和正态分布概率密度函数分别如式2.16和式2.17所示。图8为威布尔分布概率密度函数分布和正态分布概率密度函数分布。图中，威布尔分布函数形状参数m＝5.41，比例参数λ＝1，正态分布位置参数μ＝1，变异系数σ/μ＝0.212。图8表明威布尔分布概率密度函数和正态分布概率密度函数分布很接近，且威布尔分布概率密度函数分布近似呈对称分布，因此证明了修正函数H_A在理论上是可行的。根据文献试验数据拟合结果和美国规范ASTMD5457所得到的威布尔分布函数形状参数m＝5.41，文献研究结果表明，木材横纹受拉的威布尔分布函数形状参数m＝4.8，木材横纹受拉的威布尔分布函数形状参数m＝4.63，这进一步说明了修正函数H_A的可信度。

木材横纹销槽承压受弯试件的试验对比：

受弯试件主要考虑尺寸、有效加载高度、销栓直径对木材横纹销槽承压强度的影响。试件的详细情况为：(1)试件尺寸：厚(b)×高(h)×长(l)是d的整数倍，厚度b＝2d保持不变；(2)销栓直径：d＝8mm、10mm和12mm；(3)有效加载高度：h_e＝3d～10d。每个系列均有5个重复试件。

试件典型的销槽承压强度-销栓位移曲线如图9所示，该试件的几何尺寸为b×h×l＝20mm×120mm×400mm，销栓直径d＝10mm，有效加载高度h_e＝50mm。图9显示了初始线性阶段后明显的硬化阶段，所有试验试件都存在这种硬化阶段行为，进而表明了木材横纹销槽承压强度与顺纹销槽承压强度的不同之处。图9中，灰色曲线表示一组试件的单个试件销槽承压强度-销栓位移曲线，黑色曲线表示该组试件销槽承压强度-销栓位移曲线的代表值，该代表值最接近该组试件的平均值，一般选取中间值为代表值。f_e,prop表示比例极限销槽承压强度，f_e,5％表示依据规范ASTM D5764所确定的销槽承压强度，f_e,5mm表示依据规范EN383所确定的销槽承压强度，f_e,ult表示极限荷载所对应的销槽承压强度。

图10为受弯试件销槽承压强度-销栓位移曲线，图10中销栓位移指的是销栓在木材试件中的承压深度，由销栓的竖向位移减去跨中梁底的竖向位移所得。由图10可知，受弯试件销槽承压强度-销栓位移曲线经过初始线性阶段后也有较长的硬化阶段，但f_e,5mm之后的后续硬化阶段相对较短，有较多试件的f_e,5mm和f_e,ult相等，且销栓承压深度小于5mm；有效加载高度h_e对f_e,5mm和f_e,ult的影响较大，f_e,5mm和f_e,ult均随着h_e的增加而增大。对比图10(a)和图10(b)可知，相同有效加载高度条件下，销槽承压强度随着销栓直径的增加而减小。

表2为受弯试件的极限荷载和极限销槽承压强度，以及与相应规范计算值的对比结果。采用欧洲屈服模式Ⅰ相应计算公式时，其木材销槽承压强度取值有两种不同的方式：(1)取全销栓孔试件的销槽承压强度试验平均值，销栓直径d＝12mm时，f_e,5％＝21.64MPa，f_e,5mm＝31.24MPa，f_e,ult＝41.43MPa；销栓直径d＝8mm时，f_e,5％＝25.35MPa，f_e,5mm＝38.48MPa，f_e,ult＝52.86MPa；(2)取规范中销槽承压强度标准值的计算值，美国规范NDS中，销栓直径d＝12mm时，f_e,5％＝29.89MPa，销栓直径d＝8mm时，f_e,5％＝36.60MPa；欧洲规范EC5中，销栓直径d＝12mm时，f_e,5mm＝30.23MPa，销栓直径d＝8mm时，f_e,5mm＝32.90MPa。由于NDS中欧洲屈服模式Ⅰ的承载力计算公式与EC5中的相同，只是销槽承压强度取值不同，故当销槽承压强度试验值取f_e,ult时，其相应承载力计算根据NDS或EC5均可，记为

由表2知，销槽承压强度取试验值时，规范NDS的承载力计算值与试验值之比的平均值为0.89，变异系数为26.1％，规范EC5的计算值与试验值之比的平均值为1.32，变异系数为27.2％，

平均值为1.78，变异系数为28.0％。销槽承压强度取计算值时，规范NDS的计算值与试验值之比的平均值为1.25，变异系数为27.0％，规范EC5的计算值与试验值之比的平均值为1.20，变异系数为24.9％。且所有比值均随着有效加载高度h_e的增加而减小。这说明了现行规范中计算公式并不适用于这种销栓连接横纹受力试件承载力的计算，究其原因，是木材横纹销槽承压强度的取值差错造成的。

表2受弯试件销槽承压强度

注：试件系列的表示方法为b×h×l-h_e，上标a表示销槽承压强度取试验值，上标b表示销槽承压强度取规范计算值。

木材横纹受力简支梁试件的对比：

简支梁试件的销栓连接位置均位于试件跨中截面，主要考虑两个参数：销栓直径和有效加载高度。为再次核实跨径对销槽承压强度的影响，锯材简支梁还考虑了跨径的变化。主要设计参数如下：①每个系列锯材简支梁试件包含5个重复试件，截面尺寸b×h＝38mm×150mm，l分别为550mm、850mm、1000mm和1200mm(l指计算跨径，下同)，有效加载高度h_e在0.3h～0.8h范围内，销栓直径包括d＝10mm和d＝12mm两种。②每个系列胶合木简支梁试件包含3个重复试件，试件尺寸b×h×l＝50mm×300mm×2000mm，有效加载高度h_e在0.3h～0.7h范围内，销栓直径包括d＝16mm和d＝24mm两种。加载测试方法同木材横纹销槽承压受弯试件相同。

表3为简支梁试件的极限荷载和极限销槽承压强度，以及与规范计算值的对比结果。采用相关规范中的计算公式预测锯材简支梁连接节点承载力时，其木材销槽承压强度取值与标准受弯试件相同，也有两种不同的方式：(1)取全销栓孔试件的销槽承压强度试验平均值，销栓直径d＝12mm时，f_e,5％＝21.64MPa，f_e,5mm＝31.24MPa，f_e,ult＝41.43MPa；销栓直径d＝10mm时，f_e,5％＝26.92MPa，f_e,5mm＝41.52MPa，f_e,ult＝53.33MPa；(2)取规范中销槽承压强度标准值的计算值，美国规范NDS中，销栓直径d＝12mm时，f_e,5％＝28.12MPa，销栓直径d＝10mm时，f_e,5％＝30.81MPa；欧洲规范EC5中，销栓直径d＝12mm时，f_e,5mm＝28.67MPa，销栓直径d＝10mm时，f_e,5mm＝29.91MPa。当销槽承压强度试验值取f_e,ult时，其相应承载力计算值记为

由表3可知，当销槽承压强度取试验值时，美国规范NDS中承载力的计算值与试验值之比的平均值为0.75，变异系数为26.3％，欧洲规范EC5的计算值与试验值之比的平均值为1.10，变异系数为27.3％，

平均值为1.45，变异系数为26.8％。当销槽承压强度取计算值时，美国规范NDS的计算值与试验值之比的平均值为0.96，变异系数为25.6％，欧洲规范EC5的计算值与试验值之比的平均值为0.96，变异系数为25.3％。且所有比值均随着有效加载高度h_e的增加而减小。这进一步表明现有木材横纹销槽承压强度测试技术和计算方法所得的木材横纹销槽承压强度与实际值吻合性较差。

表3简支梁试件销槽承压强度及对比结果

注：上标a表示销槽承压强度取试验值，上标b表示销槽承压强度取规范计算值。

若采用标准受弯试件获得的极限销槽承压强度计算锯材简支梁极限承载力，则得到如表4所示的计算值与实测值的对比结果。由表4可知，除h_e＝105mm的锯材简支梁之外，其计算值与实测值吻合较好。表4中与锯材简支梁有效加载高度相应的标准受弯试件有效加载高度分别为48mm、60mm、72mm、84mm和108mm，两者的有效加载高度略有偏差，且表2中h_e＝108mm的标准受弯试件极限销槽承压强度实测值偏小于预测值。所以，若考虑到这些因素，取标准受弯试件的极限销槽承压强度，作为计算简支梁销栓连接横纹极限承载力的销槽承压强度更为合适和可靠。

表4锯材简支梁(d＝12mm)极限承载力计算值与实测值对比结果

木材横纹销槽承压强度计算方法的对比：

通过DIC(数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC))技术和有限元分析，验证了木材横纹销槽承压强度计算方法的合理性与可靠性。图11为受弯试件24×144×640-5d系列的一个试件测试结果。由图11可知，销栓的有效承压深度为30mm(22mm+2mm+6mm)，单侧有效承压长度为41mm(0.5l_eff-0.5d＝47mm-6mm)。所以该试件有效承压深度与有效加载高度比值h_e0/h_e＝0.4，且销槽承压局部应力以1:1.37(30:41)的比例向下扩散。图12为38×150×1200-12-0.5h系列试件DIC测试结果，由图12可知，销栓的有效承压深度为32mm，单侧有效承压长度为54mm(0.5l_eff-0.5d＝60mm-6mm)。所以该试件有效承压深度与有效加载高度比值h_e0/h_e＝0.43，且销槽承压局部应力以1:1.69(32:54)的比例向下扩散。图13为受弯试件24-144-640-5d系列试件的有限元分析。由图13可知，销栓的有效承压深度为25mm，单侧有效承压长度为32mm。所以该试件有效承压深度与有效加载高度比值h_e0/h_e＝0.42，且销槽承压局部应力以1:1.28的比例向下扩散，这个比例偏小，原因是有限元数值模拟时没有考虑木材试件开裂的因素(图13(a)试件竖向位移云图可以证明这一点)，进而在有限元分析结果中，销栓孔两侧有效承压长度的范围相对较小，但在试验过程中，木材试件销栓孔两侧均出现了一定长度的纵向裂缝。进而证明了木材横纹销槽承压强度计算方法中h_e0/h_e＝0.4和0.5(l_eff-d)/h_e0＝1.5的正确性。

基于试验结果，对销槽承压强度计算模型(式2.14)进行验证。兴安落叶松锯材横纹抗压屈服强度f_c,90＝3.69MPa，胶合木横纹抗压屈服强度f_c,90＝3.59MPa。经计算发现，当相对高度α较大时，销槽承压强度的模型预测值较试验值小。为解决这一问题，假定模型预测值与试验值成1/(1-α^a)的倍数关系，采用标准受弯小试件和简支梁试件的试验结果对参数a进行拟合求解，其中试件尺寸需满足4d≤h_e≤0.7h和h-h_e≥4d的条件，拟合得到a＝3.91，拟合结果如图14所示。为简便起见，把参数a近似为4，故式2.14修正为式2.1。修正后的模型预测值与销槽承压强度的实测值对比结果如图15所示。图15中试验数据来源于文献中试验数据，且所采用试验数据的试件尺寸满足4d≤h_e≤0.7h，h-h_e≥4d和跨径l≥3h的条件，并舍弃劈裂破坏的试验数据，其中，欧洲云杉锯材横纹抗压屈服强度取值为2.81MPa，欧洲云杉胶合木横纹抗压屈服强度取值为3.22MPa。由图15可知，模型预测值与实测值之比的平均值为1.05，变异系数为14.5％，表明修正后的模型预测值与文献试验结果吻合较好。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种木材横纹销槽承压强度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：基于木材横纹局部受压理论计算模型，对于木材横纹销槽承压受弯试件，建立横纹销槽承压强度理论计算模型，记作式(2.9)；

式中：f_e,90表示木材横纹销槽承压强度；f_c,90表示木材横纹抗压屈服强度；l_eff表示有效承压长度，h_e0表示销栓有效承压深度；d表示销栓直径；

步骤二：考虑赫兹接触行为及销栓和木材的摩擦力对木材横纹销槽承压强度的影响，根据威布尔统计分布理论，得到修正函数，记作式(2.13)

式中，H_A是一个修正函数，表示所求试件的强度，H_ref表示参考体的强度，d_ref表示参考体中销栓的直径，d_A表示所求试件中销栓的直径，

表示威布尔分布变异系数；

步骤三：修正后木材横纹销槽承压强度理论计算模型可写为式(2.14)；

步骤四：考虑有效加载高度的影响，木材横纹销槽承压强度的计算公式为：

式中：α表示有效加载高度和构件高度之比，α＝h_e/h；H_A表示一个无量纲修正参数，H_A＝10.25d^-0.555。

2.根据权利要求1所述的一种木材横纹销槽承压强度的计算方法，其特征在于，木材横纹销槽承压受弯试件采用标准受弯小试件。

3.根据权利要求1所述的一种木材横纹销槽承压强度的计算方法，其特征在于，以销栓承压深度为10mm所对应的荷载值或木材试件破坏所对应的最大荷载值定义为木材销槽承压荷载。

4.根据权利要求2所述的一种木材横纹销槽承压强度的计算方法，其特征在于，考虑了销栓承压应力的传递路径和影响范围。

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