通过角支架连接的木梁与CLT面板的弯曲性能的实验与解析评估

《Engineering Structures》：Experimental and analytical evaluation of the bending behaviour of wooden beams connected to CLT panels with angle brackets

　　

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  角钢连接件的配置对木梁的弯曲性能有显著影响。
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  顶部连接导致端部劈裂，而底部连接导致跨中受拉破坏。
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  建立了预测弯曲刚度和破坏模式的分析模型。
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  与CLT板的相互作用产生端部压缩，导致应力集中和劈裂破坏。

引言

木结构因其低碳和可持续的特点日益受到关注，其结构安全性对于广泛应用至关重要。作为主要结构构件，木梁通过弯曲传递竖向荷载，在结构荷载传递过程中发挥着关键作用[1]。因此，研究木梁的弯曲行为对于确保结构完整性至关重要。大多数关于梁弯曲行为的试验研究仅将边界条件简化为简支[2]。然而，这种简化并不合理，因为在实际工程中，梁端通过提供转动刚度的金属连接件与其他构件相连[3]，[4]。这种刚度在梁端产生负弯矩，进而影响内部弯矩分布[5]，[6]，甚至改变破坏模式[7]。

连接的影响不仅限于改变梁的弯矩分布，还可能产生附加压力[8]。实际上，大多数木结构连接可视为半刚性[9]，允许梁端发生转动，但这种转动被连接的构件（如柱或墙）部分约束，从而在梁中产生附加轴向力[3]。这种轴向受压机制被称为拱效应，已在混凝土[10]和钢连接[11]中得到广泛研究，而其在木梁连接中的作用尚不明确。Mpidi Bita和Tannert[12]报道称，受压拱效应在较小的跨高比时更为显著，且取决于构件及其端部连接的轴向刚度。Zhao等[13]在胶合木子结构中量化了这些效应。将跨高比从6增加到10，最大轴向压力降低了68%；而将侧向约束刚度从10 kN/mm提高到400 kN/mm，该力从约10–45 kN增加；更大的连接刚度使最大轴向压力进一步增加33%。这些结果表明，受压拱效应的幅值取决于梁的几何尺寸、边界约束和连接性能[14]，[15]。由于木材的弹性模量相对较低，通常需要较大的梁高来满足挠度要求，导致较低的跨高比，从而促进受压拱效应[16]。在这种条件下，连接对梁弯曲行为的影响变得更加复杂，因为它同时涉及连接提供的转动约束和与轴向约束相关的受压拱作用。这两种机制对梁的响应产生双重影响[17]。具体而言，它们减轻了跨中弯矩并降低了受拉破坏的风险，但相反地放大了端部弯矩，从而增加了压缩引起的劈裂破坏风险。因此，全面理解连接效应对于准确预测梁的弯曲响应和破坏机制至关重要。

角钢连接件常用于正交结构构件之间的楼板-墙体、梁-墙体和梁-柱连接[18]，[19]。它们可以通过螺钉轻松安装，无需预钻孔。现有关于此类连接的研究主要集中于交叉层压木材（CLT）墙体和楼板之间的连接[20]，[21]。由于CLT墙体和楼板尺寸相对较大，这些构件通常具有更高的刚度和强度；因此，破坏主要发生在连接件周围[22]，[23]。然而，当截面相对较小的梁与CLT板连接时，破坏模式可能从连接件破坏转变为梁本身的破坏[17]。在这种系统中，梁的响应同时受到半刚性连接行为和受压拱作用的影响。现有研究尚未充分考虑它们的综合效应。特别是，很少有分析方法在预测梁破坏模式时同时考虑这两种机制。

为弥补这一不足，本研究通过试验和分析方法研究了通过角钢连接件与CLT板连接的木梁的弯曲行为，包括弯曲刚度和破坏机制。试验过程中对CLT板的水平位移进行了约束，以反映结构系统提供的约束作用。分析了角钢连接件配置和CLT板方向的影响。基于试验结果，建立了预测弯曲刚度和破坏模式的分析模型。该模型的主要创新之处在于，它在简化的分析框架中同时考虑了连接转动刚度和约束边界引起的受压拱效应。

章节摘要

材料

本研究中的所有木质构件均采用云杉（Picea spp.）。材料产自加拿大东部，比重为0.41。在组装和试验之前，木材在受控环境条件下（20°C和65%相对湿度）养护至少3周。木材含水率为10.5%，变异系数（COV）为9.5%，该数据基于同一批次25块木材测得。纵向弹性模量E_L通过

荷载-位移曲线

所有组别的试验结果汇总于表4。特征参数包括弯曲刚度（k_g）、极限荷载（F_u）和极限位移（δ_u），基于示意荷载-位移曲线定义，如图4所示。在该定义中，δ_u对应于首次明显重大破坏时的位移，该破坏伴随着荷载的突然下降。

具体而言，图5给出了荷载-位移曲线。为清晰起见，每组平均响应

假设与模型

试验结果表明，弯曲行为主要受连接刚度和压缩作用控制。为量化这些效应，建立了分析模型。图12显示了梁-弹簧模型，其中弹性梁通过两个代表L形角钢连接的转动弹簧与固定边界相连。该模型基于以下假设：

• 1)
  忽略宏观缺陷（如空洞），将木材理想化为均质且

结论

本研究通过试验和分析方法研究了使用角钢连接件与CLT板连接的木梁的弯曲刚度和破坏模式。在本研究中，CLT板被约束以防止移动，以模拟实际结构中周围构件的约束效应，从而在梁中产生轴向力。主要结论如下：

• 1)
  角钢位置对梁的行为有显著影响。顶部连接配置增加了

CRediT作者贡献声明

向思宇：写作–初稿，可视化，验证，软件，方法论，经费获取，正式分析，概念化。高子振：写作–审阅与编辑，验证，方法论，调查，数据管理。龚猛：写作–审阅与编辑，监督，项目管理，经费获取，概念化。李新功：写作–审阅与编辑，监督，经费获取。

利益冲突声明

作者声明，我们不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系，可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2024YFD2201204）、中国博士后科学基金会博士后人才资助计划（GZC20242058）、中国博士后科学基金（2024M763726）、加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）发现资助计划（RGPIN-2024–03915）以及加拿大自然资源部木材绿色建筑计划（IFIT-P-2023–0001057）的资助。

向思宇|高子振|龚猛|李新功