单层木质网格壳结构中强约束节点的抗震性能

《Structures》：Seismic performance of strongly confined connections in single-layer timber reticulated shell structures

　　

摘要
木网壳中传统的螺栓内槽板连接存在一些问题，如初始刚度低、抗弯能力弱、抗震性能差。本文提出了一种用于木网壳的新型强约束连接，由约束钢管、挤压板和钢毂组成。测试了木材的基本物理和力学性能。确定了横向约束下木材垂直于纹理方向的体积压缩率（VCP）范围。获得了 VCP 对钢 - 木界面摩擦应力和系数的影响。制作了九个强约束节点试件，包含三种 VCP 和约束管长度的组合。进行了低周反复荷载试验，以分析强约束连接的抗震性能，包括破坏模式、滞回曲线、包络曲线、强度退化、刚度退化、延性和耗能能力。提出了木网壳强约束连接的塑性铰模型，并分析了塑性铰的连接刚度和柔度。结果表明，强约束连接具有高初始刚度和强抗弯能力，充分利用了木材的弯拉强度。在试验荷载条件下，节点的平均延性系数范围为 1.86 至 2.56，耗能系数范围为 0.15 至 0.29。塑性铰模型有效地捕捉了节点的塑性变形机制。随着转角增加，强约束节点的塑性铰逐渐从初始刚性状态过渡到半刚性状态，柔度从 0.1 增加到 3.13。

引言
作为一种绿色低碳的天然建筑材料，木材在大跨度空间结构领域的应用日益广泛。单层木网壳具有造型新颖、自重轻、受力合理等特点，广泛应用于体育场馆和展览中心等公共建筑 [1], [2]。节点作为木网壳的核心传力部件，直接决定了结构的整体安全性和稳定性 [3]。
国内外学者对木网壳节点的力学性能和结构稳定性进行了广泛研究。Del Senno 等 [4] 通过实验指出，粘结销钉节点的承载能力与销钉直径正相关，且胶黏剂的粘结性能直接影响节点的应力和破坏模式。Mohamad 等 [5] 对五种不同粘结销钉角度的试件进行了拔出试验，研究了角度对粘结锚固性能的影响。结果表明，拔出强度随粘结销钉角度增加而降低，呈负相关。Ling 等 [6] 对胶合木中粘结销钉的锚固性能进行了试验，研究了锚固长度、销钉直径、胶层厚度和销钉类型对粘结锚固性能的影响。结果表明，销钉嵌入深度和胶层厚度显著影响节点的初始刚度。Sun 等 [7] 对 13 组螺栓钢槽板节点进行了单调加载试验。基于单螺栓的半无限地基梁理论和螺栓组的弹簧模型，建立了节点初始滑移刚度的理论公式。研究表明，随着螺栓直径增大和螺栓数量增多，节点的轴向滑移刚度非线性增加，而螺栓排距和材料性质的影响不太明显。Sawata [8] 制作了多层钢槽板连接试件，进行了抗震性能试验，并提出了节点的抗剪强度计算模型，指出钢板间距、板数和木材厚度等参数共同影响节点的抗剪性能。Ge?ys 等 [9] 提出了一种基于界面增强技术的创新钢 - 木组合节点配置方法——在钢板和木构件的接触界面填充聚合物纤维增强水泥基材料——以增强节点刚度和承载能力。结果表明，与传统配置相比，此类钢槽板节点在弯矩作用下的承载能力显著提高，且初始转角得到有效约束。Lu 等 [10] 考虑了螺栓钢槽板节点中旋转中心的偏移效应，推导了弯矩 - 转角公式，其预测值与实验数据吻合良好。McLain 等 [11] 推导了螺栓连接承载能力计算公式，并验证了实验值与理论值之间的一致性。他们还提出，对螺栓施加预紧力可以有效提高承载能力。Quenneville 等 [12] 对平行于纹理受拉的螺栓钢面板节点进行了单调静力加载试验，研究了木材种类、螺栓直径、端距、边距和螺栓排列对节点破坏模式和承载能力的影响，并提出了节点极限强度的预测方法。Bader 等 [13] 试验研究了不同荷载组合下螺栓钢面板连接的力学响应，重点比较了螺栓屈服和销钉承压屈服的临界条件，并验证了设计概念符合欧洲屈服准则。Wang 等 [14] 对螺栓钢面板节点进行了试验和有限元模拟。基于实验和模拟结果的良好一致性，他们进一步分析了厚度直径比和深度跨度比等关键参数对桁架力学性能的影响。结果表明，当厚度直径比为 8.3 时，螺栓钢面板节点的综合力学性能最佳。Li 等 [15] 之前开发了一种用于低层木框架结构胶合木柱端的强约束锚固系统，并研究了在不同体积压缩率和轴压比下的循环行为。评估了 P–Δ效应的影响，并建立了基于损伤的滞回模型来描述锚固胶合木柱的循环响应。最近的研究进一步强调了节点行为在木空间结构中的重要性。Zhao 等 [16] 对带螺栓节点的单层胶合木网壳进行了实验和数值研究，表明节点半刚性显著影响壳的承载行为。Sroka 等 [17] 研究了侧向加载销钉和槽钢板的木连接的循环和速率相关行为，报告了循环加载下明显的捏缩以及刚度和强度退化。Shu 等 [18] 通过实验、理论和数值方法研究了木网格壳半刚性搭接节点的平面内旋转性能，并表明节点配置显著影响旋转刚度、弯矩容量和耗能。
总之，以往和最近的研究表明，节点配置、刚度和几何参数显著影响木网壳的力学性能和稳定性。传统节点，如螺栓槽钢板节点和粘结销钉节点，通常在初始刚度、抗弯阻力和耗能能力方面存在局限性。此外，这些连接所需的钻孔和开槽可能会削弱木材截面并增加垂直于纹理开裂破坏的风险 [19], [20]。尽管优化节点配置和关键设计参数可以提高连接性能，但开发具有高初始刚度、足够抗弯阻力和稳定循环性能的木网壳连接仍然是必要的。
在本研究中，通过将约束木构件端部与六角形钢毂集成，将强约束连接应用于单层木网壳。研究了高 VCP 下的钢 - 木界面摩擦行为，以阐明约束区域内的荷载传递行为。制作了九个强约束节点试件，包含三种 VCP 和约束管长度的组合，并进行了低周反复荷载试验以比较它们的力学响应。此外，建立了弯矩 - 转角塑性铰模型，以描述节点从初始刚性状态到半刚性状态的转变，并为后续的壳层级结构分析提供旋转参数。

节选

试件设计与准备
以锚固长度和 VCP 为参数，设计了三种类型的节点，每种类型制作了三个试件，共九个试件。试件参数见表 1。锚固长度设为 130 mm 或 180 mm，VCP 设为 33.3% 或 40.7%。强约束连接的配置详见参考文献 [15]，其中强约束连接由约束钢管和挤压板组成。该

破坏模式
试件的破坏模式主要分为两种类型：压弯破坏和拉弯破坏。在正荷载下，试件处于压弯状态，节点向上移动并形成拱形。在负荷载下，试件处于拉弯状态。试件的破坏情况见表 5。在试验过程中，监测了裂缝的萌生和扩展。发现 SJ2–1、SJ2–2、SJ3–2 和

塑性铰模型
塑性铰处的弯矩 M 和塑性铰的相对转角ψ可根据公式 (14) 和 (16) 计算。获得塑性铰处的弯矩 M 和塑性铰的相对转角ψ后，分别通过将弯矩值除以最大弯矩 Mmax 和将相对转角除以最大转角ψmax，定义归一化弯矩和转角为 Mˉ=MMmax 和 ψˉ=ψψmax。在图 27 中，该

结论
本研究提出了一种用于单层木网壳结构的强约束连接配置。制作了九个强约束节点试件，并进行了低周反复荷载试验。分析了单层木网壳结构中强约束连接的抗震性能。提出了塑性铰的弯矩 - 转角本构模型，并分析了塑性铰连接的刚度和柔度连接

作者贡献声明
李晓伟：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，资金获取，概念化。闫家茂：调查，数据整理。高思奇：写作 – 审阅与编辑，方法论，调查，数据整理。李倩：数据整理。张志强：写作 – 审阅与编辑，调查。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢
本文报告的工作是在四川省自然科学基金（资助号 2022NSFSC0095 和 2022NSFSC0319）、西南科技大学自然科学基金（资助号 21zx7121）和西南科技大学实验技术研究项目（2024）的资金支持下完成的。衷心感谢这些资金支持。

李晓伟 | 高思奇 | 闫家茂 | 李倩 | 张志强
中国，绵阳，青龙大道 59 号，西南科技大学土木与建筑学院，邮编 621010