马贵进+徐德良+陆伟东+刘伟庆+宋佳程

摘要：为了研究湿度对胶合木销槽承压强度的影响，选取湿度分别为50%，70%，90%，木材纹理方向分别为顺纹、斜纹、横纹的45个胶合木试件进行销槽承压强度试验，并将试验结果与各国规范公式计算结果进行比较。结果表明：试件销槽承压破坏模式与胶合木纹理方向有关；相对湿度线性增长时，销槽承压强度与试件初始刚度呈现非线性下降趋势；根据规范公式计算的试件销槽承压强度与试验值吻合度较差，需要进一步优化现有规范公式。

关键词：胶合木；湿度；破坏模式；销槽；承压强度；初始刚度

中图分类号：TU366.3文献标志码：A

Experiment on Effect of Humidity on Dowel Bearing Strength of

Glued Laminated TimberMA Guijin， XU Deliang， LU Weidong， LIU Weiqing， SONG Jiacheng

（College of Civil Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 211816， Jiangsu， China）Abstract： In order to study the effect of humidity on dowel bearing strength of glued laminated timber， 45 specimens of glued laminated timber including three kinds of humidity （50%， 70% and 90%） and three kinds of grain direction （longitudinal grain， diagonals grain， horizontal grain） were chosen in dowel bearing strength test， and the comparison between experimental results and the calculated results according to international standard formula was given. The results show that failure mode is related to the grain direction of glued laminated timber. With the linear growth of relative humidity， the dowel bearing strength and initial stiffness exhibit the trend of nonlinear decline. The calculated values of dowel bearing strength according to the existing standard formula are in poor agreement with the test values， so the existing standard formula needs to be optimized furtherly.

Key words： glued laminated timber； humidity； failure mode； dowel； bearing strength； initial stiffness

0引言

胶合木结构节点连接是结构设计的重要内容之一，节点连接的可靠性和有效性对木结构整体性能有着非常重要的影响[14]。螺栓类连接是木结构中常用节点连接形式，具有诸多优点，已在现代木结构中广泛应用[510]。Hansson[11]在木结构倒塌调查案例中发现，23%的结构破坏始于节点，而其中超过50%是螺栓节点破坏。螺栓连接最基本的力学指标是销槽承压强度，而对于销槽承压强度的研究，主要针对木材材性（密度、含水率）和螺栓直径等。

Hwang等[12]对4种工程木（胶合木、单板层积木、单板条层积木、长条刨片层积木）在不同的加载方向及不同螺栓直径下的销槽承压强度进行试验研究。通过试验发现：4种工程木产品的销槽承压强度随螺栓直径增大而减小；销槽承压初始刚度随螺栓直径增大而降低。Wilkinson[13]针对木材密度、螺栓直径及加载方向等对顺纹、横纹销槽承压强度的影响进行试验研究。试验结果表明，顺纹及横纹销槽承压强度随密度增大而增大，随螺栓直径增加而下降，并提出了顺纹和横纹销槽承压强度的计算公式，为美国木结构设计规范奠定了基础。Sawata等[14]通过试验研究了钢销直径和木材密度对销槽承压强度的影响，结果表明：顺纹及横纹销槽承压强度随密度增加而增加；5%直径偏移法得到销槽承压强度与直径无关，5 mm位移偏移法得出其强度随螺栓直径增大而增大。Whale等[15]对针叶材、阔叶材、胶合板和加压木材纤维板的顺纹销槽承压强度进行了大量试验研究，得到的结论为顺纹销槽承压强度随着钢销直径增大而降低。黄绍胤等[16]通过试验对中国冷杉销连接进行销槽承压试验研究，其结论是销连接顺纹销槽承压强度为含水率在15%时的木材标准试件顺纹抗压强度的0.938倍。刘柯珍[17]通过试验研究了木材密度和螺栓直径对中国产落叶松胶合木销槽承压强度的影响，结果发现顺纹和横纹销槽承压强度都随木材密度增大而增大，随螺栓直径增大而减小，但顺纹销槽承压强度下降幅度较横纹小，可忽略不计，即认为顺纹销槽承压强度不受螺栓直径影响。Rammer等[18]通过试验研究了4种含水率（4%，6%，12%，19%）对顺纹销槽承压强度的影响，结果表明：销槽承压强度与含水率呈负相关的关系，并拟合出销槽承压强度与含水率的关系式。Kim等[19]研究了含水率区间在10.77%～89.92%，螺栓直径为6，12，18，24 mm时柳杉的销槽承压强度。试验结果表明：销槽承压强度随螺栓直径增大而减小，随含水率升高而降低。

在欧洲、加拿大和美国木结构设计规范[2021]中，使用环境修正系数来考虑此类因素对木结构节点及构件设计的影响作用。在中国木结构相关规范[2223]中，环境因素对节点及销槽承压强度的影响未做详细说明。由此可见，对木结构销槽承压强度有待深入研究。1试验概况

1.1试件设计

花旗松胶合木销槽承压强度试件设计参照ASTM D 567497a（2002）[24]规范，设计3组（顺纹、横纹、斜纹）45个试件，试件示意见图1。试件制作主要过程如下：在初始尺寸为120 mm×60 mm×50 mm的试件中心钻取直径为9.6 mm的螺栓孔，然后沿孔中心切割，得到试验所需试件，最终试件尺寸为60 mm×60 mm×50 mm，销槽承压试件见图2。

图1试件示意（单位：mm）

Fig.1Schematic of Specimen （Unit：mm）图2销槽承压试件

Fig.2Dowel Bearing Specimen1.2材料力学性能

试验所用材料包括胶合木、螺栓，其中胶合木采用花旗松木材制备。根据《木材密度测定方法》（GB/T 1993—2009）[25]，测得胶合木气干状态下的密度平均值为0.48 g·cm-3，螺栓采用M8.8级高强螺栓，公称直径为8 mm。螺栓抗弯强度根据ASTM D 56521995[26]进行测定，其抗弯强度平均值为799.3 MPa。

1.3环境模拟

胶合木销槽承压试件放置在恒温恒湿试验箱内，每种湿度下温度保持恒定，湿度设置成50%，70%，90%，待试件含水率平衡后取出进行试验，在试件取出时用保鲜膜包裹，以防止外界环境的干扰。

1.4试验加载和量测内容

试验依据ASTM D 576497a（2002）规范进行。在万能试验机上进行销槽承压强度试验。试验方法是将8 mm直径的螺栓放置在试件的半圆孔中，然后在螺栓上施加一恒定压力。按ASTM D 576497a（2002）规范的要求，为确保试件在1～10 min之内达到最大荷载或使整个螺栓嵌入试件销槽中，试验以1.0 mm·min-1的速度进行加载，加载装置如图3所示。当试件达到极限荷载或者发生破坏时，试验停止。

图3销槽承压试验装置

Fig.3Bearing Test Setup of Dowel试验过程中主要量测力和螺栓与销槽相对位移，可以从加载装置和电脑端直接得到数据。2试验结果及其分析

2.1试验过程和破坏形态分析

试验开始之前利用保鲜膜将销槽承压试件包裹住，防止外界环境干扰。开始试验时，试件先定位好之后可将保鲜膜揭开，进行销槽承压试验。

通过试验可知，湿度在50%，70%，90%时，花旗松胶合木销槽承压破坏形态与木材纹理方向有关，破坏形态如图4所示。

图4销槽破坏形态

Fig.4Faliure Modes of Dowels由图4可见：顺纹销槽承压时，试件沿顺纹方向开裂，销槽发生破坏[图4（a）]；斜纹销槽承压时，沿销槽方向产生嵌入变形[图4（b）]；横纹销槽承压时，在试件槽孔两侧产生齿形裂纹[图4（c）]。

2.2销槽力位移曲线

销槽力位移曲线如图5所示。试件编号中，R后面的数字表示湿度，S表示顺纹，X表示斜纹，H表示横纹。由图5可知，湿度在50%，70%，90%时，顺纹试件销槽承压极限荷载和初始刚度最大，斜纹试件居中，横纹试件最小。

湿度由50%增加到70%和90%时，顺纹试件销槽力位移曲线形式基本不变，曲线趋于平缓；在湿度为50%和70%时曲线初始刚度基本一致；在湿度为90%时刚度开始下降，试件表现为脆性破坏模式。加载初期，曲线呈现出非线性，主要是由于初始误差及试验时螺栓与销槽之间的空隙引起。随着荷载持续增加，空隙消除，试件处于线弹性阶段，曲线呈现线性。荷载增加，试件槽孔两端局部产生塑性变形并且出现细微裂纹，此时仍能继续加载，但是由于裂纹的扩展导致整个试件在顺纹方向裂纹延伸，销槽失去承载能力，试件进入破坏阶段。

湿度由50%增加到70%和90%时，斜纹销槽承压的曲线形态基本不变，曲线趋于平缓，曲线初始刚度逐渐变小，试件表现为脆性破坏模式。加载初期，试件较快地进入线弹性阶段，随着荷载持续增加，试件销槽承受螺栓的挤压，在销槽两端产生明显的嵌入变形；荷载达到最大值时，嵌入变形加剧，试件最终破坏。

湿度由50%增加到70%和90%时，横纹销槽承压曲线形态基本不变，曲线趋于平缓，曲线初始刚度逐渐变小，试件表现为脆性破坏模式。试件加载初期曲线形态与顺纹相似，随着荷载增加，曲线进入线弹性阶段，但此阶段过程较短，主要由于木材的横纹抗压强度比顺纹抗压强度低；在荷载持续增加的情况下，试件销槽两侧产生裂纹并形成齿形裂纹，进而试件两端出现翘曲现象。此时，试件无法继续加载，试件进入破坏阶段。

2.3销槽承压强度分析

采用5%直径偏移法确定销槽承压屈服荷载，如图6所示[27]，其中，P为荷载，Δ为偏移量，Pu为极限荷载，Py为屈服荷载。

销槽承压强度的计算公式为

fe=fytd（1）

式中：fe为销槽承压强度；fy为销槽屈服强度；d为螺栓直径；t为销槽承压试件厚度。

花旗松胶合木销槽承压强度计算结果见表1。图5销槽力位移曲线

Fig.5Loaddisplacement Curves for Dowel图6屈服荷载试验值取法

Fig.6Method of Evaluating Yield Load Test表1花旗松胶合木销槽承压强度计算结果

Tab.1Calculation Results of Dowel Bearing

Strength for Glulam of Douglas Fir湿度/%纹理方向含水率/%fe/MPa初始刚度/

（kN·mm-1）50顺纹10.041.5213.989 4斜纹9.724.459.362 4横纹9.519.126.114 170顺纹12.339.0313.987 0斜纹12.119.036.688 6横纹12.517.845.406 290顺纹16.327.258.923 3斜纹16.016.196.318 6横纹15.814.204.612 22.4湿度和含水率对销槽承压强度的影响

图7为胶合木纹理方向、湿度和含水率与销槽承压强度的关系。从图7及表1可以看出：同一湿度条件下，销槽承压强度按顺纹、斜纹、横纹的顺序出现非线性下降，见图7（a）；随着湿度线性增大，木材的含水率也随之增大，见表1和图7（b）；3种纹理方向的花旗松胶合木销槽承压强度在湿度与含水率增大的情况下出现非线性降低，见图7（c）；当湿度为50%时，顺纹、斜纹、横纹销槽承压强度分别为41.52，24.45，19.12 MPa；当湿度达到70%时，顺纹、斜纹、横纹销槽承压强度分别下降6%，34.37%，6.7%；当湿度达到90%时，顺纹、斜纹、横纹销槽承压强度分别下降25.73%，26%，22%。可见湿度在90%时，顺纹与横纹销槽承压强度下降最明显，均可以达到20%以上，而斜纹在湿度为70%，90%时其销槽承压强度下降也较为明显。顺纹试件在湿度为50%，70%时的初始刚度趋于一致，但在湿度为90%时刚度下降幅度为36.2%；斜纹试件在湿度为50%时的刚度最大，湿度为70%，90%时刚度下降幅度分别为28.76%，32.5%；横纹试件在湿度为50%时的刚度最大，当湿度增加到70%，90%时，刚度降低幅度分别为11.6%，24.6%。

图7胶合木纹理方向、湿度、含水率与销槽

承压强度的关系

Fig.7Relations of Grain Direction， Humidity， Moisture

Content of Glued Laminated Timber and Dowel

Bearing Strength3计算方法

3.1各国木材销槽承压强度计算公式

（1）《胶合木结构技术规范》（GB/T 50708—2012）[23]中销槽承压强度计算公式如下。

木材顺纹销槽承压强度fe，0为

fe，0=77G（2）

木材横纹销槽承压强度fe，90为

fe，90=212G1.45d（3）

木材斜纹销槽承压强度fe，45为

fe，45=fe，0fe，90fe，0sin2（θ）+fe，90cos2（θ）（4）

式中：G为主构件材料的全干相对密度；θ为倾角。

（2）美国木结构设计规范ANSI/AF & PA NDS2005[21]中销槽承压强度计算公式如下。

木材顺纹销槽承压强度为

fe，0=77.25G（5）

木材横纹销槽承压强度为

fe，90=212G1.45d（6）

木材斜纹销槽承压强度为

fe，45=fe，0fe，90fe，0sin2（θ）+fe，90cos2（θ）（7）

（3）欧洲木结构设计规范EN 199511：2004[8]中销槽承压强度计算公式如下。

木材顺纹销槽承压强度为

fe，0=0.082（1-0.01d）ρk（8）

式中：ρk为木材特征密度。

当螺栓的荷载作用方向与木材纹理方向的夹角为α时，木材销槽承压强度fe，α为

fe，α=fe，0K90sin2（α）+cos2（α）

K90=1.35+0.015d软木

1.30+0.015d单板层积木

0.90+0.015d硬木（9）

当α=90°时，fe，α为横纹销槽承压强度；当α=45°时，fe，α为斜纹销槽承压强度。

（4）加拿大木结构设计规范CSA O86092009中销槽承压强度计算公式如下。

木材顺纹销槽承压强度为

fe，0=50G（1-0.01d）（10）

木材横纹销槽承压强度为

fe，90=22G（1-0.01d）（11）

木材斜纹销槽承压强度fe，θ为

fe，θ=fe，0fe，90fe，0sin2（θ）+fe，90cos2（θ）（12）

由公式（2）～（12）可知，现有规范关于木材销槽承压强度的计算公式均未考虑湿度的影响。

3.2各国木材销槽承压强度计算结果比较

将木材销槽承压强度试验值与公式计算值进行比较，结果如表2所示。从表2可以看出，未考虑湿度影响的规范公式未能很好地预测销槽承压强度。除加拿大CSA O86092009规范能够较好地预测湿度在70%和90%时胶合木的销槽承压强度外，其余规范计算出的误差都较大，相对误差范围为30%～140%。

考虑湿度影响的Rammer和Kim公式仅预测顺纹方向的销槽承压强度，未能预测斜纹和横纹方向的销槽承压强度。Rammer公式预测值与试验值相对误差分别为33.6%，9.7%，15.3%。表2销槽承压强度计算结果

Tab.2Calculation Results of Dowel Bearing Strength湿度/%数据来源承压强度计算值/MPa承压强度试验值/MPa相对误差/%顺纹斜纹横纹顺纹斜纹横纹顺纹斜纹横纹50文献[23]38.531.727.4文献[21]38.632.127.4文献[20]34.127.623.2文献[4]23.014.110.1文献[18]38.428.7316.6914.5434.089.988.734.592.388.718.865.659.651.115.830.433.670文献[23]38.531.727.4文献[21]38.632.127.4文献[20]34.127.623.2文献[4]23.014.110.1文献[18]35.532.2412.6211.7319.4151.1133.819.8161.7133.86.0118.997.928.711.413.79.790文献[23]38.531.727.4文献[21]38.632.127.4文献[20]34.127.623.2文献[4]23.014.110.1文献[18]30.326.3015.8012.2546.4100.6123.946.9103.0123.929.874.989.512.511.017.415.3由此可见，不同纹理方向、不同湿度条件下的销槽承压强度有待进一步研究，以便建立统一的设计方法。4结语

（1）湿度在50%，70%，90%时试件销槽承压破坏模式与胶合木纹理方向有关，跟湿度的相关性不显著。顺纹销槽承压时，螺栓嵌入销槽，试件沿顺纹方向开裂；斜纹销槽承压时，螺栓嵌入销槽，销槽破坏，沿销槽出现嵌入变形；横纹销槽承压时，螺栓嵌入销槽，销槽孔左右两边胶合木出现齿形裂纹。

（2）在相同湿度下，不同纹理方向的试件销槽承压强度与初始刚度不同。3种纹理方向的花旗松胶合木销槽承压强度在湿度与含水率增大的情况下出现下降；3种纹理方向的试件在湿度达到90%时，其初始刚度下降最为明显，下降幅度达到30%。

（3）现有规范及相关文献给出的销槽承压强度计算公式计算值与试验值误差较大，需要建立统一的公式预测不同纹理方向、不同湿度下的销槽承压强度。参考文献：

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