李荣范
雷克萨斯宾
穆全猛 张河南
（土木工程大学、重庆科技学院，浙江绍兴）
DOI：10.12326/j.2096-9694。
设计了一种由灌浆锚拱环连接的钢-交叉层压木（CLT）组合梁。 在研究拱圈半径、槽缝宽度以及拱圈排列方式等参数对弯曲性能和滑动性能影响的基础上，结合复合材料结构的基本理论，对组合梁的抗弯承载力和挠度进行了理论预测。 结果表明：模拟荷载-跨中应力关系曲线呈现明显的屈服拐点，呈“双折线”特征，且曲线弹性截面接近完整复合边界线，表明：浆液锚拱环连接的钢-CLT组合梁具有良好的脆性行为和较高的组合效率。 浆锚拱圈连接的钢-CLT组合梁的复合效率平均可达0.80-0.97高强度与普通强度钢材钢框架设计对比分析，而拱圈半径和缺口宽度是影响钢-CLT组合梁整体性能的重要参数。 CLT组合梁采用浆锚拱环连接。
关键词 钢-CLT组合梁； 拱环连接； 抗弯曲性； 防滑性
作为建筑材料，木材具有可再生、重量轻、强度高等优点。 近年来，出现了一批性能优越的现代工程木材，如架子胶合木（glues-，GLT）、单板层积材（LVL）、钉架胶合木（nail，NLT）和交错胶合木（cross -、CLT）[1-2]等，广泛应用于民用建筑和桥梁结构。 工程木与传统建筑材料（如钢材）的组合结构具有重量轻、抗震性能好、施工方便等优点。 除了充分发挥材料各自的优势外，从结构的整个生命周期来看，可以在一定程度上减少碳排放。 排放、煤炭消耗高等对环境造成不利影响。
交叉层压木材（CLT）是一种新型工程木制品，由3层或多层木材锯材或结构复合材料垂直正交组装而成，用结构胶粘剂压制而成，在工程中得到广泛应用。 结构建筑外墙、楼板、屋面板等[3]。 其中，钢-CLT组合结构主要有钢框架-CLT组合墙、钢框架填充CLT弯矩墙等。
钢-CLT组合梁是上述方法之一，采用传统的螺母式连接件连接。 钢-CLT组合梁的截面模式和构件之间的连接性能非常重要。 除了影响组合梁的承载力、刚度和耗能能力外，还对经济性、安装便捷性和整体结构美观性产生重大影响。 因此，国内外学者做了大量的研究[4-10]，包括不同连接方式对钢-CLT组合梁抗剪性能的影响、抗剪承载力的估算公式、钢-CLT组合梁的结构性能等。循环荷载和能耗等作用下的钢-CLT组合梁。上述研究中采用的连接形式均为螺钉连接和螺钉连接。 虽然试件脆性大，但其极限承载力和挠度太低。 因此，等人。 文献[11-12]提出了一种新型钢-CLT组合梁剪力接头——螺栓灌浆(BGP)，由剪力螺钉和灌浆体组成，并进行了推出试验。 研究结果表明，BGP连接的初始挠度、峰前挠度和极限承载力均明显高于传统螺钉连接[11]。 事实上，与普通螺钉连接相比，BGP连接大大降低了对螺母安装精度的要求，但螺钉往往会因孔径允许偏差而影响预制构件的初始滑移，导致预制构件的初始挠度增大。成分。 纵梁连接件已广泛应用于钢-混凝土组合结构中。 因此，本研究将螺柱灌浆（SGP）连接引入钢-CLT组合梁中，用拱环代替螺钉（图1）。 除了防止塔的预钻，降低了施工难度，并且可以获得比BGP连接更好的剪切性能。 目前，国外尚无SGP连体钢-CLT组合梁研究的相关报道。 本文通过分析拱环半径、剪力构件宽度、螺柱布置方式以及不同连接方式对SGP连接钢-CLT组合梁热工性能的影响。
图1 浆液锚拱环弯矩节点 图1SGP
1 有限元模型构建
1.1 材料参数设置
CLT：根据文献[13]的测试结果验证模型的有效性和可靠性，采用与文献[13]相同的法国落叶松（）木材进行建模，CLT由三层SPF组成搁板（长35mm）组成。 木材三个方向的弹性挠度E11、E22、E33分别为11000、370、； 模数V12、V13和V23分别为0.48、0.48和0.22； 剪切挠度G12、G13、G23分别为690、690、50MPa[13]。 考虑到CLT的分层交错排列，建模时采用分层完美，沿纹理方向逐层指定材料方向，而忽略架子之间的胶合层。
Steel：采用双斜线模型进行模拟。 主梁和支腿筋材质为Q235，弹性挠度为，屈服硬度和极限硬度分别为235和。
拱圈：采用ML15钢，弹性挠度为，屈服硬度和极限硬度分别为320和。
注浆体：采用混凝土损伤塑性模型模拟[12]，弹性挠度，抗压硬度55MPa，铁损0.2，扩张角38°，偏心0.1[12]。
1.2 试件模型设计
设计了7根钢-CLT组合梁，模型示意图如图2所示。构件规格见表1。
图2 试件（半跨）模型示意图
梁图（半跨）
表1 钢-CLT组合梁有限元模型构件规格设置 Tab.-
其中6个采用SGP连接，1个采用普通螺丝连接。 建立有限元模型，组合梁总长3.8m，净跨3.5m。 模型组件包括 CLT、工字梁、螺柱和灌浆。
1.3 有限元模型条件设定
1.3.1 边界条件和相互作用
梁端支撑约束和Z向横向约束设置在组合梁的外侧，如图3所示。
图3 边界条件示意图
由于翼缘直接点焊在主梁上，拱圈与主梁的连接受到束缚。 其余接触采用面-面接触形式[12]，其中CLT板与主梁、灌浆体与纵梁、灌浆体与主梁的摩擦系数分别为0.3、0.2 、 和 0.2 分别[12]。 根据文献[13]中BGP连接钢-CLT组合梁（试件GP-）的试验方法，在CLT板的缺口处粘贴防水胶，灌浆体中的水分对CLT 板被忽略。 CLT板与灌浆体之间的摩擦系数设定为0.1[12]。
1.3.2 单元格选择和网格定义
有限元模型中的每个部件均采用八节点立方体的三维实体单元。 考虑到本研究着眼于组合梁的整体性能，仅对关键接触部位（如拱圈与周边注浆体、注浆体与主梁接触部位及CLT板槽）进行网格细化（图4).
图4 网格定义
图为
1.4 实例验证
为了验证模型的可靠性，对文献[13]中的BGP连接钢-CLT组合梁（试件GP-）的弯曲性能试验进行了模拟。 图5是文献[13]的测试曲线与本次仿真曲线的对比。
图5 BGP连接钢-CLT组合梁弯曲性能模拟曲线对比
BGP 钢-CLT 梁图
从图5a可以看出，总体来说，模拟曲线与试验曲线吻合较好，特别是在弹性阶段，屈服载荷和极限载荷模拟曲线与试验曲线的偏差约为3分别为 % 和 8%。 图5b显示，模拟的尖端滑移也与实验结果接近，偏差约为10%。 综上所述，可以验证该模型的有效性和可靠性，并在此模型的基础上进行参数分析。
2 结果与分析
2.1 钢-CLT组合梁的荷载应力
图6为不同参数下钢-CLT组合梁的荷载-应力曲线。 同时还给出了组合梁在完全组合（全弯矩连接）和无组合（无弯矩连接）下的荷载-应力曲线，其中SLS状态代表了组合梁在法向连接下的应力极限。服务限制状态。
图6 荷载-跨中应力模拟曲线 Fig.-span
从图6可以看出，在加载初期，组合梁处于弹性状态，跨中应力与荷载呈线性下降关系。 当载荷降低至约275kN时，组合梁进入塑性阶段，表现出显着的非线性行为，并具有显着的屈服平台。 可见钢-CLT组合梁具有较好的脆性。
表2列出了所有试件的极限承载力和跨中应力的模拟结果。
表2 各组合梁的极限承载力、跨中应力、延性系数及组合效率表、跨中及梁的组合效率
相同剪力连接下，与缺口宽度350mm相比，缺口宽度300mm和250mm试件的极限承载力分别提高了7%和13%； 极限承载力比半径16mm拱圈（-16）提高11%左右。 但当拱圈半径减小到22mm（-22）时，组合梁的整体性能并无明显改善。 将拱圈布置由单排（-16）改为双排（-16a）（图2c），试件的极限承载力提高了约10%，观察到组合梁在双排拱圈布置与半径19mm、22mm拱圈组合梁的极限承载力非常接近。 据悉，采用SGP连接的钢-CLT组合梁的弯曲挠度明显低于同半径的普通螺钉连接（CS300-16），但两者的极限承载力相差不大。
2.2 钢-CLT组合梁的荷载滑移
2.2.1 负载端滑差曲线
图7所示为组合梁的荷载端滑移曲线。 由于模型的对称性，仅给出了组合梁一端的荷载端滑移曲线。 从图7可以看出，对于同类型的联轴器，端部滑移随着注浆槽宽度的减小而减小，联轴器的数量也随之减少。 对于相同的灌浆槽宽度，连接件半径越大，组合梁端部滑移越小。
图7 钢-CLT组合梁荷载端滑移 图7荷载端滑移钢-CLT梁
2.2.2 相对滑移沿梁长分布规律
图8是显示组合梁沿梁长度的相对滑移分布的图。 从图8可以看出，滑移值沿梁长方向呈反向对称分布。 在加载初期，滑移与载荷基本呈线性下降关系。 随着负载减小，滑差减小速度小于负载减小速度，曲线呈现明显的非线性。 不同荷载水平下，跨中断面两侧L/3范围内滑动速度较大。 据悉，组合梁的最大滑移值约为1.5mm，但CLT板与主梁之间的最大滑移并非出现在梁端而是在支撑附近。 这是因为支撑的反作用力使界面上的压力局部减小，摩擦力减小了相对滑移的阻力，从而导致最大滑移在梁内相通，导致最大滑移不在梁端[14]。
图8 不同荷载水平下沿梁长相对滑移分布
荷载下滑移长梁图
2.3 构件挠度状态分析
图9是注浆体与纵梁偏转状态分解图。
图9 注浆体及纵梁挠度状态分析
图 灌浆块和螺柱的状态
从图9a~c可以看出，在纵梁连接件内侧以下区域，注浆体的挠度比较集中。 加载过程中，界面弯矩从纵梁传递至纵梁连接件，使纵梁连接件挤压上部灌浆体。 随着荷载减小，纵梁连接件因弯矩的作用而发生位移，导致注浆体的一部分受到拉力，形成拉损伤[15]。 从图9d可以看出，纵梁连接件上部挠度比较集中，下部挠度较小。 内侧首先进入屈服阶段。
2.4 钢-CLT组合梁的屈服点
定义屈服点的方法主要有绘图法、等效面积法等。 - 最远点法（如图10）。 经估算发现，对于具有显着转折点的理想弹塑性预制构件，采用上述方法得到的屈服位移大致相同。 因为绘制法和等效面积法确定的屈服点不在曲线上，且高于曲线的实际拐点，但最远点法确定的屈服点仍然落在曲线上，其值为更合理。 因此，本研究最终采用最远点法确定屈服点。
图10 确定组合梁屈服点的最远点法 Fig-
预制构件的峰值载荷可以在确定屈服点的过程中得出
峰值负载对应的位移
，屈服载荷
和屈服位移
(表2)，通过公式
通过测定预制构件的脆性系数，可以确定结构预制构件的弹塑性变形能力。 脆性系数一般分为四个等级[16]：延性（μ<2）、低脆性（2<μ≤4）、中脆性（4<μ≤6）和高脆性（μ>6）。 从表2的脆性系数不难看出，本研究设计的钢-CLT组合梁具有较好的变形能力。
2.5 钢-CLT组合梁的组合效率
为了评价钢-CLT组合梁的综合效率，采用综合效率系数对组合梁的整体性能进行评价。 组合效率系数是通过估计特定载荷下结构的刚度来估计的[19-20]。
(1)
在公式：
,
——无剪连接和全剪连接组合梁跨中应力理论值，mm；
——组合梁跨中应力模拟值，mm.in
,
γ值首先根据γ法估算出组合梁在两种组合（γ=0、γ=1）下的弯曲挠度（具体见2.6章），然后估算跨中理论值分别表示两种情况下的应力。
图11为钢-CLT组合梁综合效率退化曲线。 SGP连接的组合梁的综合效率明显低于CS连接的组合梁，表明SGP连接的组合梁具有更好的综合性能。 随着载荷的不断减小，组合梁发生弯曲变形，复合效率急剧增加。
图11 钢-CLT组合梁组合效率退化曲线 Fig.-
根据-2017《钢结构设计标准》[21]，采用L/400作为组合梁在SLS状态（正常使用极限状态）下的应力极限值，其中
是梁的跨径。 在复合梁达到SLS状态之前，复合效率处于稳定状态。 进入SLS状态后，复合材料效率退化速度明显加快，也就是说，一旦复合梁达到SLS状态，复合梁就正式进入屈服阶段，这也体现了设计的初衷。 组合梁充分利用了材料的硬度。
2.6 弯曲变形预测
采用法国规范EC5[24]中木组合梁设计方法的等效挠度法（γ法）[22]来预测组合梁的弯曲挠度。 具体公式如下：
其中：下标
,
分别代表主梁和木材；
——弹性泊松比，MPa；
——转动惯量，mm4；
——横截面积，mm2；
- 高度，毫米；
——剪缝宽度，mm；
——剪切缝挠度，kN/mm；
——钢梁质心至组合截面质心的高度，mm；
——CLT板质心至复合材料截面质心的高度，mm。
考虑到预制构件为钢-CLT组合结构，需要验证—2017中的挠度估算方法——折减挠度法[23]是否适用于钢-CLT组合结构。 具体估算公式如下：
在公式：
——钢梁弹性泊松比，MPa；
——刚度折减系数；
——换算截面惯性矩，mm4。
从图 12 估计弯曲挠度与模拟值的比较可以看出，γ法和折减挠度法得到的估计弯曲挠度与模拟挠度值相差不大，且折减法的挠度值一般低于模拟挠度值。 并且将两种方法得到的估计值与模拟挠度值进行比较得到的估计偏差（即1-（估计挠度值/模拟挠度值）的绝对值）在8%以内。
图 12 钢-CLT 组合梁的估计和模拟弯曲变形比较 -
2.7 极限挠度预测
参考法国规范EC5[24]中木-混凝土组合梁截面估算方法——γ法，并结合木-混凝土组合梁的挠度分析方法，得到了钢-CLT组合梁弯剪力的理论公式。文献[25]中提出了混凝土组合梁。 图13为组合梁截面弯剪力估计模型[25-26]。 其中B代表剪切力，P代表轴向力。
图13 截面弯剪力估计模型
式中：Mc——极限剪力，kN
米； εmax——最大拉伸应变； EIeff——组合梁挠度，N/mm2；
——钢梁质心至组合梁截面质心的高度，mm；
——钢梁高度，mm。
极限平衡法[23,26]是钢-混凝土组合结构设计原理中组合梁弯剪力的估计方法，用于验证其是否适用于钢-CLT组合结构。 具体公式如下：
在公式：
——组合梁顶部纵梁极限弯剪力，kN
米；
——剪力缝传递的弯矩之和，N；
——钢梁受压区至组合梁界面的距离，mm；
——CLT板受压区高度高强度与普通强度钢材钢框架设计对比分析，mm；
,
,
——钢梁高、宽，纵梁长度，mm；
,
—CLT 板长度、高度，毫米。
方程 13 是在组合梁组件完全屈服状态下获得的。 对于某些剪力连接组合梁，纵梁中性轴部分截面仍处于弹性状态，因此估计值会小于实际值。这里引入修正系数
[27]，其中
为弯矩连接度系数。 修正后的估算公式如下：
表3列出了极限剪力的估算值和模拟值，其中γ法估算值的偏差为3%~9%。 但极限平衡法得到的估计值普遍小于模拟值，最大偏差为16%。 其中引入的修正系数是基于钢-混凝土组合结构得到的，可能不适用于钢-CLT组合结构，导致公式换算后的理论值仍然普遍高于模拟值。 钢木组合梁中的该系数还需要进行一系列的研究来修正，以确定适用于钢木组合梁的修正系数。
表3 极限剪力理论值与模拟值对比 Tab.
3 推论
1）通过两种连接形式的比较可以看出，SGP连接钢-CLT组合梁的受弯性能优于CS（普通螺钉）连接钢-CLT组合梁。 在竖向荷载作用下，SGP连体钢-CLT组合梁的荷载-应力模拟曲线可分为弹性段和屈服段，呈现出显着的“二折线”特征，具有较高的抗弯承载力和良好的脆性； 在达到正常使用极限状态前，组合效率系数基本保持在80%以上，部分试件初始状态接近完全组合，表明浆液锚固纵梁连接能为钢-CLT提供良好的界面抗剪性能组合梁。
2）纵梁半径和缺口宽度是影响SGP接头钢-CLT组合梁的重要因素。 在一定范围内，纵梁半径越大，SGP接头钢-CLT组合梁的承载力、挠度及组合效率越高； 随着缺口宽度的减小，SGP接头钢-CLT组合梁的承载力、弯曲挠度和组合效率逐渐降低； 与单排布置相比，双排纵梁槽内布置可以明显提高组合梁的承载能力，但在这些连接方式下，纵梁不能充分发挥其性能，且物质很难充分利用。
3）钢-CLT组合梁的极限剪力值，γ法估算的极限剪力值与模拟值吻合较好； 由于采用钢-混凝土组合梁的修正系数，极限平衡法得到的折算理论值普遍超过模拟值，因此有必要研究适用于钢-木组合梁的修正系数。
4）SGP连接可以有效结合CLT板和纵梁的优良特性，表明其在钢木混合地板领域的可行性。 但该连接形式下CLT板纵梁长度、缺口规格及缺口形状对组合梁热工性能的影响有待进一步研究。 今后将开展灌浆锚纵梁连接的钢-CLT组合梁的弯曲性能试验。
引用这篇文章：
李荣范, 凌志斌, 穆全猛, 等. 灌浆锚固纵梁连接钢交木组合梁受弯性能有限元分析[J].木材科学与技术,2022,36(03): 80-89。
李荣帆, 凌志斌, 穆全猛, 等. 钉浆钢横梁的研究[J]. 林业,2022,36(03):80-89.
作者简介：李荣凡，男，上海应用技术大学土木工程学院硕士研究生。
通讯作者: 凌志斌, 男, 上海应用技术学院土木工程大学副院长。
基金名称：国家自然科学基金项目“新型剪力连接件木-混凝土组合梁的热工性能及改进机理”（）； "Six Peaks" " and of Steel-CLT Beams" " (JZ-038).
