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改进用于木材矩形框架的开槽螺栓连接的可行性
摘要：
本说明检查了改进的木质矩形框架的开槽螺栓连接的可行性。在改进的连接中，将钢管插入胶合物的钻孔中并用树脂注射固化到胶合木料。通过使用穿过钢管的高强度螺栓，机械地紧固具有弯曲槽口或弯曲的通风孔的铝接合板。由于螺栓张力的压缩完全由钢管支撑，因此可以避免由于胶合胶收缩引起的螺栓张力的减小。使用开槽的铝合金接合板可以在规定的旋转角度范围内，在铝合金接头板和钢管端面之间平滑滑动，从而实现稳定的能量消散。通过两个连接试样的准静态循环载荷试验，证明了在接近或大于1/50弧度的旋转角度范围内，其等效粘性阻尼比大于30％的稳定和几乎刚性的塑性磁滞回线。虽然进一步的改进是必要的，但实验结果证明了现有连接的可行性和潜力。
关键词：
木材力矩框架·开槽螺栓连接·摩擦阻尼器·钢管·树脂注入
介绍：
循环载荷下木材连接的性能是确定木结构框架整体抗震性能的关键因素之一。已经进行了一些研究工作，以改善木材连接的循环性能.1-7常规螺栓连接木材的滞后环通常以循环荷载作用下的刚度和强度的夹紧或退化的特征。夹紧的主要来源是螺栓孔的扩大，弹性螺栓的伸长率，或两者都是。夹持是不希望的，因为它导致能量耗散能力的降低。此外，夹紧减少了木框架的横向刚度，这可能需要在强烈地震之后进行修复。
作为避免夹紧的方法，最初作为钢框架的摩擦阻尼器开发的开槽螺栓连接（SBC）的概念被应用于木结构.5,6在SBC中，带和不带槽的钢板或长孔通过高强度螺栓紧固，并且能量通过在钢板之间滑动而消散。 SBCs对木材连接的应用至少可以追溯到Duff等人在20世纪90年代后期的工作。然而，由于钢板使用常规螺栓连接连接到胶合木材上，所以仍然存在捏合的问题。 Leichti等[6]开发了改进的木结构框架SBCs，并且证明可以使用准静态循环加载试验在SBC中阻止夹紧。然而，在他们的SBC中，使用由螺栓张力产生的摩擦阻力将钢板直接连接到胶合层。因此，由于胶合胶收缩引起的螺栓张力的减小可能导致能量消散能力的显着降低.7尽管使用了Belleville（锥盘）压缩垫圈来避免或最小化螺栓张力的减小，这种做法的长期可靠性是不确定的。
除了上述SBC之外，已经开发了两种类型的木框架摩擦连接，可以避免由于胶合木收缩导致的螺栓张力减小。 Tokuda等人8将钢管插入胶合木的超大钻孔中，并通过在胶合木和钢管之间注入环氧树脂固定它们。 Suzuki等人9将钢管压入直径略小于钢管直径的孔中。在这两个连接中，接合板通过穿过钢管的高强度螺栓机械地紧固。这样，由于螺栓张力的压缩可以完全由钢管支撑，这使得即使在长期使用中螺栓张力的减小也可以忽略不计。通过单调载荷试验显示，两个连接的破坏模式都是延展性的。尽管如此，在这些连接中夹紧是不可避免的，因为在接合板中没有设置槽。
本说明的目的是检查改进的SBC对木材力矩框架的可行性，其结合了上述SBC和上述摩擦连接的优点并消除了其弱点。本说明报告了进行的准静态循环加载试验的结果，以评估本SBC的性能。
材料和方法：
图1和图2说明了实验设置。 道格拉斯胶合体使用具有弯曲槽的铝拼接板连接到箱形钢管。 使用液压执行器将圆周载荷施加到胶合木的顶部，而箱形钢管固定到反应槽。 图3示意性地示出了样品的初始和变形结构。 如图4所示。将钢管插入胶合物中钻孔，将环氧树脂注入钢管和胶合物之间的空间。 使用穿过钢管的高强度螺栓将铝拼接板机械地紧固到胶合木。 准备了两个样品，称为标本A1和A2，用于测试。 它们之间的差异是插入胶合木中的钢管的数量和位置，如图5所示。
图6a示出了试验后的切开的试样。 建设过程的细节如下。
1.钻孔40mm，钻孔大约一半加宽，钻孔宽边的直径为45mm。
钢垫圈夹在钢管P1和P2之间，钢管P1和P2的外径和内径分别为34mm和25mm。 它们使用环氧树脂粘合在一起。 钢垫圈和钢管的组装从较宽侧插入到钻孔中。
- 将环氧树脂注入P1和胶合面之间的空间。 环氧树脂硬化后，将样品倒置。 然后将环氧树脂注入到P2和胶合物之间的空间中。
除了上述方法之外，如图6b所示，插入外径和内径为25mm和18mm的钢管P1 *和P2 *。用于消除垫圈的内径与P1和P2的内径之间的差异。注意，如果垫圈的内径等于P1和P2的内径，则这些附加的钢管P1 *和P2 *将是不必要的。
道格拉斯胶片的横截面和长度分别为390 mmtimes;150 mm和800 mm。胶合层的杨氏模量为10.5GPa，强度为30.0MPa。胶乳的平均含水量和密度分别为11.1％和488 kg / m3。铝合金板的等级和厚度为A2017P（JIS H4000）10和12mm。如图1所示，在拼接板中预先钻出18mm宽的弯曲狭槽或弯曲的细长孔。 3，使得允许的相对旋转角度等于1/20弧度。在铝拼接板上没有形成表面处理。注意，尽管选择铝作为该制品中的接合板的材料以实现平滑的滑动，只要获得平滑的滑动即可使用其它11种材料。所有钢管的等级为SS400（JIS G3101）.12高强度螺栓的等级和直径为F10T（JIS B1186）13和16 mm。环氧树脂的等级在剪切粘合强度方面为9.1MPa。将钢管浸泡在盐酸中12小时作为表面处理以增加粘合强度。在材料试验中，钢管和铝合金板的端面之间的平均摩擦系数为0.30。
使用如图1和2所示的液压致动器在胶合木的顶部施加循环水平强迫位移。 强制位移的振幅psi;在1.67,3.36,6.63,13.33和20.00mm系列中增加，每个振幅重复三个载荷循环。 确定振幅使psi;/ h对应于1/240,1 / 120,1 / 60,1 / 30和1/20弧度，其中h（= 400mm）是 执行器和旋转中心，如图1所示。 强制排水装载率为0.1 mm / s。
铝合金板和箱形钢管固定在反应槽上，如图1所示。
图3b示意性地描绘了胶合聚糖和铝粘合板之间的相对旋转角度theta;的测量。激光位移传感器固定在铝接头板上，如图1所示。相对旋转角度theta;可以如下获得：
（1）
其中u1和u2分别表示由激光位移传感器1和2测量的位移，d是两个激光位移传感器之间的距离。样品A1和A2的d值分别为255mm和165mm。此外，放置位移传感器以测量铝接合板和箱形钢管之间的相对位移，如图2所示。确保铝合金板与箱形钢管之间不发生相对位移。施加力矩M为：
M = Ph（2）
其中P是由安装在致动器上的称重传感器测量的施加的水平载荷，如图1和2所示。如图1所示。如图2b所示，通过使用附着在高强度螺栓中心的孔内的应变计来监测螺栓张力
结果与讨论
图7和图8示出了施加力矩M与胶合面和拼接板之间的相对旋转角度theta;之间的关系。力矩Mc的估计也由图中的虚线示出。对于样品A1和A2，Mc分别为26.5和28.6 kNm。这些值得到如下：
Mc =nmu;TR，（3）
其中n是高强度螺栓的数量，mu;（= 0.30）是从材料试验得到的铝合金接头板和钢管端面之间的平均摩擦系数，T是螺栓的平均值在准静态循环加载试验之前测量的张力，R是旋转中心与钢管位置之间的距离，如图5所示。
图9和图10示出了试验后的试样A1和A2。 应当注意，样品A2中的裂纹是微小的，并且使用黑色标记笔来指示它们在图1中的位置。 另一方面，指标A1中的裂纹清晰可见，并且没有使用标记来指示其位置。 图11显示了试验后的拼接板，从中可以清楚地看到滑动迹象。
表1总结了等效粘滞阻尼比的变化。 等效粘性阻尼比可以得到：
（4）
其中Eh是在一个磁滞回线周期中消耗的能量，Ee是磁滞回线中最大旋转角处的应变能。 请注意，Ee使用割线模数定义。
从测试中，我们发现以下观察结果：
1.成.功避免了夹紧，并在两个样品A1和A2中都获得了具有高等效粘性阻尼比的近刚性塑性滞后回路。
2.对于样品A1和A2，强度能力比分别为对应于Mc的最大弹性应力与胶合胶的纤维强度的比值分别为28.3％和30.1％。作为参考，每个样品的剪切应力与最大动态应力的比例为16.3％。
3.虽然部分断裂发生在胶合物中，如图1和2所示。 9和10，否
在磁滞回线中观察到明显的恢复力矩下降。这意味着当前连接的故障模式是延性的。
4.旋转角度的振幅测量值显着小于旋转角度psi;/ h的预期值。差异的可能原因是（1）由高强度螺栓和弯曲槽之间的间隙引起的旋转中心的变化和（2）胶合木的变形。
为了解决这个问题，在旋转中心提供一个针脚连接可能是有效的
5.即使相对旋转角度小于允许角度，也发生滑动发生时的预期硬化;通过试验获得的力矩略低于估计值。意想不到的硬化和较低的力矩容量的可能原因是（1）剪切力和力矩之间的相互作用，和（2）高强度螺栓的侧面和接合板的槽的摩擦力。在旋转中心提供引脚连接也可以帮助解决这些问题。
结论
本说明检查了改进的木质矩形框架的开槽螺栓连接的可行性。从两个连接样本的准静态循环加载试验获得的迟滞循环几乎是刚塑性的，在接近或大于1/50弧度的旋转角度的范围内具有大于30％的等效粘性阻尼比。虽然在滑动阶段观察到意外的硬化，但实验结果证明了本连接的可能性和潜力。
本文提出的木材力矩框架改进SBC的主要优点可概括如下：（1）螺栓张力的压缩由钢管完全支撑，防止由于胶合胶收缩导致的能量消耗能力的降低，长期使用。 （2）当木框架处于正常状态或受到小到中等地震时，初始刚度非常高。另一方面，当钢框架受到强烈地震时，可以预期钢管和铝合金板之间的滑动会产生稳定的大的能量耗散。
未来需要解决的问题包括但不限于检查在旋转中心提供销钉连接的影响，进一步改进建立过程，更加全面地了解研究拟议SBC设计指南的设计条件。
致谢本研究得到日本木材研究协会提供的Emachu研究资助（2009-2010）的支持。京都大学的技术工程师吉田义雄先生帮助了实验。我们非常感谢这一支持。此外，作者还感谢审稿人的意见，这导致了本文草案的显着改进。
Y. Araki (*) · T. Endo · M. Iwata
Department of Architecture and Architectural Engineering, Kyoto University, Katsura, Nishikyo, Kyoto 615-8540, Japan
Tel. 81-75-383-2924; Fax 81-75-383-2924
e-mail: araki@archi.kyoto-u.ac.jp
图1 试样A1的试验装置
图2 试验台试样A1（a）和A2（b）的照片。 A，道格拉斯胶片 B，铝拼接板; C，箱型钢管; D，称重传感器; E，激光位移传感器（圆圈）; F，位移传感器
图3 标本的配置：初始配置，b变形配置。 拼接板中预先钻出的弯曲槽由浅灰色的细长圆圈表示，穿过胶合木的钻孔的高强度螺栓用黑色圆圈表示
图4 钢管与胶合物之间树脂注射示意图
图5 钢管的位置:试样A1，试样A2.
图6.试验后切开的试样：基本组成，b插入附加管。 P1，P2，相同的钢管; P2 *，插入P2的钢管与垫圈相同的内径
图7 试样A1的力矩（M）和相对旋转角度（theta;）之间的关系
图8 试样A2的相对转角关系
图9 试样A1侧视图和底视图
图10 试样A2侧视图和底视图
图11 实验后的结合板显示处脱滑迹象
表1 等效粘滞阻尼比的变化（mm）
References
1. Rodd PD (1988) Timber joints made with new and improved cir-cular dowel connectors. In: Proceedings of the International Timber Engineering Conference, Seattle, vol 1, pp 26–37
2. Guan ZW, Rodd PD (2001) Hollow steel dowels – a new applica-tion in semi-rigid timber connections. Eng Struct 23:110–119
3. Leijten AJM, Ruxton S, Prion H, Lam F (2006) Reversed-cyclic behavior of a novel heavy timber tube connection. J Struct Eng 132:1314–1319
4. Thelandersson S, Larsen HJ (2009) Timber engineering. Wiley, Chichester
5. Duff SF, Black RG, Mahin A, Blondet M
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