一种重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法

1.本发明涉及力学计算领域，具体涉及一种重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法。


背景技术：

2.连接是重组竹运用至结构体系承重构件中最为关键的部分，当前重组竹螺栓连接的研究主要集中于钢夹板螺栓连接和钢填板螺栓连接两种。钢填板螺栓连接美观、但平面外刚度较小，钢夹板螺栓连接施工方便、平面外刚度较大、应用广泛。最为关键的问题是目前还未见复杂受力状态下重组构件-钢夹板螺栓连接的承载力计算方法，研究过程中多基于木结构中螺栓连接的计算理论和方法探索该类连接的承载力解析模型。《木结构设计标准》(gb50005-2017)给出的木构件-钢夹板螺栓连接承载力计算解析模型难以适用于复杂受力状态下重组竹
ꢀ‑
钢夹板螺栓连接的承载力计算，主要原因是：1)重组竹与木制产品的物理力学性能相差较大；2)木构件-钢夹板螺栓连接承载力计算解析模型基于单向受力模式(顺纹或横纹方向)构建，对于连接复杂受力(同时承受顺纹和横纹方向的外力)工况下连接承载力计算方法，还需进一步完善。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
5.一种重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法，包括如下步骤：
6.s1、根据木结构螺栓连接承载力计算理论确定重组竹节点屈服模式，并根据受力平衡推导各种节点连接屈服模式下的销槽承压有效长度系数；
7.s2、根据所确定的节点屈服模式计算节点承载力，并采用合理的重组竹钢夹板螺栓连接节点有限元模型比对所计算的节点承载力结果与有限元模型模拟结果；
8.s3、根据步骤s2比对后的节点承载力结果与有限元模型模拟结果对节点承载力计算方式进行修正并验证，输出钢夹板螺栓节点的节点设计。
9.进一步的，所述s1中节点屈服模式包括重组竹销槽承压破坏is、螺栓在重组竹板内发生单铰屈服ⅲm
以及螺栓在重组竹板与钢板交界面处发生双铰屈服ⅳ。
10.进一步的，所述s1中销槽承压有效长度系数的计算方式为：
11.k
aⅰ＝0.5
[0012][0013]
[0014]
其中，k
aⅰ、k
aⅲ、k
aⅳ分别为节点屈服模式包括重组竹销槽承压破坏is、螺栓在重组竹板内发生单铰屈服ⅲm
以及螺栓在重组竹板与钢板交界面处发生双铰屈服ⅳ的插销承压有效长度系数，a0为木材销槽承压有效长度；f
ha
为木材的销槽承压强度标准值，f
ha
为重组竹竹构件的销槽承压强度标准值，my为螺栓的屈服弯矩，d为销直径，η为销径比，η＝a/d，a为木构件厚度；fy为圆钢销的屈服强度标准值；k
ep
为弹塑性强化系数。
[0015]
进一步的，所述s1中有限元模型确定节点屈服模式判断标准为：当竹板孔处发生了0.05d的变形时，则发生销槽承压破坏ⅰs
；若竹板孔的位移未达到破坏但螺栓发生屈服，则认为发生ⅲm或ⅳ破坏模式，其中，当发生螺栓在重组竹板内发生单铰屈服ⅲm
破坏时在竹板中形成一个单铰，当发生螺栓在重组竹板与钢板交界面处发生双铰屈服ⅳ破坏时在重组竹板中以及重组竹与钢板交界处形成双铰。
[0016]
进一步的，所述s2中重组竹钢夹板螺栓连接节点有限元模型的建立方式为:
[0017]
根据销槽承压和销受弯应力-应变的多折线模型模型为基础，以连接产生 0.05d的塑性变形达到承载力极限状态的标志
[0018]
进一步的，所述s3中修正后的组竹钢夹板螺栓连接承载力公式表示为：
[0019]rk
＝k
ad,min
adf
ha
[0020][0021]kaⅰ＝0.5
[0022][0023][0024]
其中，rk为单栓承载力标准值；为调整系数，根据试验建议取调整系数为 1.5。
[0025]
进一步的，所述s3中输出钢夹板螺栓节点的节点设计的具体方式为：
[0026]
s31、初步选用直径为d的螺栓，根据承载力解析模型确定该螺栓的单拴承载力rk；
[0027]
s32、根据受力公式确定栓个数并在满足构造要求的基础上设定栓的布置形式；
[0028]
s33、判断角部上边缘的螺栓的受力合力是否小于等于单栓承载力，若是则输出确定的螺栓直径、个数以及布置形式；
[0029]
s34、若角部上边缘的螺栓的受力合力大于单栓柱承载力，则判断螺栓个数是否符合，若不符合则重新确定螺栓个数并更换布置形式，若螺栓个数符合则重新布置形式
[0030]
本发明具有以下有益效果：
[0031]
1.提出了复杂受力状态下适用于28e-165f重组竹钢夹板螺栓连接的承载能力计算解析模型；
[0032]
2.基于现有试验数据采用对数正态分布模型描述了密度为1.1g/cm3的重组竹顺纹和横纹方向的销槽承压强度标准值，销槽承压强度标准值统一取 100.19mpa(置信水平75％、分位数0.05)；
[0033]
3.给出了重组竹钢夹板螺栓连接的三种破坏模式，即重组竹板孔壁承压破坏is、销在重组竹板内部形成一个塑性铰ⅲm
和销分别在竹板内部和钢夹板与重组竹板之间形成
两个塑性铰ⅳ；
[0034]
4.研究并给出了不同屈服模式所对应的抗力分项系数；
[0035]
5.探讨了屈服模式ⅲm
和ⅳ出现的边界条件。
附图说明
[0036]
图1为本发明重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法流程示意图。
[0037]
图2为本发明螺栓节点设计流程示意图。
[0038]
图3为本发明实施例钢夹板销连接双剪连接的屈服模式，其中a为ⅰm
破坏， b为ⅲm
破坏，c为ⅳ破坏。
[0039]
图4为本发明实施例螺栓连接压应力分布，其中a为ⅰm
破坏，b为ⅲm
破坏，c为ⅳ破坏。
[0040]
图5为本发明实施例屈服与极限载荷确定荷载-变形曲线图。
[0041]
图6为本发明实施例96-16-10节点应力云图，其中a为重组竹应力云图，b 为螺栓应力云图。
[0042]
图7为本发明实施例轴力和弯矩作用下群栓受力示意图。
[0043]
图8为本发明实施例螺栓节点的布置示意图。
具体实施方式
[0044]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0045]
一种重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0046]
s1、根据重组竹螺栓连接承载力计算公式确定节点屈服模式，并计算各中节点屈服模式下的销槽承压有效长度系数；
[0047]
具体而言，在本实施例里，结合欧洲木结构设计规范与中国现行 gb5005-2017《木结构设计标准》的承载力计算公式，可以看出：1)若发生ⅰm
破坏时，销的直径很粗，中部构件较薄，边部构件较厚，中部构件销槽挤压破坏。2)ⅰs
销的直径很粗，中部构件较厚，边部构件较薄，边部构件销槽挤压破坏。3)ⅲm
销的直径较细，两构件销槽承压强度相同,在中部构件中出现塑性单铰；4)ⅳ销的直径较细，两构件销槽承压强度均较高，在两构件中均出现塑性双铰。当发生螺栓屈服破坏，无论是单铰或是双铰破坏，根据欧洲屈服模式，认为当连接处塑性变形达到0.05d时，螺栓达到屈服产生破坏。
[0048]
钢夹板双剪连接时，由于钢板的刚度明显较高，因此对于上述四种的屈服模式由于钢板的销槽承压强度相对重组竹较高，因此不考虑钢板达到销槽承压强度，考虑发生的破坏形态有三种如图3。
[0049]
图4代表破坏模式ⅰs
、ⅲm
、ⅳ，破坏模式ⅰs
连接重组竹板孔壁承压破坏；ⅲm
销在重组竹板内部形成一个塑性铰；ⅳ销分别在竹板内部和钢夹板与重组竹板之间形成两个塑性铰的情况，
[0050]
根据图4(a)、(b)、(c)受力平衡条件得到公式(1)、(2)、(3)：
[0051][0052][0053][0054]
其中：my为螺栓的屈服弯矩，my＝f
ykw
πd3/32；fy为圆钢销的屈服强度标准值，kw为塑性系数，完全塑性时kw＝1.7；d为直径；a0为木材销槽承压有效长度；f
ha
为木材的销槽承压强度标准值。
[0055]
此时，由受力平衡得到单个剪面的承载力r分别为式(4)、(5)、(6)和销槽承压有效长度系数k
aⅰ、k
aⅲ、k
aⅳ见式(7)、(8)、(9)：
[0056]
r＝k
aⅰadf
ha
ꢀꢀ
(4)
[0057][0058][0059]kaⅰ＝0.5
ꢀꢀ
(7)
[0060][0061][0062]
根据gb50005-2017《木结构设计标准》
[3]
，对于ⅲm
、ⅳ破坏形态取kw＝1.4，屈服模式屈服模式ⅲm
、ⅳ对应的销槽承压有效长度系数为(10)、(11)：
[0063][0064][0065]
式中：f
ha
为木构件的销槽承压强度标准值；η为销径比，η＝a/d，d为销直径，a为木构件厚度；fy为圆钢销的屈服强度标准值；k
ep
为弹塑性强化系数。
[0066]rk
＝k
ad,min
adf
ha
ꢀꢀ
(12)
[0067][0068]
式中：k
ad,min
为承载能力设计值计算系数。
[0069]
为与cb5005-2003螺栓连接设计的可靠性保持基本一致，统计分析了现存4 种己知气干质量密度竹种重组竹，与屈服模式is对应的螺栓连接的承载力，结果列于表1中。表中螺栓连接承载力设计值按ra＝0.7adfc计算(fc为木材的顺纹抗压强)。承载力标准值按cb5005-2017中rd＝k
ad,min
adf
ha
计算，其中承压强度按 f
ha
＝77g计算。抗力分项系数γi＝rk
/rd。由此获得抗力分项系数取γi为1.56，木结构取值γi为4.38。可以看出重组竹的分项系数比木材低1.8倍。
[0070]
表1螺栓连接屈服模式ⅰs承载力校准
[0071][0072]
表中：rk为按gb 5005-2017计算的承载力设计值；rd为按gb 5005-2003计算的承载力设计值。
[0073]
类似破坏模式is对应的抗力分项系数γi去统计分析了4家重组竹产品已知气干密度重组竹材，螺栓连接与屈服模式ⅲm
、ⅳ对应的承载力，结果列于表2 中。表中rk按照式(14)、(15)(16)、(17)计算，rd按照式(17)计算。两者的比值即为抗力分项系数。螺栓采用钢材为q235，k
ep
＝1.0。由前文知对于厚径比(a/d)不同，破坏形态不同，随着厚径比的增大破坏模式逐渐从ⅲm
向ⅳ发展，因此对于分项系数的取值需要考虑厚径比。因为厚径比为一不会发生螺栓弯曲破坏，因此考虑从a/d＝2开始。因此重组竹可取γⅲ、γⅳ为1.28，与木材相比γⅲm
＝2.22、γⅳ＝1.88。
[0074]rk
＝k
ad,min
adf
ha
ꢀꢀ
(14)
[0075][0076][0077][0078]
表2螺栓连接屈服模式ⅲm
、ⅳ承载力校准
[0079][0080][0081]
注：表格中螺栓直径取16mm，竹材销槽承压强度与上表相同。
[0082]
确定了各屈服模式对应的螺栓连接抗力分项系数，就可以得到单个销单个剪面的承载力设计值计算公式见式(18)、(19)：
[0083]
rd＝k
ad,min
adf
ha
ꢀꢀ
(18)
[0084]
[0085]
在探究竹结构螺栓连接承载力时，销槽承压强度具有重要的意义。销槽承压强度的获得根据astm d5764-97a
[6]
中所规定试验方法进行单根螺栓轴向受压试验得到，首先槽承压屈服荷载由试验获得的荷载-位移曲线如图5确定，即取销槽塑性变形的交点在最大荷载之后，则取荷载-位移曲线上最大荷载为屈服荷载。用屈服荷载除以螺栓直径与竹板厚度为销承载强度.
[0086]
《中国现行木结构设计标准》gb50005-2017中对销槽承压标准值做了如下规定：当6mm《d《25mm时，销轴类紧固件销槽顺纹承压强度f
e,0
应按fe,0＝77g 确定。研究表明nds/lrfd和eurocode中两个设计公式均基于密度较低地木材 (0.36～0.52g/cm3)，并未考虑对高密度木材的试用性。将两个设计公式用在密度是0.70g/cm3左右的木材销槽承压强度的预测，结果发现预测结果偏小。对于销槽承压强度值的预测程度太过保守。因此本文以慈竹为原材料制造的结构用重组竹(力学性能强度等级为28e-165f)的销槽承压强度值进行统计见表3。
[0087]
表3重组竹销槽承压试验结果
[0088][0089][0090]
s2、根据所确定的节点屈服模式计算节点承载力，并建立重组竹钢夹板螺栓连接节点有限元模型，模拟比对所计算的节点承载力结果与有限元模型模拟结果；
[0091]
根据屈服模式，以销槽承压和销受弯应力-应变的钢塑性模型为基础，以连接产生0.05d(d为销直径)的塑性变形达到承载力极限状态的标志。本文推导强度等级为28e-165f的重组竹单螺栓承载能力计算公式，因此需要对于有限元中单根螺栓受力大小进行对比。对于整体模型来说，螺栓的上所受的荷载大小与竹板孔表面的剪力大小一致。因此，可以通过竹板孔表面所有节点合力的大小来获得单根螺栓在破坏时所承受的荷载大小，即承载力大小。此处给出有限元结果对于破坏模式ⅰs
、ⅲm
、ⅳ对应的判别标准分别为：当竹板孔处发生了0.05d 的变形时，认为发生销槽承压破坏,即破坏模式为ⅰs
。若竹板孔的位移未达到破坏，但螺栓发生屈服，则认为发生ⅲm或ⅳ破坏模式。根据破坏形态知，当发生ⅲm
破坏时在竹板中形成一个单铰。当发生ⅳ破坏时在重组竹板中以及重组竹与钢板交界处形成双铰。当加载到破坏后，进入后处理查看螺栓变形结果：取螺栓构件的一半并选取钢板外表面(z＝a/2+c)、重组竹板与钢板交界面(z＝a/2)、以及(z＝a/4)截面及螺栓中心(z＝0)位置处的螺栓的总位移，根据相对位移值计算斜率大小。若此时螺栓在竹板中的斜率先增大，在重组竹板与钢板交界面处的斜率不变，则认为发生单铰破坏。若在重组竹板与钢板交界面处
的斜率变小，则认为发生双铰破坏，即钢板对螺栓有一定的钳制作用。
[0092]
本文竖向荷载加载位置在钢毂正中心，对于螺栓不是轴向受力。因此需要受力大小由剪力和弯矩共同作用而成。当荷载加载到330kn发现重组竹板应力达到，螺栓与竹板上应力云图如图6所示，螺栓应力局部超过销槽承压强度 111mpa，重组竹板孔处的应力均处于60～120mpa之间，而此时螺栓均发生较大程度的弯曲且大面积超过屈服应力640mpa进入屈服状态。
[0093]
此时认为螺栓发生铰屈服破坏，此时每根螺栓对应的承载力有限元结果提取如表4.
[0094]
表4单根螺栓承载力
[0095][0096]
从上表以及上图可得：编号为1-1、2-3、2-4、3-2、4-3、4-4、的螺栓所受承载力最大，每根螺栓上的最大承载力达到了74kn，在此基础上提取每根螺栓对应的变形量，计算重组竹板与钢板交界面(z＝a/2)、竹板中截面位置、竹板中心处(z＝0)处螺栓变形量以及斜率大小，将计算结果列于下表5：
[0097]
表5螺栓节点位移汇总
[0098][0099]
依据前文给出的有限元分析达到破坏的判断准则，从上述结果可以发现本构造下螺栓的变形斜率是逐渐增大的，即在钢板处未对螺栓产生钳制作用。但螺栓4-3发生了在钢板与竹板处斜率减小的情况，则认为重组竹钢夹板螺栓节点发生的破坏模式为ⅲm
和ⅳ共同发生，按照前文推导的破坏模式对应的计算公式计算得到此种构造下重组竹螺栓连接节点的承载力，按照ⅲm
模式计算承载力大小为38.705mpa，按照ⅳ模式计算承载力大小为54.737mpa，而此时单根螺栓上的承载力已高达74.601mpa，因此可以看出木结构螺栓连接承载力计算公式并不适用于重组竹钢夹板螺栓承载力计算。因此，分析上式可以发现其中kw的取值代表着塑性发展系数，因此推断由于重组竹强度较木材强度更高，会使螺栓塑性发展程度更高，由于k
ep
代表圆钢销弹塑性强化系数，kw的取值代表着塑性发展系数。因此对于k
ep
和kw的取值进行调整。考虑圆钢销塑性完全发展，弯矩标准值my＝f
ykw
πd3/32，其中kw＝1.7。而我国销连接计算中，考虑塑性并不充分发展，取kw＝1.4。我国木结构设计规范是采用了弹塑性系数，以体现所用钢销材质特性对连接承载力的影响，对于常用的q235的钢材，符合理性弹塑性假设，取k
ep
＝1.0；而nds-2005则考虑钢材的强化性质，取k
ep
＝1.3。采用于k
ep
和kw分别取值为1.3和1.7按照ⅲm
模式计算承载力大小为48.630mpa，按照ⅳ模式计算承载力大小为68.773mpa。可见重组竹螺钢夹板栓连接节点参考nds-2005 的系数考虑更加合理。
[0100]
s3、根据步骤s2比对后的节点承载力结果与有限元模型模拟结果对节点承载力计
算方式进行修正并验证，输出钢夹板螺栓节点的节点设计。
[0101]
根据gb50005-2017《木结构设计标准》木结构的承载能力公式分析，承载力设计值的影响因素涉及到重组竹板厚度、螺栓直径以及钢板厚度。因此，需要分别探究重组竹板厚度、螺栓直径以及钢板厚度因素对于承载能力的影响。从而基于木结构钢夹板螺栓连接公式给出适用于重组竹钢夹板螺栓连接承载力计算的合理计算公式。首先结合欧洲屈服模式，发生ⅰs
销的直径很粗，中部构件较薄，边部钢板较厚,中部构件销槽挤压破坏。当发生ⅲm
破坏时销的直径较细，两构件销槽承压强度相同，在中部构件中出现塑性单铰；发生ⅳ破坏时销的直径较细，两构件销槽承压强度均较高，在两构件中均出现塑性双铰。可以通过上述三种破坏模式看出节点破坏主要分为竹板销槽承压屈服以螺栓发生屈服两种情况。那么当竹板厚度较薄，刚度和强度无法抵抗外荷载作用，发生孔壁的局部屈曲；而当竹板厚度达到一定程度，而螺栓直径较细时，此时就会发生螺栓的屈服。螺栓发生屈服又分为单铰屈服模式与双铰屈服模式，通过对欧洲屈服模式的分析，钢板与螺栓的强度与刚度会影响到单铰与双铰的形成。结合欧洲规范ec5，将钢板分为薄钢板与厚钢板，认为薄钢板对于螺栓没有钳制作用，而厚钢板对螺栓有钳制作用，因此形成塑性双铰
[2]
。那么，对于单双铰的形成即破坏模式ⅲm
和ⅳ的区分应该与所选钢板与螺栓的强度有关。因此可以定性进行分析：当螺栓强度较低，直径较细，而钢板强度较高时，易对螺栓起钳制作用，从而使螺栓在竹板与界面处形成双铰；当螺栓强度较高或螺栓直径较粗时，而钢板厚度较低，无法对螺栓产生钳制作用，那么钢板厚度将不能对螺栓产生钳制作用。因此，对于钢板是否会对螺栓产生钳制作用还取决于其两者相对强度与刚度的大小。只有当螺栓强度与钢板强度相当时，钢板的厚度才会对螺栓形成单铰或双铰破坏产生影响。根据《钢结构设计标准》，目前市面上普遍适用的钢板总类与螺栓总类分别见表6、表7。
[0102]
表6常用钢材牌号
[0103][0104]
表7常用螺栓等级
[0105][0106]
本试验采用的螺栓为8.8级高强螺栓，钢板强度为q235钢。对于承载力的影响分析均是建立在本试验采用钢材牌号为q235，螺栓等级为承压型高强螺栓 8.8级。根据上述分析，可以看出本试验使用的螺栓等级较高，而钢材牌号与强度较低。这将对不同破坏模式的界限产生影响。
[0107]
当重组竹构件厚度较薄时，类似于木材易发生劈裂、脆断等破坏现象。而此类破坏是属于脆性破坏，常常是不被允许发生的。同时根据承载力计算公式可以看出重组竹构件厚度对承载能力有着重要的影响。结合屈服模式，当竹构件的厚度较薄即上述计算结果论证出当竹板从32mm增大到64mm变化的过程中，螺栓选用直径为16mm的8.8级高强螺栓，螺栓的刚度较大，易发生ⅰs
竹板销槽承压破坏。而当竹板达到一定厚度时，竹构件的刚度足够抵抗螺栓弯曲时，螺栓先于竹板发生屈服，即发生破坏模式变为ⅲm
或者ⅳ型破坏模式。此时竹板厚度则不再作为控制破坏模式的因素。
[0108]
经过以上对不同竹板厚度的分析，设置竹板厚度为25mm、32mm与48mm 不同螺栓直径与钢板厚度对应的承载力大小，将计算结果列于下表8
[0109]
表8竹板销槽承压破坏与承载力计算对比
[0110][0111]
其中：p
t
为承载力公式计算结果；pc为有限元计算结果。
[0112]
对于发生竹板销槽承压破坏即屈服模式为ⅰs
对应的有限元模拟值与计算值基本一致，c
t
的均值为1.068，可以认为重组竹钢夹板螺栓连接屈服模式为ⅰs
承载力计算公式与木结构螺栓连接承载力计算公式一致。
[0113]
钢板的厚度决定了节点的破坏模式以及对应的承载能力计算。当钢板厚度小于0.5d时，钢板为薄钢板。当钢板厚度大于d且孔径公差小于0.1d时，钢板为厚钢板。为探究重组竹钢夹板连接节点钢板厚度是否与竹板具有相同结论，需对同一厚度竹构件统一螺栓直径，适当放大钢板厚度为0.5d-d进行有限元模拟。下面对于竹构件厚度为64mm时，为避免钢板不出现销槽承压破坏，当螺栓直径为8mm时，钢板最小厚度为6mm；当螺栓直径为为10mm时，钢板最小厚度为12mm；当螺栓直径为12mm时，钢板最小厚度为16mm。不同螺栓直径为8mm、10mm、12mm与不同钢板厚度的承载力进行计算，将结果统计至下表 10。考虑到竹板中螺栓塑性发展系数较高，因此对计算公式中对k
ep
和kw进行不同取值并代入承载力计算公式计算承载力，同时引入校验系数c
t
。
[0114]
重组竹钢夹板螺栓连接节点的承载能力要远高于木结构钢夹板螺栓连接节点的承载能力，因此引入单根螺栓有限元计算结果与理论计算结果的比值作为竹木强度性能比例因子c
t
，对64mm厚度比例因取平均值为1.77。当竹板厚度为64mm时，当螺栓直径为8mm、钢板厚度为6mm时，螺栓发生ⅲm
破坏模式，当8-16mm时发生了ⅳ破坏模式。当螺栓直径为10和12mm时，钢板将不能对螺栓起钳制作。
[0115]
对90mm厚度比例因取平均值为1.83。当竹板厚度为90mm时，当螺栓直径为8mm、螺栓发生ⅳ破坏模式。当螺栓直径为10和12mm时，钢板将不能对螺栓起钳制作用。与竹板厚度为64mm时相同，计算结果统计如表9所示。
[0116]
表91 90mm厚竹板不同螺栓直径与钢板厚度统计
[0117]
[0118][0119]
对120mm厚度比例因取平均值为1.86。当竹板厚度为120mm时，当螺栓直径为8mm、螺栓发生ⅳ破坏模式。当螺栓直径为10和12mm时，钢板将不能对螺栓起钳制作用。与竹板厚度为64mm时相同，计算结果如表10所示。
[0120]
表10 120mm厚竹板不同螺栓直径与钢板厚度统计
[0121][0122]
由于根据屈服模式只考虑前文所涉及的三种屈服模式应避免钢板出现销槽承压破坏，需要根据《钢结构设计规范》gb50017-2017中对于钢板销槽承压强度按照式(20)进行验算。本试验采用的螺栓为8.8级承压型高强螺栓，钢板强度为q235钢。查找规范知q235钢与8.8级承压型高强螺栓的销槽承压强度为 470mpa。因此在设计钢板厚度与螺栓直径的对比工况中，应按此方法确定钢板厚度的最小值。保证钢板不先于螺栓发生破坏从而避免钢板销槽承压形态出现
[0123]
[0124]
式中：为钢板的销槽承压强度。本试验取值为470mpa。
[0125]
木结构设计规范提出的螺栓连接节点破坏模式和相应承载力计算公式是基于johanson屈服理论，将钢板分为了薄钢板与厚钢板两种情况。认为厚钢板对于螺栓的转动有竹构的钳制作用，而薄钢板没有明显约束力。因此钢板的厚度决定了节点的破坏模式以及对应的承载能力计算。当钢板厚度小于0.5d时，钢板为薄钢板。当钢板厚度大于d且孔径公差小于0.1d时，钢板为厚钢板。由于本试验采用钢材等级为q235，因此只有到达一定厚度才会对螺栓有钳制作用。类似地，此时将螺栓直径为8mm，10mm，12mm时承载力变化线性段的起始端近似当成螺栓薄厚钢板的界限，因此薄钢板的界限为在竹板不发生销槽承压破坏的情况下钢板发生销槽承压破坏的临界钢板厚度，而钢板厚度到达1.4倍d时认为是厚钢板。从以上结果对比可以看出重组竹钢夹板螺栓连接节点的屈服模式与木构件略有差别，其承载力要高于木结构螺栓连接承载力。因此，对于重组竹钢夹板螺栓连接节点引入μ，通过分析该取其均值为1.8，修正后的重组竹钢夹板螺栓连接承载力公式表示为：
[0126]rk
＝k
ad,min
adf
ha
ꢀꢀ
(21)
[0127][0128]
式中：μ由前文有限元计算结果确定。
[0129]
由于以上所有工况是在节点出现破坏时单根螺栓上的承载力，而承载力计算公式认为螺栓达到屈服时即达到承载能力。因此对于上述计算值引入系数，该系数为达到破坏时螺栓上的应力大小达到780mpa，而螺栓的屈服应力为 640mpa，因此将上述承载力计算结果引入折减系数γ，其值大小为极限应力与屈服应力的比值，即取值大小为0.8。为调整系数因此因此单根螺栓单个剪面承载能力计算公式为式(23)、(24)、(25)、(26)、(27)：
[0130]rk
＝k
ad,min
adf
ha
ꢀꢀ
(23)
[0131][0132]kaⅰ＝0.5
ꢀꢀ
(25)
[0133][0134][0135]
式中：γ为极限应力与屈服应力的比值取值为0.8。
[0136]
为验证公式的适用性，取调整系数为1.5，对重组竹钢夹板螺栓连接节点的试验结果进行计算，将计算结果列于下表11用于与其试验结果进行对比。
[0137]
表11钢夹板单螺栓连接重组竹承载性能结果及计算值比较
[0138][0139][0140]
其中：pt为承载力计算结果，pc为其试验所测节点承载力结果。
[0141]
从上比例因子c
t
的平均值为1.4，由于未屈服模式是否处于薄厚钢板的边界，未进行插值计算，因此允许存在一定的偏差。其次，由于李霞镇的试验研究采用的是以毛竹为原材料的重组竹材，其顺纹抗压强度远低于本试验的重组竹顺纹抗压强度，由此可以看出本节提出的承载力计算公式并不完全受强度等级和不同原材料重组竹种类的限制，可以适用于不同品种重组竹螺栓连接节点承载力，当然后期仍需要通过更多的试验与有限元计算分析来验证并修正其正确性。
[0142]
节点设计流程如图2所示，具体包括：
[0143]
s31、初步选用直径为d的螺栓，根据承载力解析模型确定该螺栓的单拴柱承载力rk；
[0144]
s32、根据受力公式确定栓柱个数并在满足构造要求的基础上设定栓柱的布置形式；
[0145]
s33、判断角部上边缘的螺栓的受力合力是否小于等于单栓柱承载力，若是则输出确定的螺栓直径、个数以及布置形式；
[0146]
s34、若角部上边缘的螺栓的受力合力大于单栓柱承载力，则判断螺栓个数是否符合，若不符合则重新确定螺栓个数并更换布置形式，若螺栓个数符合则重新布置形式。
[0147]
按照钢结构螺栓连接形式的计算方法，近似认为转动中心为螺栓群的形心。由于此时剪力较小，则考虑轴力和弯矩共同作用下的节点受力，如图7所示，此时对于螺栓群而言受到了剪力和扭矩的共同作用，且其受力形态可拆分为仅剪力作用和仅扭矩作用的组合。
[0148]
螺栓群在通过其形心的剪力f作用下，认为每个螺栓受力均匀，则对应的受力如公式(28)所示。
[0149][0150]
螺栓群在扭矩作用下，每个螺栓实际也是受剪。计算时假定连接构件是绝对刚性的，螺栓则是弹性的，所以螺栓都绕螺栓群的形心旋转，其受力大小与到螺栓群形心的距离
成正比，方向与螺栓到形心的连线垂直。设螺栓1，2，
…
， n到螺栓群形心的距离为r1，r2，
…
,rn，各螺栓承受的力分别为n
1f
，n
2f
，
…
， n
nf
。根据平衡条件，扭矩可表示为公式(29)。
[0151]
t＝n
1t
r1+n
2t
r2+
…
+n
ntrn
ꢀꢀ
(29)
[0152]
考虑到扭矩作用下，螺栓受力大小与其形心的距离成正比，则有公式(1-30)。更进一步，将公式(30)带入公式(29)可得公式(31)，且角部上边缘的受力可分解为公式(32)和(33)。
[0153][0154][0155][0156][0157]
结合图7可知，角部上边缘的螺栓离形心最远，其受力最大，则其合力为
[0158][0159]
在进行节点的设计时，受力最大的螺栓必须满足公式(36)，且承载力应按公式(37)和(38)进行计算。
[0160][0161][0162]
rd＝k
ad,min
adf
ha
ꢀꢀ
(37)
[0163][0164]
式中：f为轴力大小，n为螺栓个数，rk为单根螺栓单个剪面承载能力标准值。
[0165]
因此，对上述跨度为4m的网壳结构为例(其重组竹截面大小为50mm
×
100mm，钢板厚度为10mm)，对其节点进行设计。首先，根据1.4节单根螺栓单个剪面承载能力计算公式(23)～(27)计算得出直径8mm的8.8级螺栓的承载力大小为82.43kn；其次，根据剪力大小77.209kn，按公式(35)，初步选用8根螺栓；然后，基于构造要求，拟定4根螺栓按2排2列绕形心等间距排布(x和y等距离)，且距形心r为40mm；最后，根据扭矩大小8.716kn
·
m，带入公式(36)，n1为69.48kn，符合要求。最终螺栓节点中的螺栓直径、个数及布置形式如图8所示。
[0166]
本实施例，重组竹钢夹板螺栓连接承载力公式应用于钢夹板螺栓节点的节点设计，对于不同的受力形式，利用类似于钢结构群栓作用节点设计的方法，让每根螺栓上所受合力小于或等于单根螺栓所受的承载力大小进行验算。值得注意的是受力存在弯矩应先满
足构造要求的基础上进行节点设计，节点应该至少选用两根螺栓来抵抗弯矩。
[0167]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0168]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、根据木结构螺栓连接承载力计算理论确定重组竹节点屈服模式，并根据受力平衡推导各种节点连接屈服模式下的销槽承压有效长度系数；s2、根据所确定的节点屈服模式计算节点承载力，并采用合理的重组竹钢夹板螺栓连接节点有限元模型比对所计算的节点承载力结果与有限元模型模拟结果；s3、根据步骤s2比对后的节点承载力结果与有限元模型模拟结果对节点承载力计算方式进行修正并验证，输出钢夹板螺栓节点的节点设计。2.根据权利要求1所述的一种重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法，其特征在于，所述s1中节点屈服模式包括重组竹销槽承压破坏i
s
、螺栓在重组竹板内发生单铰屈服ⅲm
以及螺栓在重组竹板与钢板交界面处发生双铰屈服ⅳ。3.根据权利要求2所述的一种重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法，其特征在于，所述s1中销槽承压有效长度系数的计算方式为：k
aⅰ＝0.5＝0.5其中，k
aⅰ、k
aⅲ、k
aⅳ分别为节点屈服模式包括重组竹销槽承压破坏i
s
、螺栓在重组竹板内发生单铰屈服ⅲm
以及螺栓在重组竹板与钢板交界面处发生双铰屈服ⅳ的插销承压有效长度系数，a0为木材销槽承压有效长度；f
ha
为木材的销槽承压强度标准值，f
ha
为重组竹竹构件的销槽承压强度标准值，m
y
为螺栓的屈服弯矩，d为销直径，η为销径比，η＝a/d，a为木构件厚度；f
y
为圆钢销的屈服强度标准值；k
ep
为弹塑性强化系数。4.根据权利要求2所述的一种重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法，其特征在于，所述s1中有限元模型确定节点屈服模式判断标准为：当竹板孔处发生了0.05d的变形时，则发生销槽承压破坏ⅰs
；若竹板孔的位移未达到破坏但螺栓发生屈服，则认为发生ⅲm或ⅳ破坏模式，其中，当发生螺栓在重组竹板内发生单铰屈服ⅲm
破坏时在竹板中形成一个单铰，当发生螺栓在重组竹板与钢板交界面处发生双铰屈服ⅳ破坏时在重组竹板中以及重组竹与钢板交界处形成双铰。5.根据权利要求1所述的一种重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法，其特征在于，所述s2中重组竹钢夹板螺栓连接节点有限元模型的建立方式为:根据销槽承压和销受弯应力-应变的多折线模型模型为基础，以连接产生0.05d的塑性变形达到承载力极限状态的标志，并以单个螺栓节点承载力和螺栓节点位移建立重组竹钢夹板螺栓连接节点有限元模型。6.根据权利要求1所述的一种重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法，其特征在于，所述s3中修正后的重组竹钢夹板螺栓连接承载力公式表示为：r
k
＝k
ad,min
adf
ha
k
aⅰ＝0.5＝0.5其中，r
k
为单栓承载力标准值；为调整系数，根据试验建议取调整系数为1.5。7.根据权利要求1所述的一种重组竹-钢夹板螺栓连接节点承载力计算方法，其特征在于，所述s3中输出钢夹板螺栓节点的节点设计的具体方式为：s31、初步选用直径为d的螺栓，根据承载力解析模型确定该螺栓的单拴柱承载力r
k
；s32、根据受力公式确定栓柱个数并在满足构造要求的基础上设定栓柱的布置形式；s33、判断角部上边缘的螺栓的受力合力是否小于等于单栓柱承载力，若是则输出确定的螺栓直径、个数以及布置形式；s34、若角部上边缘的螺栓的受力合力大于单栓柱承载力，则判断螺栓个数是否符合，若不符合则重新确定螺栓个数并更换布置形式，若螺栓个数符合则重新布置形式。

技术总结
本发明公开了一种复杂受力状态下重组竹-钢夹板螺栓连接的承载力计算方法，构建了重组竹钢夹板螺栓连接的承载力计算的解析模型。本发明专利主要贡献包括：(1)提出了复杂受力状态下适用于28E-165f重组竹钢夹板螺栓连接的承载能力计算解析模型；(2)给出了密度为1.1g/cm3的重组竹顺纹和横纹方向的销槽承压强度标准值，该标准值统一取100.19MPa；(3)给出了重组竹钢夹板螺栓连接的三种破坏模式，即破坏模式Is、Ⅲm和Ⅳ；(4)研究并给出了不同屈服模式所对应的抗力分项系数；(5)探讨了屈服模式Ⅲm和Ⅳ出现的边界条件。出现的边界条件。出现的边界条件。


技术研发人员：张明 黄叶 樊浩东 蒲一可 余志祥 赵仕兴 周巧玲
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2022.07.19
技术公布日：2022/11/1