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建筑材料212 (2019)431-441
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建筑及建筑材料
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交叉层压木材中胶合棒。数值模拟和参数研究
鲍里斯AzinovićauArr;Henrik Danielsson b,埃里克·塞拉诺b,米哈Kramar
瑞典隆德大学结构力学斯洛文尼亚分部卢布尔雅那斯洛文尼亚国家建筑和土木工程研究所(ZAG)木材结构科
h i g h l i g h t s
胶合杆连接在CLT结构中具有很高的应用潜力。
对CLT中与胶合棒的各种连接进行了有限元分析。
研究了不同的棒材直径、胶合长度和棒材与晶粒的夹角。
连接的容量随胶合长度和杆径的增大而增大。与杆垂直于晶粒的连接具有较高的承载能力。
a r t i c l e i n f o b s t r a c t
文章历史:
2018年12月3日
2019年2月19日收到的修订版接受2019年3月30日
关键词:
粘在棒
交叉叠层木材(CLT)参数研究
粘接长度的非线性数值模拟
杆直径
杆方向
对交叉叠层木材中胶合杆进行了数值模拟和参数研究。模拟基于三维有限元分析，采用粘接面模型对层合板与沿杆的粘接线进行粘接。参数化研究了粘接长度、杆径、杆粒角对连接承载能力和刚度的影响。分析表明，随着胶合长度和杆径的增大，杆的承载能力普遍增大，这与试验结果吻合较好。在不同的杆粒比角下，特别是考虑破坏模式时，观察到不同的力学行为。
2019年,作者。由爱思唯尔有限公司出版。
creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。
1. 介绍
粘在棒在木材元素被认为是一种高效的连接,主要有以下原因:(i)更高的强度和刚度dowel-type紧固件相比,(2)耐火性好,(3)适应性从架构的角度来看,(iv)相对较低的总成本,(v)生产在受控环境的可能性。胶合棒已在实践中使用多年，广泛用于胶合层合木材，在一定程度上也用于单板层合木材(LVL)的应用。实验研究可以追溯到20世纪80年代，例如Riberholt[1]、Kangas[2]和Ehlbeck amp; Siebert[3]的工作。
关于交叉叠层木材(CLT)，经验是非常有限的，虽然它是可能的，胶合棒也可以有效地使用在CLT的情况下。CLT的不同应用是可能的，如:(i) CLT墙之间的连接，(ii) CLT墙与梁之间的连接，(iii) CLT与其他材料(如CLT钢和CLT混凝土)结构元件之间的连接。随着对CLT中高层结构施工兴趣的增加，有必要对CLT粘接杆连接的力学抗力进行研究。
在[4]中，很少有关于粘接杆在CLT情况下的行为的报告，在那里给出了实验和数值研究相结合的结果。研究了12种不同试件的破坏模式和拉拔强度。所有试件均采用环氧胶黏剂粘结，采用拉杆-拉杆试验结构，拉杆位于CLT平面内。结果发现，这两种方法都是有效的
uArr;通讯作者。
电子邮件地址:boris.azinovic@zag。si (b . Azinović),亨瑞克。danielsson@ construction.lth。se (H. Danielsson)， erik.serrano@construction.lth。se (E. Serrano)， miha.kramar@zag.si (M. Kramar)。
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.03.331
作者:0950-0618/ 2019由爱思唯尔有限公司出版。
本文是CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)下的一篇开放访问文章。
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rod-to-grain角(即杆的纵轴之间的夹角和木材的纹理方向在此时此地层内放置杆)和此时此地的组成元素有一个失效模式影响,而杆直径和长度粘在抗拔承载力有影响。研究还表明，CLT截面轴向刚度对粘接剂-木材界面的剪切应力分布有影响，对拉拔响应有显著影响。进行研究,然而,其局限性在标本的数量和数量的变异测试(所有的测试棒直径12毫米,他们的最大粘在长度是160毫米,而两种不同的解释水平理论截面上篮被使用,和两个不同的rod-to-grain角度进行调查)。这意味着这项研究的结果不能一概而论。在另一项[5]研究中，胶合棒被用作CLT面板和胶合框架之间创新连接的一部分。采用拉压试验装置，对聚氨酯(PUR)胶粘剂和不同的杆粒夹角进行了测试。虽然胶合长度和杆径均未发生变化，但可以肯定的是，杆粒间的夹角对拉拔承载力有较大的影响，夹角越大，拉拔承载力越大。在连接刚度方面也有类似的效果，随着杆粒角的增大，连接刚度呈下降趋势。
除了在上述研究中获得的信息[4,5]，文献中很少有关于CLT中胶合杆的行为的报道，特别是在数值模拟方面。然而，对于本文的目的，以往的研究结果与其他材料(如结构木材、胶合剂和LVL)中胶合棒的建模有关，可能在一定程度上是相关的。一些作者已经使用数值方法，主要是有限元(FE)分析的形式来研究粘接杆连接的应力分布。铁分析用于粘接棒模型的早期例子可以在[6-10]中找到。在这些研究中，采用线性弹性模型来研究木材粘接粘结线的应力分布及其与几何参数的关系。约翰逊等人于1995年首次尝试使用更复杂的模型。在这项研究中，包括了基于广义沃尔克森理论的解析表达式，以及基于非线性铁分析(包括应变软化行为)的方法。随后，Serrano等人提出了较为复杂的建模方法[11,12]，其中使用非线性三维铁分析进行理论参数研究，提供了对最具影响力参数的洞察;例如胶合长度、粘结线强度、断裂能和加载方式(拉拔与拉压)。采用应变软化裂纹带模型(类似于粘聚带模型(CZM))来表征杆与木材之间粘接层的行为，并讨论了基于断裂力学的若干解析表达式。将理论计算结果与实验结果进行了比较，结果表明bb0与实验值吻合较好。Del Senno等人建立了线性弹性有限元模型，以确定哪些参数对键合线剪切应力分布影响最大。他们的结论之一是，边孔距离对剪切应力分布的影响很小。他们还发现，当胶线厚度增加时，剪切应力峰值降低，而这种厚度对径向应力的影响似乎可以忽略不计(即当杆平行于晶粒时，垂直于晶粒的应力)。Gardelle和Morlier[14]将实验结果与基于线性弹性铁分析和分析非线性断裂的强度预测进行了比较
力学模型，使用与Serrano等[11,12]相同的方法，再次表明这些预测为胶合杆连接的失效提供了一个下限和一个上限。
最近的一些研究也使用了铁分析来处理粘接棒或木材工程的其他相关领域，如钉和螺钉连接、压紧连接和不同类型的复合木材连接[15-22]。其中一些研究利用线性弹性三维有限元分析,以探讨应激反应的连接,而另一些使用更复杂的模型,包括概率模型和海内外分析,例如,不同的杆间距的影响,以及胶层厚度、抗拔承载能力。
最近，本论文的一些作者对胶合棒在CLT中的行为进行了广泛的实验研究。本研究的目的是研究CLT中胶合棒与其他材料(如结构木材、胶合棒和LVL)中胶合棒的响应差异。为了研究的目的，进行了60多次拉拔试验。试样的胶合长度(80 - 400mm)、杆径(16 - 24mm)、杆与晶粒的夹角(平行和垂直)各不相同。得到了几种不同的失效模式，这些模式在粘接杆的其他应用中并不常见(例如CLT层之间的失效)，特别是在粘接长度较大的情况下。研究发现，这些失效机理对极限荷载有较大的影响。比较实验结果与结果通过使用现有的设计方程表明,后者倾向于高估了极限载荷的标本杆放置的位置平行于谷物,并低估他们的标本杆放置的位置垂直于粮食。因此，现有的设计方程，在大多数情况下，不适合在CLT胶合棒。然而,这项研究的结果表明,方程,可能被用作基础设计的定义表达式的连接没有失败的解释水平理论横截面(即连接杆放置的位置平行于谷物,和中间的解释水平理论层,其中杆直径很小(12毫米)和参与长度是短(120毫米))。然而，这种小的内嵌棒的实际意义很可能是有限的。应该注意的是,在60岁的基础测试标本,它仍然是很难预测的一般反应粘在棒在此时此地,因为有许多可能影响参数没有调查,否则调查只在有限的程度上(如rod-to-grain角度、杆直径,粘在长度、几何的联系,解释水平理论休息,和此时此地截面杆的位置)。
本文所做的工作是对CLT中胶合杆的数值模拟和参数研究。数值模拟以铁元素分析为基础，并在上述实验研究的基础上对输入参数进行了标定。解释水平理论的有限元模型包括线性弹性部分叠片结构(即结构性木材板,通常有节的手指,在此时此地的一部分木材层钢棍,而活体供体之间的胶粘剂粘结层薄片和胶粘剂粘结层的粘在杆使用海内外方法建模。在标定数值模型的基础上，对胶合长度和杆径的变化进行了参数化研究。在研究的最后一部分，研究了不同杆粒角度下的连接行为。本文的研究代表了考虑粘接杆在CLT中的独特响应的设计方程提出的第一步。
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2. 数值模拟与输入参数描述三维模型描述
通过对数值模型的定义，可以获得CLT[23]胶合杆在实验测试过程中所遇到的不同失效模式。使用FE软件Abaqus VR2017[24]对如图1所示的拉力-拉力测试配置进行建模，将螺纹杆粘在CLT截面中心。载荷以位移控制的方式施加到杆上，直到完全失效为止。在数值模型的情况下，假设相同的5层CLT, CLT层之间没有边缘键合，就像在实验中一样。层厚为33/20/34/20/33 mm，较厚层为200 mm，较薄层为120 mm。在铁模型中，所有三个方向都假定对称行为。根据表1定义了10种不同的实验标定基本模型，每种胶合长度对应5种不同的胶合长度和2种不同的杆粒夹角:平行(a = 0)和垂直(a = 90)。
之间的差异平行和垂直于纹理模型主要是在基本几何(图1)。粘在杆的轴线平行于木质纤维方向的核心(中心)层平行于谷物的五解释水平理论模型(图1),木质纤维方向和垂直于芯层的垂直于纹理模型(图1 b)。在hellip;的情况下
垂直于晶粒模型，假设晶粒方向垂直于杆轴的边缘叠层宽度为50mm。假设每个模型的总长度(L)与实验[23]中试件的长度相同。每个试样的长度是根据杆的胶合长度(la)确定的。
将代表C24木材层板的三维模型部分建模为线性弹性和正交各向异性，刚度特性如表2所示。螺纹杆为线性弹性各向同性钢件，弹性模量E = 210,000 MPa，泊松比m = 0.30。同样，沿杆的粘接层为2 mm厚的线性弹性各向同性部分，E = 2600 MPa, m = 0.25。
木材层合板的表面粘结采用了包括硬接触在内的地对地相互作用方法
表1
用于校准数值模型[23]的试样的基本尺寸。
试样L [mm] n0 [] n90 [] la [mm] dh [mm] d [mm] La80/ 340 2 2 80 20 16
La160/ 680 3 3 160 20 16 La240/ 1020 5 4 240 20 16 La320/ 1360 6 5 320 28 24 La400/ 1700 8 6 400 28 28 24
注:L =试样总长度(基于[23])，n0 =平行于晶粒模型的横板数，n90 =垂直于晶粒模型的横板数，la =胶合杆长，dh =孔直径，d =杆直径。
图1所示。用实验标定Abaqus基本模型的例子:a.平行于晶粒模型，b.垂直于晶粒模型。
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表2
木材层压刚度特性。
E1 E2 E3 m12 m13 m23 G12 G13 G23
[MPa] [MPa] [MPa] [[] [] [] [] [] [] [] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa]
云杉C24(云杉abies) 11000 370 370 0.40 0.40 0.45 690 690 50注:E1, E2, E3hellip;木材[25]在纵向、径向和切向上的弹性模量。
其中，第一个指标为施加应力方向，第二个指标为侧向变形方向。G12、G13、G23hellip;hellip;在12、13、23个平面上的刚度模量分别为[25]。
在压缩和非线性粘性行为中，垂直于接触面的张力和平行于接触面的两个剪切方向。提出了一种基于最大公称应力和线性软化行为的应变软化模型。粘接剂与杆之间的键合线是用拉杆约束建立的模型，而粘接剂与杆上木材之间的键合线是用与木材层间平面键合相同的地对地相互作用方法建立的模型。通过调整破坏时的位移值(dF)，将模型与实验测试结果进行校准(见下一节)，以便在整体强度和刚度方面实现实验结果与数值结果的良好拟合。模型稳定采用粘度系数g = 0.005。标定后的模型强度和刚度参数如表3所示。
由于大多数实验观测到的破坏模式都直接涉及到沿杆[23]方向的木材粘结粘结线，因此在这些区域采用了精细规则的网格对杆和环氧树脂粘结剂进行建模。这些元素的展弦比接近1:1:1，元素的体积范围在5到30 mm3之间，而其他弹性部分使用稍微粗糙的网格建模(这些元素的体积范围在50到200 mm3之间)。对la = 80mm平行于晶粒的模型进行网格敏感性分析。分析表明，当单元数增加一倍时，整体结果的差异可以忽略不计(整体承载力的差异小
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