本文是一篇土木工程论文，本文在验证胶-螺钉混合连接有效性的基础上，使用试验研究、数值模拟和理论分析的方法，对胶-螺钉混合连接的有效性和破坏机理进行了研究，并提出节点的设计方法。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 钢木混合结构
随着世界低碳经济的发展趋势和我国“碳达峰、碳中和”目标的提出，木结构以其低碳环保、保温隔热性能好、抗震性能优等优点，得到了各界的重视，其研究也得到了快速发展。传统木结构建筑受施工工艺的影响，其应用具有较大的局限性。但是近年来，随着一大批工程木材和新型木结构体系的涌现，木结构焕发强烈生机，尤其是多高层木结构，开始得到广泛应用[1-3]。国内外学者根据工程木材的特性，尝试用木结构和钢结构或混凝土结构等其他结构体系协同受力，成为木混合结构体系，以充分发挥不同材料的优势，弥补木材强度的不足。在众多解决方案中，一部分学者提出了钢木混合结构体系的概念[4-7]，不仅推动了多层建筑的发展，而且充分发挥了钢结构与木结构的特点，展现了较好的抗震性能和应用前景。
钢木混合结构主要包括三种体系：上下混合结构体系、受力体系层面混合的结构体系和构件层面混合的结构体系。其中，上下混合结构体系常见的有钢框架混合上部轻木结构等，受力体系层面混合的结构体系常见的有钢框架内填正交胶合木（ CLT）等[8]，构件层面混合的结构体系常见的有钢梁-木组合楼板等[9]。三种体系从不同层面发挥了木结构的受力特性，充分体现了钢木混合结构的优势。当前，在木结构形成的抗侧力体系中，由于CLT剪力墙体系具有更大的抗侧刚度且是当前多高层木结构建筑中使用较为广泛的主要抗侧力结构，因此，使用CLT剪力墙填充于钢框架中，形成适用于多高层结构的钢框架-CLT剪力墙抗侧力结构体系成为钢木混合结构的研究热点之一，也是本文所提出节点适用的主要结构体系。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 胶-螺栓混合连接的受力机理
在胶-螺栓混合连接发展的最初阶段，由于胶连接和螺栓连接的传力机制不同，二者难以满足变形协调条件，Hart-smith[20]最初认为胶-螺栓混合连接对接头承载力的提高效果并不明显，且仅可应用于结构的修复。而后，一系列的研究确定胶-螺栓混合连接的有效性。于德昌等[21]通过对碳纤维复合材料连接试样进行拉剪试验，对比分析了螺接、铆接、局部增强螺接、胶接、胶铆混合连接、胶-螺栓混合连接六种连接方式的破坏形式和连接效果，得出了胶-螺栓混合连接的承载力高于单纯胶连接或螺栓连接的结论。随后，札宾[22]提出胶-螺栓连接兼有胶连接和机械连接的优点，是一种更有效的连接形式，并通过相应的试验，进一步说明了利用胶-螺栓连接代替纯螺栓连接是提高装置连接强度和刚度的有效措施。这一重大发现，推动了胶-螺栓混合连接的发展。在此基础上，为了确定胶-螺栓混合连接承载力的影响因素，国内外学者首先将研究的重点聚焦在胶-螺栓混合连接接头的荷载分布上。
1.2.2 胶-螺钉混合连接的承载力影响因素
由于单纯胶连接和单纯钉连接各自承载力的影响因素能为胶-螺钉混合连接提供一定的参考依据，因此，本节先介绍单纯胶连接和单纯钉连接，再对胶-螺钉混合连接进行展开。
（1）单纯胶连接
胶连接是将两种或两种以上的零件（构件）用胶黏剂连接起来的一种工艺方法，所形成的不可拆连接称为胶连接。胶连接主要用于木材连接，目前对于胶合木材料中的胶连接已有了很详尽的技术手册[23]。同时，胶连接在其他材料中的应用也愈来愈广泛，包括对机械制造中的金属构件以及金属与木材等其他混合结构的连接。胶黏剂消除了机械连接由于纤维切断材料不连续而引起的应力集中，在用于修补构件的裂缝、缺陷时不仅操作简单，而且省工、省料、省时[24]。但是胶连接仍存在剪切强度低，并且容易受环境因素的影响等不足。
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第2章 钢-CLT胶-螺钉混合连接节点试验研究
2.1 试验设计
钢-木结构体系中，节点的连接性能是一项重要环节。为了更好地研究钢-木混合结构中，不同连接方式的滞回性能，本章针对不同的节点连接方式展开试验研究。本章介绍节点三种连接方式的静力试验，包括纯胶连接、纯钉连接和胶-螺钉混合连接的单向和往复加载试验。
2.1.1 试验试件
试验所用CLT采用的层板为加拿大进口的Ⅱc级云杉-松-冷杉（SPF），CLT为三层，厚度105mm，平面尺寸为600mm×340mm。试验所用CLT板均来自同一批次，密度为410kg/m3，含水率在10%~13%。 试验采用的自攻螺钉由中国美固®厂家生产，型号QAS4×70为（直径4mm，长度70mm）与TCC6×80（直径6mm，长度80mm），具体样式见图2-1。
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2.2 试验现象
2.2.1 纯胶连接
S0A05单向加载结束后，两块L形钢均与CLT脱离，CLT呈横纹剪切破坏。其中，A面大部分CLT表层纤维撕裂，并且所有胶层伴随撕裂的CLT残留于L形钢表面；B面有约30%面积的胶层与L形钢剥离，残留于CLT表层，其余部分胶层伴随撕裂的CLT残留于L形钢表面。S0A05往复加载结束后，试件破坏情况与纯胶连接单向加载情况基本一致，见图2-11。
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第3章 使用胶-螺钉混合连接节点结构的有限元模拟 ....................... 38
3.1 基于 DowelType 模型的节点模拟技术 ................... 38
3.1.1 OpenSees 拟合过程 .................. 38
3.1.2 拟合结果对比 ............................ 40
第4章 胶-螺钉混合连接节点设计方法 ......................... 52
4.1 理论推导 ....................................... 52
4.1.1 Pscrew计算 .................................. 52
4.1.2 Padhesive计算 ............................. 54
第5章 结论与展望 ................................... 62
5.1 本文主要结论 ............................. 62
5.2 未来工作展望 .................................... 63
第4章 胶-螺钉混合连接节点设计方法
4.1 理论推导
当前，对于螺钉连接的设计方法已经有了较为成熟的规范作为参考。同时，胶连接的设计方法也有了一定的研究成果。针对胶-螺钉混合连接技术也有不少学者提出了见解并进行了研究。对于混合连接设计时需考虑的影响因素，Pedro等[52]通过试验设计（DOE），定量评估了附着件厚度、黏合剂模量、黏合剂厚度、夹紧面积和螺栓孔间隙对混合连接强度影响情况。对于混合连接设计时的制作工艺，马毓[39]对在已固化的胶连接接头上制孔安装螺栓并拧紧形成接头和连接处预先制孔，待涂胶后安装并拧紧螺栓两种施工工艺进行了讨论。然而，目前对于胶-螺钉混合连接的具体设计流程和相应的计算公式仍空缺。本文基于胶-螺钉混合连接有效性验证的结果，对胶-螺钉混合连接的设计方法做了进一步讨论。
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第5章 结论与展望
5.1 本文主要结论
多高层钢木混合结构的整体力学性能受连接节点的影响非常显著。常见的连接方式有胶连接和机械连接两种。对于胶连接剪切强度较低、容易出现脆性破坏的问题，以及机械连接初始刚度较低、耗能能力不足的问题，本文在验证胶-螺钉混合连接有效性的基础上，使用试验研究、数值模拟和理论分析的方法，对胶-螺钉混合连接的有效性和破坏机理进行了研究，并提出节点的设计方法。本文的主要内容及结论如下：
1.纯自攻螺钉连接、纯胶连接、胶-螺钉混合连接三类节点单向和往复加载试验结果表明，胶-螺钉混合连接节点具有较高的初始刚度和一定的耗能能力。当胶-螺钉混合连接中所设计的胶连接强度较高时，胶与螺钉具备较好的变形协调能力，使胶连接在加载初期能够有效提高节点的刚度，并使螺钉连接能够随着胶层的逐渐破坏继而发挥作用，从而进一步提高节点的耗能能力。其主要的破坏模式为自攻螺钉全部剪断，钢材与CLT发生分离，大部分胶层与CLT表层撕裂的木材一起粘贴于钢材表面，且撕裂的木材在胶层表面呈纤维状均匀分布。
2.在良好的变形协调设计下，胶-螺钉混合连接的强度能够充分发挥胶连接和螺钉连接的作用。基于合理的设计，胶-混合连接的强度可达到纯胶连接和纯钉连接的强度之和的1.1~1.2倍，刚度可提高至纯钉连接的1.5~4倍，延性较纯胶连接可提高24%~60%。在胶-螺钉混合连接中，改变胶层厚度能够提高节点的强度和耗能，增加螺钉直径可以提高节点的强度、延性和耗能。
参考文献（略）