木结构连接的概述与分析

费建波 王 鹏

1 概述

连接性能研究是结构受力性能研究的重要组成部分。节点强度的研究,一方面可以准确地计算出结构的极限受力状态,提高建筑的稳定性和可靠度,另一方面节点强度的确定使得构件材料得以优化[1]。木材构件要构成一个整体的受力构件需要通过多种不同的方式进行连接,如榫卯连接、钉连接、齿连接等,传统的木结构连接节点一般通过木工制作木连接方式来实现,典型的特点是不使用或极少使用金属连接构件,而在现代木结构设计中这种传统的连接方式已较少使用,取而代之的是标准化、规格化的各种金属连接件。

2 传统木结构连接

2.1 榫卯

古代木结构中大木作的连接节点大多数采用的是榫卯连接,榫卯连接的主要方法是在木构件上挖孔(卯)和制造凸起(榫),让几个构件互相咬合起来,通过限制单个构件在1个～2个方向的运动,使各个构件组合成一个整体。从力学性能上考虑可将榫卯连接分为直榫和燕尾榫,燕尾榫一般在柱顶使用,直榫一般在柱子中间使用。

2.2 榫头的受力行为

燕尾榫结构可以承受拉力和压力两个方向的力,直榫结构的梁能承受极限荷载的内力,它能承受的拉力是榫头之间的最大摩擦力。当拉力超过最大摩擦力时,榫头将被拔出,拔出的结果是在结构构件之间出现相对的移动,这种移动一方面改变了结构的整体性,另一方面也调整了结构的内力分配。这种结构另一个优点是在地震等动荷载的作用下,由此导致的结构松动和构件之间摩擦吸收了很多的能量,从而提高结构的抗震能力[2]。

2.3 榫头的工作状态

木结构在不受水平力时,下部框架的梁是不受力的,竖向荷载由柱子承担。在受较小的水平荷载时,榫头开始咬紧,结构少量滑移,这一阶段是铰接状态。随着荷载的增加,榫头开始受剪力和弯矩作用,直至屈服荷载,榫头是刚性连接,继续加荷到极限荷载,柱的两端连接榫头发生拔卯,此时梁柱连接榫头没有脱出,这一阶段成为结构塑性阶段。此后在极限荷载下,结构延性充分发展,直至倒塌,称之为结构破坏阶段,此时材料不会达到塑性(木结构的荷载—位移曲线见图1)。

结构的破坏主要是由于连接较弱,发生脱卯,结构整体性削弱引起的。因此,只要加强连接,同时使梁柱连接榫头在最不利的情况下不发生脱卯,加强各构件之间的连接,提高结构刚度,充分发挥材料的力学性能,那么结构承载能力将提高。

3 现代木结构的连接

3.1 钉连接

钉连接是金属连接中使用最早也是使用最广泛的一种,在木结构中使用非常普遍,如屋面、楼板采用钉与梁相连。钉在木结构中主要用于传递剪力、抵抗拔力,由钉连接节点的木结构吸能能力强,有良好的抗震性能。而且钉布置方便,受力性质明确,广受青睐。钉连接中钉子钉入的方式有很多种,一般根据受力情况来选择。图2为最常见的几种形式。

作为连接构件的钉承受的荷载可分为两个方向:垂直于钉杆的侧向剪力以及平行于钉杆的拔出力,因此握钉力和侧剪承载力是衡量钉节点性能的两个基本强度指标。

1)握钉力。不同钉型握钉力的来源不同,圆钢钉握钉力来源于钉杆表面与木材之间的摩擦力,圆钢钉钉入以后,对接触的木材产生了挤压作用,因此钉拔出时钉杆表面与周围的木材存在着一定的摩擦作用,在达到极限强度之前握钉力的主要部分是静摩擦力。钉杆表面有螺纹的钉钉入时,木材像楔体一样顺着螺纹进入相邻的两齿之间,拔出时必定会造成两齿之间楔形木材的剪切破坏,此时木材抗剪力起主要作用。螺钉握钉力极限值大约是圆钉的2倍,螺钉的握钉力在达到极限值前,相同位移下荷载增加量远大于圆钢钉,但达到极限值后呈直线下降趋势,类似于脆性破坏,这对构件连接极为不利[3]。

2)侧剪承载力。a.模式1:如果销直径很大,刚性不屈;其中一构件销槽承受强度与其厚度乘积相对大,对销身倾斜转动具有很大的钳制力,对销身倾斜转动的钳制力较小,此时后者的销槽因受挤压而发生破坏(见图3)。b.模式2:如果销直径较大,销身刚直;两构件对销身转动钳制力可以阻止销身转动,构件内外边缘区域销槽因局部挤压而发生破坏(见图4)。c.模式3:如果销直径相对较小,受力后销身弯曲;在该构件结合缝一侧出现明显的塑性铰,其以外的部分销身虽依然刚直,由于转动倾斜导致销槽承受强度与其厚度相对小的构件内外边缘区域因局部被挤压而发生破坏[4](见图 5)。d.模式 4:如果销直径相对较小,构件都具有较大的钳制力;受力后销身发生弯曲,在结合缝两侧的构件中同时出现塑性铰,由于两个塑性铰之间的部分销身转动,导致梁侧构件在结合缝边缘区域因受挤压而发生破坏(见图6)。

3.2 齿板连接

在轻型木结构体系中桁架节点常采用齿板连接,齿板连接木桁架节点可以提前预制并可以成批制作,这不但节约了劳动力、缩短了施工周期,而且效率高、节点性能稳定可靠。

齿板由镀锌钢板经单向打齿制成。齿的形状因生产商而异。齿板主要用于轻型木桁架节点连接与木构件的接长。因其安全可靠、施工方便,在国外齿板被广泛用于由规格材料制成的轻型木桁架节点连接或木构件的接长与接厚。

齿板连接作为一种独特的连接方式,其构造要求为:1)齿板应成对对称设置于构件连接节点的两侧。2)采用齿板连接的构件深度应不小于做板齿承载力试验时板齿嵌入试件的深度。3)齿板连接处构件无缺棱、木节孔等缺陷。4)拼装完成后齿板无变形。

4 木结构节点新技术的探索

在瑞士伯尼尔州的一座木桥,是一座由洛桑联邦理工学院设计的新技术木桥。该桥利用高强度、高韧性的玻璃纤维,以环氧树脂粘贴在节点范围的两侧,以提升局部节点强度及安全性,是桥钉连接的一种补强技术,另外在有限的结合范围内,增加结合扣件的数量或尺寸,却不增加木材的尺寸而间接造成的材料浪费。

5 结语

连接是决定木结构建筑强度的重要一环。本文概括介绍了木结构建筑的几种连接形式,并简要分析了几种连接形式的受力及破坏状况。对于木结构建造时的连接形式,我们应该全面考虑强度、受力状况等因素,选择对结构最有利的连接形式。

[1] GB 50005-2003,木结构设计规范[S].

[2] 姚 侃,赵鸿铁,葛鸿鹏.古建木结构榫卯连接特性的试验研究[J].工程力学,2000,23(10):95-96.

[3] 陈志勇,陈松来,樊承谋,等.木结构钉连接研究进展[J].结构工程师,2009,25(4):125-127.

[4] Mack J J.The strength of nailed timber joints[J].CSIRO,Division of Forest Products,1960(9):210-212.

[5] 龙卫国,杨学兵.木结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[6] 樊承谋.木结构工程[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.