木结构螺栓连接综述及展望

李冰琳++任骏++陆磊++郝骏++刘雁

摘 要：本文介绍了木结构节点的连接方式，而后着重介绍了螺栓连接形式的破坏形态和研究进展，最后对螺栓连接的研究提出了几点建议。

关键词：木结构；螺栓连接；破坏形态

Abstract： This paper describes the connection node of the wooden structure ，then focuses on the research progress and failure modes of bolted connection， At last ， the paper gives some suggestions about the research on bolted connection.

keywords： wood structures； bolted connection ； failure modes

1.引言

现今建筑普遍采用钢筋混凝土结构，其建造过程产生大量的建筑垃圾，对环境产生了不良影响，而木结构具有健康舒适、环保节能、设计灵活、施工期短等诸多优点，近期获得了较好的发展。

木结构的主要结构形式有梁柱结构体系（post and beam construction）和轻型木结构体系（light wood frame construction）两种。在梁柱结构体系这一传统建筑形式中，梁柱结构构成主要的传力体系，竖向及水平载荷都是由梁柱结构通过连接组成的体系承受，最后传递到基础。因此，梁柱节点连接的承载性能是影响结构受力性能的关键，它关系到木结构的安全性、可靠性和稳定性。

2.木结构节点的连接方式

木结构的连接方式有：榫卯连接、齿连接、螺栓连接和钉连接、键连接等。

其中螺栓连接具有制作简单、安全可靠、施工快捷的特点，是木结构常用的一种连接形式，现已被广泛应用于梁柱结构、木刚架、木桁架、木拱等木结构建筑中[1]。使用场所、使用部位及使用条件的不同使得螺栓连接种类繁多、造型各异，但总体来说，若根据所连接构件的个数来分，可分为单剪连接、双剪连接及多剪连接，工程实践中常采用单剪连接和双剪连接；根据是否采用金属连扳来分，可分为木材—木材的螺栓连接和木材—钢材的螺栓连接两种，而后者根据钢材连接板相对于木材的位置又可分為木材—钢填板螺栓连接和木材—钢夹板螺栓连接（如图1所示）。

3.螺栓连接节点的破坏形态

螺栓是销类连接件的一种，其特点是承受的荷载与连接件本身长度方向垂直，故称抗“剪”连接，且销抗“剪”是基于销发生弯曲和销槽木材受压，都具有良好的韧性，在工程中广泛应用。

销连接的普遍屈服模式是建立承载能力计算理论的基础，其屈服模式归纳起来有四种[13]。

具体到螺栓而言，其受力破坏的形式一般包括：木材剪切破坏、木材撕裂破坏、木材销槽承压破坏和螺栓抗弯屈服破坏，对于木材与钢材的螺栓连接而言，其受力破坏模式还包括：钢板受拉破坏和孔壁受压破坏等[2]。

4.国内外研究现状

1941年丹麦科学家Johansen提出“屈服理论”，研究学者自“屈服理论”提出后将其应用到了单个螺栓的对称连接和反对称连接承载力的计算中。1983年，McLain和Thangjitham[3]通过实验证明螺栓的承载力可通过螺栓预紧力增强。

1968年，Cramer[4]的研究表明，多个螺栓连接的承载性能等于单个螺栓承载力乘以螺栓个数再乘以修正系数，主要是指群组修正系数。

1993年，Wilkinson[5]研究了螺栓孔的大小对胶合木螺栓连接的影响。结果表明，螺栓孔尺寸增大对屈服荷载和最大荷载影响较小，但是对荷载-位移图影响较大。

1998年，Jorissen[6]通过在短期荷载下，对称双剪螺栓连接的承载力试验研究，发现多个螺栓连接件的承载强度低于单个螺栓连接承载强度与螺栓个数的乘积，原因是螺栓接头位置应力分布不均匀。并通过试验得出了多个螺栓连接件的强度和刚度，发现多个螺栓连接件的承载强度低于单个螺栓连接承载强度与螺栓个数的乘积，这主要是由于螺栓的洞隙造成的。

2001年，Rammer等[7]进行了一系列螺栓和钉子连接的试验，得到了不同木材含水率对螺栓连接承载性能的影响，建立了螺栓承载力与木材含水率的线性关系，研究表明，这种线性关系与树种和连接件类型没有关系，随着含水率的增大，承载强度降低。

我国的许多学者也对木结构的螺栓连接进行了研究。1982年樊承谋在苏联学者研究工作的基础上，对木结构螺栓联接弹塑性工作的原理作进一步的理论探讨，导出了螺栓的最大弯矩公式。

1986年胡拥军[8]根据木材弹塑性工作的原理，并结合所做的50个对称双剪联接的试验，对木结构螺栓联接的工作原理及计算公式中存在的不妥之处进行了分析，利用所推荐的设计方法，对木构件单剪连接和对称连接进行了设计计算，并与现行的规范设计方法对比。

2007年周俐俐[9]通过计算实例表明，提出螺栓连接不等间距的排列方式，承载力相同的情况下，这种排列方式同时满足了规范规定的螺栓最大和最小容许距离，又节约了螺栓数目。

2008年翁晓红[10]通过对不同木材厚度的木材-钢填板螺栓连接试件的性能进行对比，得出了木材-钢填板螺栓连接的破坏模式、承载力大小以及其延性性能均与侧材厚度的相对大小有关，其结论为极限承载力随侧材厚度的增加而增大，连接试件的破坏模式由销槽承压破坏改为销槽承压破坏及螺栓弯曲破坏同时发生；侧材的厚度增加到一定数值后，承载力大小趋于不变。

2009年徐德良[11]通过试验研究胶合木材-钢夹板在顺木纹受拉时的承载能力，试验表明，胶合木相对厚度增加时，螺栓连接节点的延性也会随之增大，当胶合木厚度增大到某个值后，再增大厚度对其极限承载力的影响不大。endprint

2009年奚爱峰[12]采用美国规范的有效螺栓节点数对木材-钢填板螺栓连接节点顺纹受拉承载力进行研究，得出结论为螺栓连接节点的承载力随着螺栓数量的增加逐渐增加，但是延性有所下降。

2011年刘珂珍[14]通过使用T型和U型刚板，钢销、螺栓将落叶松胶合木材连接成梁柱状态对落叶松胶合木的梁柱螺栓节点进行了研究，测试其承载性能，得出U型连接件比T型连接件承载性能要好。

5.展望

随着木结构的发展渐渐趋于工业化、多样化及集成化，木结构金属连接件从制造到安装，其传统技艺的使用越来越少，从之前单一的钉和螺栓，到现今的各种专用连接件；从原来的靠人工逐个安装，到现今专业制造商联合设计、制造、机械自动安装，连接件现今既提高了工艺的准确性，又使其材料得到了最优化利用。目前木结构连接的研究呈现如下趋势：

（1）从单一性走向整体性。早期的研究主要针对单个连接的承载特性上，例如钉、螺栓、齿板等一个连接件组成的连接点，经过多年的发展和进行试验获取数据的积累，各个方面的参数基本得到完善，研究逐步向整体结构的方向发展；

（2）連接的强度计算趋于精确化。随着有限元等现代理论和现代技术的应用，连接点的应力分布、结合区域的木材性能等计算研究越来越精确，促使性能设计更加接近实际情况，与此同时也为连接点的性能增强、结构修复等工作提供了数据依据；

（3）由经验方法转向力学理论分析。随着研究的深入及各种力学理论的引入，木构件连接力学理论逐步建立，该理论为连接件设计提供了数据支持和理论依据，木结构连接点的设计也逐步变得更加科学、更加精确。

针对我国目前螺栓连接研究中存在的问题和不足，提出以下几点建议：

（1）充分利用国外已有的研究成果，通过进行相应的连接性能测试，明确我国结构用材的连接特性，建立相关的设计规范以及强度计算方法和计算模型，同时，在此基础上，设计出国产木结构专用的连接件，

（2）进一步探究屈服理论在木结构螺栓连接可靠性设计中的应用，加大对螺栓节点材料参数的研究，不同受力方向情况下的节点破坏，提高木结构螺栓连接承载力的新方法以及完善螺栓预紧研究；

（3）开展对耐火抗震条件下，提高螺栓连接的力学性能方法和优化节点设计等研究；

（4）发扬我国传统木结构的优势，探讨榫卯等传统连接方式，探究螺栓连接与传统榫卯连接方式相结合的新型连接方式，一方面，我国在古建保护方面所做的研究工作为传统榫卯连接性能研究积累了大量的经验，另一方面，与金属连接件相比，榫卯连接不存在易腐蚀、耐火性能差等缺点，可借鉴古建保护的经验，并将其运用到现代木结构连接的设计中。

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【文章编号】1006-2688（2017）07-0011-02endprint