木材和混凝土横向钉连接效果讨论分析★

蔡绍祥 程 宇 刘 航

(南通职业大学,江苏 南通 226007)

1 钉连接在木结构中的应用特点

在木材结构中，节点的连接是最薄弱的点。设计不当时造成许多设计缺陷和其机械性能方面的缺点，特别是其硬度在结构的应力分布中起着至关重要的作用。通常木材连接比金属连接更不易受到影响。例如，由于相对较低的嵌入强度和低强度的木材在剪切，特别是在垂直于晶粒的张力方面不易受影响。通常木材与木材之间通过木榫接头或角撑板接头连接，也有通过粘合剂(胶水)或推力销型紧固件(螺栓，螺丝，钉子)。钉子代表了连接木材构件的最简单的方法。它们的简单的作用为紧固件，简单连接到应用的部件上去，是其主要的优势。连接木、钢或人造板的侧面部位，钉主要应用在单剪切方向，从不在木纹方向，因为这个方向张力比较集中。它们通常有圆形或方形，其圆形的直径为2 mm～6 mm，方形的长度为30 mm～200 mm。多年来，钉在建筑中的使用是基于经验法则的应用。

所以大多数的旧的设计过程中没有考虑用钉子，甚至禁止它们在结构上的应用。如今欧洲标准是公认的横向载荷的确定和榫型紧固件的能力测定的方法，尤其是延时破坏性能。在该理论的基础上所得到的方程可以预测一个单一的紧固件，每剪切平面，加载垂直于它的轴线的性能，这些能力取决于木材和紧固件的材料性能和连接的几何形状。这些连接的变形行为是基于滑动模量和一个紧固件每剪切面，可以通过测试进行预测。主要根据欧洲标准26891:1991。或者使用表达式在欧洲规范5进行计算出来。

2 钉连接在木结构和混凝土中的应用特点

榫型紧固件其常见的应用是在复合木材和混凝土板。经常用于修复工程，尤其是当旧的木板的承载需要改善时，这个复合系统由木构件在拉伸区，薄薄的一层由紧固件或特殊的连接装置连接在一起的压缩区。复合木材—混凝土系统的结构产生的作用不仅对木地板的强化以及混凝土板的强度都有影响。而且在提高隔音、热惯性和消防安全与传统的解决方案相比，有以下复合系统的结果：比其他的控制强制混凝土系统有较低的比重；有更高的承载能力和更高的抗弯刚度；其性能在平面内更加优异；增强振动控制的地板。木材—混凝土连接，控制这种系统的结构行为，经常是通过钉子、螺丝或钢棒，可分类为销型紧固件。这种技术所取得的良好效果，在欧洲规范5销型紧固件使用时，木材，混凝土的连接没有具体的分析方法。在欧洲标准5应用时，它是假定滑动模量是和木材与木材类似系统的连接方法得出模量的双倍。本讨论的是应用在欧洲标准所得出的钉连接的横向载荷能力的方法论的准确性，特别是在复合木材—混凝土中的应用的准确性。

3 木结构部件连接的特点

在木材结构中，节点的连接是最薄弱的点。设计不当时造成许多设计缺陷和其机械性能方面的缺点，特别是其硬度在结构的应力分布中起着至关重要的作用。在硬度作用方面，通常木材连接比金属连接更不易受到影响。例如，在剪切方向相对较低的嵌入强度和剪切强度，特别是在垂直纹理方向的抗拉强度。通常木材与木材之间通过木榫接头或角撑板接头连接，也有通过粘合剂(胶水)或横向载荷销型紧固件(螺栓，螺丝，钉子)连接。钉子代表了连接木材构件的最简单的方法。作为紧固件它们的简单之处，是能简单的连接部件，这才是其主要的优势。

连接木材、钢材或人造板的侧面部位，钉主要应用在单剪切方向，从不应用在木纹方向，即顺着纹理拉力的方向。它们通常有圆形或方形，其圆形的直径为2 mm～6 mm，方形的长度为30 mm～200 mm。多年来，钉在建筑中的使用是基于经验法则的应用。所以大多数的旧的设计规则中没有考虑用钉子，甚至禁止它们在结构上的应用。如今欧洲生产模型设计的试验，最初提出的是在欧洲标准里的发现结果，是公认的确定销型紧固件的横向载荷能力测定的方法，尤其是其韧性方面的破坏性能。在该理论的基础上所得到的方程可以预测单一的紧固件，每个剪切平面，加载相互垂直于它的轴线的性能。这些性能取决于木材和紧固件的材料性能和连接的几何形状等。这种连接方式的变形行为可以通过滑动模量和每个紧固件的剪切面，进行试验测试取得。试验主要根据EN 26891:1991。或者使用欧洲标准5的表达方式进行计算出来。

4 销型紧固件在木材和混凝土板材连接中的特点

4.1 销型钉紧固件连接木材和混凝土的优点

销型紧固件其常见的应用是在木材和混凝土板材连接上。经常用于修复工程，尤其是当旧的木板的承载需要改善时，在拉伸区的这个复合的木构件系统和在压缩区一层薄混凝土层是由紧固件或特殊的连接装置连接在一起。木材—混凝土系统的复合连接结构产生的作用不仅对木地板的强度有影响也对提高隔音、热惯性和消防安全有影响。与传统的解决方案相比，这个复合系统所产生的结果的特点有：比其完全是混凝土结构的要轻；比传统的木地板系统有更高的承载能力和更高的抗弯刚度；其平面性能特点更加优异；增强木地板的震动控制性能。

在木材—混凝土连接中，控制这种连接系统结构性能，经常是通过钉子、螺丝或钢棒等，这些都可分类为销型紧固件。尽管这种技术取得了良好效果，但在欧洲标准5中的销型紧固件应用于木材和混凝土结构连接没有具体的分析方法。在应用欧洲标准5的第二部分，它是假定滑动模量是与木材和木材类似系统的连接方法所得出模量的双倍。欧洲标准5的设计方法是通过负载能力实验、单剪载荷能力实验等进行。根据木材材料性质和形状确定载荷位置，保证材料受力方向与紧固件轴线垂直。实验方法是用销型紧固件，木材与木材连接，应用欧洲标准5设计实验双剪进行试验主要包括：双剪销型紧固件连接，木材与木材连接，连接件的轴线抗拉能力等。

4.2 销型钉紧固件连接木材和混凝土结构方法讨论

滑动模量实验主要是滑移模量的确定方法和滑移模量的计算方法设计。每个连接件的每个剪切面的滑移模量计算公式与大量实验结果吻合的很好。连接结构性能试验评估主要用试验数据评估载荷能力和连接的变形特点，以通过预测值为标准，确定曲线上的几个点进行测试值评估。分别对木材与木材连接，木材和混凝土连接两种连接样板进行分析，试验过程中滑移模量计算公式都在欧洲标准中有体现。

试验的基本原理和试验的具体设计，首先，根据常规的外推法对木材与木材的单剪(圆形和方形连接件)和双剪(圆形连接件)进行试验分析。然后，对木材与混凝土连接进行对比试验。木材与木材连接的单剪试验主要用圆形销隼连接试验数据分析即圆钉、木材与木材单剪连接。木材与木材双面剪切方向连接，双剪的载荷滑移曲线，该曲线也是非线性应用。木材与混凝土连接剪切方向测试，中间的木材样本保留，外表面的样品换成混凝土板，圆钉直径：3.4，长度：70 mm，轻重量聚料混凝土板，将试验结果与用欧洲标准5所设计的试验所产生的结果进行对比。载荷能力试验结果、欧洲标准5预测结果和葡萄牙国家出版社1998版中的结果进行比较，其主要区别：新的欧洲标准5考虑了销型紧固件的收缩能力，所以串联结构的影响要考虑。但这种改进还不是很清楚准确，因为销型紧固件的收缩能力不能由欧洲标准5试验简单的确定。

4.3 销型钉紧固件连接木材和混凝土结构的推广价值

复合木材和混凝土结构连接的性能受木梁与混凝土板间剪力连接的刚度的控制。根据欧洲规范5的方法对这种连接进行试验，这种方法适用于类似的木材与木材连接的滑移模量的因子测量。相对于以前的相关论文讨论，对于这种承载能力没有简化的方法，也没有其他建议。以研究应用欧洲标准5，对复合木材—混凝土连接性能过程中使用的方法的准确性为目的。试验类型，实验测试结果与根据欧洲法规5法所获得的值进行比较。结果表明，用欧洲标准5所建立的模型，能够预测的连接可靠性失效模式。然而，在使用欧洲标准5的过程，测试结果显示还有重要的不同价值。大量结果表明，如果木材具体连接滑动模量有不同的参数进行考虑。一个更好的近似的力学行为可以建立起来。在翻新旧木地板时，由于经济和建筑的原因往往是不建议改变现有的连接结构，而是以现有地板结构框架为前提，应用销型钉紧固件连接木材和混凝土结构可推广意义重大。在这种情况下，需要一个具体的设计方案，并应用现有的木结构和混凝土连接方式于古建筑的修复之中。

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