胶合木结构植筋连接性能研究现状

郭峰旭，房 梦，李 军，*，王 燕

(1.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266525；2.山东省金乡县水务局，济宁 272200)

现代木结构可广泛应用于住宅建筑、公共建筑，随着胶合木进入中国木结构市场，其结构和构件形式也受到工程界的关注。胶合木克服原木的缺点，由短变长、积薄为厚、层板优化，使现代木结构建筑具备了跨度空间大、承载能力高、耐火性能好的优点。

近年来，国内外在胶合木植筋连接的黏结性能、植筋节点抗震性能等方面做了较多研究，其中前者通常首先被关注。胶合木植筋连接中需要注入黏结材料，即黏结胶，由于注胶量的控制、木材孔内壁的粗糙度等存在不稳定性，迄今关于黏结材料对植筋连接性能影响的研究尚不充分。我国胶合木植筋连接节点研究相对较少，应用也不甚广泛，有必要明确进一步的研究内容和空间。本文分析国内外有关植筋技术、植筋式胶合木结构、胶合木植筋连接相关研究、胶合木植筋节点性能以及胶合植筋研究方法的研究现状，阐述尚待解决的问题，对于现代木结构研究与应用具有重要意义。

1 植筋技术

植筋技术最早广泛应用于混凝土结构的加固与补强，因为人们对新建建筑物的需求相对减退，很多人选择在已有的建筑基础上进行维修加固，这种方式更加绿色，更加环保，从而使植筋技术的发展得到促进。我国在混凝土植筋技术方面虽然相对国外起步较晚，但从2000年开始后的几年内，在抗拉拔性能、节点抗震性能方面有了一定数量的代表性成果。熊学玉等[1]研究了不同埋深试件可能会出现的破坏模式，认为屈服破坏模式为较理想。闫锋等[2]采用循环往复加载试验研究了4种结构胶混凝土柱的破坏形态、承载力以及抗震性能，认为这些参数与非植筋整浇混凝土试件相差不大。迄今，我国尚无混凝土植筋方面的相关标准或规范。

受混凝土植筋技术的启发，国内外木结构植筋技术研究有了新的进展，已经广泛应用于梁端拼接、柱脚连接以及墙体的锚固和木结构桥梁等。早在20世纪80年代国外就对胶合木中植入螺纹杆的力学性能进行了系统研究。近年，MEHRAB Madhoushi等[3]研究了基于玻璃纤维增强塑料植筋接长技术的旋切板胶合木植筋连接性能，认为梁韧性大、能量吸收作用明显。孙小鸾等[4]提出新型装配式植筋木网壳植筋节点，并研究了不同参数影响下的节点受力性能。

日本建筑学会在2009年出版的《木结构节点设计手册》中，就图1所示组合杆式接头的抗拉、抗弯和抗剪性能计算提出了建议公式[5]，值得我国借鉴。

图1 组合杆接头的受力特征

2 植筋式胶合木结构

近年来，胶合木在国内外木结构建筑应用中受到青睐。胶合木结构形式种类多样，本文仅就植筋式胶合木结构进行阐述，就目前应用情况看，主要包括木框架结构、大跨木结构。

2.1 木框架结构

胶合木结构植筋方式多用于柱与基础连接、梁柱连接，适用于框架结构。国外较早将胶合木植筋用于框架结构。FAIRWEATHER R H针对多层木结构建筑的4种梁柱连接形式[6]，分别采用不同种类植筋与环氧树脂胶粘剂植入梁柱构件进行连接，通过试验证明所采用的梁柱植筋节点延性较好，环氧树脂表现出的黏结强度比木材更强，采用胶合木植筋连接方式可充分利用胶合木强度、增加节点刚度。

我国已有多层木结构框架案例，但植筋连接主要体现在局部，如柱-基础连接[7]。这种装配式框架结构安装方便，外观木质感突出。王洪鹤[8]对2种不同的意杨旋切板木框架结构通过拟静力试验进行了研究，认为意杨LVL螺栓钢填板连接纯框架的承载力大于植筋连接纯框架，但是植筋连接纯框架的抗侧刚度要略胜于螺栓钢填板连接框架。

植筋方式还可以用于加强刚架的力学性能。JUNG H J等分别采用玻璃纤维增强塑料(GFRP)杆和金属杆植入落叶松胶合木门式刚架[9]，对门式刚架施加横向荷载，结果表明两种植筋构成的门式刚架的承载力、刚度等性能几乎相同。

总体来看，胶合木结构植筋方式适用于抗侧能力要求较高的框架结构，在节点延性、刚度等方面具有优势，可以使胶合木的强度得到充分利用。

2.2 大跨木结构

孙小鸾等[4]通过试验方法研究了不同截面网壳节点的受力性能，认为矩形截面试件受弯承载力大于方形截面试件。VAEK M以K6型单层木网壳的钢毂与植筋混合网壳节点为研究对象[10]，依据实际受力情况对网壳节点进行有限元模拟分析，结果表明：节点无较大弯曲变形，受力性能良好。从实际试验情况看，初始缺陷对节点试验结果影响较大，因此，初期安装偏差影响值得重视。

目前来看，大跨木结构的研究主要集中在网壳结构，尽管胶合木植筋连接方式也可应用于网架结构、桁架结构中[11-12]，但相关报道较少，胶合木植筋在大跨木结构方面的研究与应用有待深入。

3 胶合木植筋连接黏结性能研究现状

胶合木植筋连接研究目前主要包括两方面，即基于拉拔试验的胶合木植筋连接黏结性能研究、构件相连接或拼接组成的试件中植筋连接处的受力性能研究。关于连接的计算方法，国内外尚未形成共识。

3.1 胶合木植筋连接黏结性能的影响因素

图2所示为胶合木植筋基本连接件，由胶合木、胶层和植筋组成。该连接可能会产生以下破坏模式：植筋发生屈服破坏的植筋屈服模式、胶层发生剪切破坏的植筋剪切模式、胶层周围发生的局部木材破坏模式、木材自身破坏模式。大量研究表明植筋连接宜按照植筋屈服破坏模式进行设计。以下从胶合木、植筋、胶层以及几何参数4个方面的影响分别阐述。

图2 胶合木植筋基本连接件剖面

1) 胶合木的影响：目前来看，国内外学者研究主要集中于木材的密度和含水率。

CIMADEVILA J Esteves[13]和CHANS M D Otero[14]等对两种不同密度的木材进行了试验研究，结果表明：随着木材密度的增大植筋的抗拔性能也随之增大，但是二者之间并不存在线性关系。理论上，木材密度对于植筋的抗拔性能影响是通过改变其他参数来实现的，即随着木材密度的增加影响胶合植筋抗拔性能的参数也会产生改变，说明木材密度的影响是间接的。国内学者聂玉静[15]对两种不同密度木材进行拉拔试验，指出木材密度在一定程度上会使其他参数发生改变，间接影响胶合植筋抗拔性能。

含水率会影响植筋连接的强度，主要因为木材含水率的变化使得木材发生干湿缩涨，胶层与木材之间的连接应力会随着含水率的增大而变小[16]。同时含水率变化的影响与使用的胶粘剂的种类也有一定的关系，AICHER S等[17]在高湿度环境下，对不同胶粘剂制作的植筋试件进行试验研究，认为选用环氧树脂胶合植筋试件基本不受高湿度环境影响。RIBERHOLT H[18]的试验研究表明：环氧树脂胶粘剂受木材含水率变化影响较小，而含水率对木材本身受力性能影响较大。

2) 植筋的影响：通常采用钢筋作为植筋。汤举等[19]采用试验方法研究了相同直径的光圆钢筋与螺纹钢筋的抗拉拔性能，结果表明：后者的极限破坏荷载远高于前者。玻璃纤维增强塑料(GFRP)和碳纤维增强塑料(CFRP)也可以作为植筋，其优点在于轻质、易加工、耐腐蚀性好[20]。

3) 胶层的影响：用于植筋连接的胶粘剂种类很多，目前应用最多的是环氧树脂(EXP)胶粘剂。BROUGHTON J G等[21]通过试验方法，研究了不同种类胶粘剂的植筋试件，指出环氧树脂胶粘剂试件较其他试件具有较强的抗拔承载力。聂玉静[15]采用单端与双端拉拔试验方法研究了环氧树脂胶与木材、植筋的黏结性能，证明其具有良好的黏结强度，抗拔承载力较高。

4) 几何参数的影响：植筋的锚固长度显著影响胶合木植筋连接的承载力以及破坏模式[22]，主要表现为随着锚固长度的增加植筋连接承载能力提高但不伴随明显的线性关系。但是，植筋的直径对胶合木植筋连接的抗拔承载力影响不呈明显的线性关系[23]。SENNO M等提出将植筋直径与锚固长度两参数结合，即将长细比作为影响植筋连接承载能力的因素[24]。TLUSTOCHOWICZ G等指出多杆植筋构件中的植筋边距与植筋间距对承载力的影响显著[25]，并提出最小边距2.5d、间距不宜小于4d的建议，其中d为植筋直径。有研究表明：当植筋胶层厚度不断增加时，植筋连接承载力会有一定程度的增大，随后趋于稳定，建议胶层厚度取2～4 mm[8]。

3.2 基于拉拔试验的胶合木植筋连接黏结性能计算

国内外对木结构植筋连接黏结性能研究较多，所提出的计算方法具体可分为两大类：一类为基于拉拔试验的胶合木植筋连接性能；另一类为胶合木植筋连接组合杆式接头受力性能计算方法，后者在植筋节点部分介绍。

AICHER S等[26]考虑锚固长度(la)、植筋直径(da)影响，首先提出轴向拉拔力Fax,mean=πdalafv,mean，其中fv,mean为植筋的平均锚固强度；又考虑密度影响对上述轴向拉拔力计算公式进行了修正[17]。STEIGER R[27]和WIDMANN R[28]等分别提出横纹植筋和顺纹植筋时的轴向拉拔力计算公式，指出：拉拔力的大小与植筋从木材不同纹理方向植入相关，不同方向植入植筋连接的计算方法不同。

近年来，我国对基于拉拔试验的胶合木植筋连接黏结性能计算研究成果突出，汤举等提出了钢筋屈服状态下的极限破坏荷载和平均剪切强度计算公式[19]，公式中引入了长细比概念，即植筋锚固长度与直径的比值。凌志彬[29]通过螺纹钢植筋试件与螺纹杆植筋试件的拉拔试验研究，提出植筋连接拉拔试件承载力计算公式。

综上所述，对于胶合植筋的连接计算方法国内外都有一定的研究成果，但影响连接性能的因素有很多，仍待深入探讨。

4 胶合木植筋节点性能研究现状

4.1 胶合木植筋节点受力性能研究

胶合木植筋连接节点主要包括梁-柱节点、柱-基础节点、网壳节点等，国内外学者在这些节点的受力性能研究方面做出诸多贡献。

凌志彬[29]采用试验方法研究了引入耗能连接件的组合式胶合木植筋连接节点抗震性能，指出与纯植筋节点相比组合式植筋节点虽然刚度略微降低，但其耗能能力高、延性性能好、加工安装方便且易于检修。时境晶等[30]以重型木结构植筋节点为研究对象，分析了该类植筋节点的受力机理、破坏模式，认为植筋屈服破坏能够充分发挥植筋节点的耗能能力。BUCHANAN A H等[31]提出一种带有加强支架的胶合木梁柱植筋节点，即在梁柱接触处引用金属连接件分别和梁柱伸出的植筋相连接，试验研究结果表明：采用这种连接方式的节点在满足承载力的同时又提高了其抗震性。

PARIDA G等[32]的装配式木墙体试验研究表明：木墙体具有较高的承载力和刚度，但其延性较低，最终的破坏模式为植筋木材的剪切破坏，要避免这种脆性破坏模式还需进行进一步研究。

目前来看，国内外对胶合木梁柱植筋连接节点的抗震性能研究相对较多，由于整体结构试验难以在实验室实现，数值模型的精确性就显得非常重要，考虑节点刚度的整体结构分析具有合理性。

4.2 胶合木植筋节点中的各部位计算

4.2.1 梁柱植筋节点受弯矩作用时的计算模型

对于梁柱植筋节点弯矩承载力的计算可以转化为受拉植筋的拉力和受压植筋的压力、胶合木所受拉力与压力组成的力偶，图3为梁柱植筋节点计算模型。

图3 计算模型

4.2.2 拼接节点和梁柱节点中的各部位计算

图1所示拼接节点和梁柱节点中的植筋抗拉、接头处抗弯和节点抗剪性能，依据《木结构节点设计手册》[5]计算如下。

1) 植筋所受轴力Ra的计算：

Ra=min(τ×A′,at×ft)

(1)

式中：τ为黏结强度，MPa；A′为有效黏结面积，mm2；at为钢筋的截面面积，mm2；ft为钢筋的抗拉强度，MPa。

2) 接头处所受弯矩Ma的计算：

Ma=min(τ×A′,at×ft)×j

(2)

式中：j为上下植筋之间的距离。

3) 节点所受剪力Qa的计算：

Qa=ag×fs

(3)

式中：ag为承受剪力的钢筋截面面积；fs为承受剪力的钢筋的抗剪强度。

5 结束语

胶合木植筋连接性能受多种因素影响。木材选择间接地影响胶合植筋连接黏结性能；植筋直径越大，试件的刚度越大；当植筋边距较小时，试件易发生劈裂破坏，应控制边距；植筋不宜采用光圆筋，可采用复合材料进行胶合木植筋连接；胶层厚度建议取2～4 mm；胶合木植筋连接在高温等外界环境影响下的黏结锚固性能如何还需做深入研究。值得重视的是：市场上胶粘剂种类多样，厂家配比不一，适于胶合木植筋并具有较好稳定性的胶粘剂性能指标有待明确。

胶合木植筋连接的研究和应用范围有待扩展。目前植筋多用于木框架梁端拼接、胶合木桥梁等，植筋技术用于大跨木结构已经可行。现阶段大跨木结构的研究主要集中在网壳结构，网架结构、桁架结构方面的植筋研究较少。用于大跨木结构的植筋试件的力学性能研究已有报道，但关于大跨木结构中的植筋节点研究较少，考虑节点刚度的结构整体分析有待深化。从胶合木植筋连接性能的研究现状看，应用于大跨结构的试验研究从数量和内容上尚显不足，精细化的数值模拟研究更为鲜见。

已有研究多采用静力加载、考虑拉拔性能，但实际工程往往还伴有弯矩作用，甚至还有疲劳破坏可能，有必要结合结构形式进一步考虑整体工况进行研究。

胶合木植筋连接在耐久性方面应该存在一定的优势，但相关研究仍鲜见报道。