木結(jié)構(gòu)連接的概述與分析

費建波 王 鵬

1 概述

連接性能研究是結(jié)構(gòu)受力性能研究的重要組成部分。節(jié)點強(qiáng)度的研究,一方面可以準(zhǔn)確地計算出結(jié)構(gòu)的極限受力狀態(tài),提高建筑的穩(wěn)定性和可靠度,另一方面節(jié)點強(qiáng)度的確定使得構(gòu)件材料得以優(yōu)化[1]。木材構(gòu)件要構(gòu)成一個整體的受力構(gòu)件需要通過多種不同的方式進(jìn)行連接,如榫卯連接、釘連接、齒連接等,傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點一般通過木工制作木連接方式來實現(xiàn),典型的特點是不使用或極少使用金屬連接構(gòu)件,而在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)設(shè)計中這種傳統(tǒng)的連接方式已較少使用,取而代之的是標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化的各種金屬連接件。

2 傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)連接

2.1 榫卯

古代木結(jié)構(gòu)中大木作的連接節(jié)點大多數(shù)采用的是榫卯連接,榫卯連接的主要方法是在木構(gòu)件上挖孔(卯)和制造凸起(榫),讓幾個構(gòu)件互相咬合起來,通過限制單個構(gòu)件在1個～2個方向的運動,使各個構(gòu)件組合成一個整體。從力學(xué)性能上考慮可將榫卯連接分為直榫和燕尾榫,燕尾榫一般在柱頂使用,直榫一般在柱子中間使用。

2.2 榫頭的受力行為

燕尾榫結(jié)構(gòu)可以承受拉力和壓力兩個方向的力,直榫結(jié)構(gòu)的梁能承受極限荷載的內(nèi)力,它能承受的拉力是榫頭之間的最大摩擦力。當(dāng)拉力超過最大摩擦力時,榫頭將被拔出,拔出的結(jié)果是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間出現(xiàn)相對的移動,這種移動一方面改變了結(jié)構(gòu)的整體性,另一方面也調(diào)整了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配。這種結(jié)構(gòu)另一個優(yōu)點是在地震等動荷載的作用下,由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)松動和構(gòu)件之間摩擦吸收了很多的能量,從而提高結(jié)構(gòu)的抗震能力[2]。

2.3 榫頭的工作狀態(tài)

木結(jié)構(gòu)在不受水平力時,下部框架的梁是不受力的,豎向荷載由柱子承擔(dān)。在受較小的水平荷載時,榫頭開始咬緊,結(jié)構(gòu)少量滑移,這一階段是鉸接狀態(tài)。隨著荷載的增加,榫頭開始受剪力和彎矩作用,直至屈服荷載,榫頭是剛性連接,繼續(xù)加荷到極限荷載,柱的兩端連接榫頭發(fā)生拔卯,此時梁柱連接榫頭沒有脫出,這一階段成為結(jié)構(gòu)塑性階段。此后在極限荷載下,結(jié)構(gòu)延性充分發(fā)展,直至倒塌,稱之為結(jié)構(gòu)破壞階段,此時材料不會達(dá)到塑性(木結(jié)構(gòu)的荷載—位移曲線見圖1)。

結(jié)構(gòu)的破壞主要是由于連接較弱,發(fā)生脫卯,結(jié)構(gòu)整體性削弱引起的。因此,只要加強(qiáng)連接,同時使梁柱連接榫頭在最不利的情況下不發(fā)生脫卯,加強(qiáng)各構(gòu)件之間的連接,提高結(jié)構(gòu)剛度,充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能,那么結(jié)構(gòu)承載能力將提高。

3 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的連接

3.1 釘連接

釘連接是金屬連接中使用最早也是使用最廣泛的一種,在木結(jié)構(gòu)中使用非常普遍,如屋面、樓板采用釘與梁相連。釘在木結(jié)構(gòu)中主要用于傳遞剪力、抵抗拔力,由釘連接節(jié)點的木結(jié)構(gòu)吸能能力強(qiáng),有良好的抗震性能。而且釘布置方便,受力性質(zhì)明確,廣受青睞。釘連接中釘子釘入的方式有很多種,一般根據(jù)受力情況來選擇。圖2為最常見的幾種形式。

作為連接構(gòu)件的釘承受的荷載可分為兩個方向:垂直于釘桿的側(cè)向剪力以及平行于釘桿的拔出力,因此握釘力和側(cè)剪承載力是衡量釘節(jié)點性能的兩個基本強(qiáng)度指標(biāo)。

1)握釘力。不同釘型握釘力的來源不同,圓鋼釘握釘力來源于釘桿表面與木材之間的摩擦力,圓鋼釘釘入以后,對接觸的木材產(chǎn)生了擠壓作用,因此釘拔出時釘桿表面與周圍的木材存在著一定的摩擦作用,在達(dá)到極限強(qiáng)度之前握釘力的主要部分是靜摩擦力。釘桿表面有螺紋的釘釘入時,木材像楔體一樣順著螺紋進(jìn)入相鄰的兩齒之間,拔出時必定會造成兩齒之間楔形木材的剪切破壞,此時木材抗剪力起主要作用。螺釘握釘力極限值大約是圓釘?shù)?倍,螺釘?shù)奈蔗斄υ谶_(dá)到極限值前,相同位移下荷載增加量遠(yuǎn)大于圓鋼釘,但達(dá)到極限值后呈直線下降趨勢,類似于脆性破壞,這對構(gòu)件連接極為不利[3]。

2)側(cè)剪承載力。a.模式1:如果銷直徑很大,剛性不屈;其中一構(gòu)件銷槽承受強(qiáng)度與其厚度乘積相對大,對銷身傾斜轉(zhuǎn)動具有很大的鉗制力,對銷身傾斜轉(zhuǎn)動的鉗制力較小,此時后者的銷槽因受擠壓而發(fā)生破壞(見圖3)。b.模式2:如果銷直徑較大,銷身剛直;兩構(gòu)件對銷身轉(zhuǎn)動鉗制力可以阻止銷身轉(zhuǎn)動,構(gòu)件內(nèi)外邊緣區(qū)域銷槽因局部擠壓而發(fā)生破壞(見圖4)。c.模式3:如果銷直徑相對較小,受力后銷身彎曲;在該構(gòu)件結(jié)合縫一側(cè)出現(xiàn)明顯的塑性鉸,其以外的部分銷身雖依然剛直,由于轉(zhuǎn)動傾斜導(dǎo)致銷槽承受強(qiáng)度與其厚度相對小的構(gòu)件內(nèi)外邊緣區(qū)域因局部被擠壓而發(fā)生破壞[4](見圖 5)。d.模式 4:如果銷直徑相對較小,構(gòu)件都具有較大的鉗制力;受力后銷身發(fā)生彎曲,在結(jié)合縫兩側(cè)的構(gòu)件中同時出現(xiàn)塑性鉸,由于兩個塑性鉸之間的部分銷身轉(zhuǎn)動,導(dǎo)致梁側(cè)構(gòu)件在結(jié)合縫邊緣區(qū)域因受擠壓而發(fā)生破壞(見圖6)。

3.2 齒板連接

在輕型木結(jié)構(gòu)體系中桁架節(jié)點常采用齒板連接,齒板連接木桁架節(jié)點可以提前預(yù)制并可以成批制作,這不但節(jié)約了勞動力、縮短了施工周期,而且效率高、節(jié)點性能穩(wěn)定可靠。

齒板由鍍鋅鋼板經(jīng)單向打齒制成。齒的形狀因生產(chǎn)商而異。齒板主要用于輕型木桁架節(jié)點連接與木構(gòu)件的接長。因其安全可靠、施工方便,在國外齒板被廣泛用于由規(guī)格材料制成的輕型木桁架節(jié)點連接或木構(gòu)件的接長與接厚。

齒板連接作為一種獨特的連接方式,其構(gòu)造要求為:1)齒板應(yīng)成對對稱設(shè)置于構(gòu)件連接節(jié)點的兩側(cè)。2)采用齒板連接的構(gòu)件深度應(yīng)不小于做板齒承載力試驗時板齒嵌入試件的深度。3)齒板連接處構(gòu)件無缺棱、木節(jié)孔等缺陷。4)拼裝完成后齒板無變形。

4 木結(jié)構(gòu)節(jié)點新技術(shù)的探索

在瑞士伯尼爾州的一座木橋,是一座由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院設(shè)計的新技術(shù)木橋。該橋利用高強(qiáng)度、高韌性的玻璃纖維,以環(huán)氧樹脂粘貼在節(jié)點范圍的兩側(cè),以提升局部節(jié)點強(qiáng)度及安全性,是橋釘連接的一種補(bǔ)強(qiáng)技術(shù),另外在有限的結(jié)合范圍內(nèi),增加結(jié)合扣件的數(shù)量或尺寸,卻不增加木材的尺寸而間接造成的材料浪費。

5 結(jié)語

連接是決定木結(jié)構(gòu)建筑強(qiáng)度的重要一環(huán)。本文概括介紹了木結(jié)構(gòu)建筑的幾種連接形式,并簡要分析了幾種連接形式的受力及破壞狀況。對于木結(jié)構(gòu)建造時的連接形式,我們應(yīng)該全面考慮強(qiáng)度、受力狀況等因素,選擇對結(jié)構(gòu)最有利的連接形式。

[1] GB 50005-2003,木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 姚 侃,趙鴻鐵,葛鴻鵬.古建木結(jié)構(gòu)榫卯連接特性的試驗研究[J].工程力學(xué),2000,23(10):95-96.

[3] 陳志勇,陳松來,樊承謀,等.木結(jié)構(gòu)釘連接研究進(jìn)展[J].結(jié)構(gòu)工程師,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] 龍衛(wèi)國,楊學(xué)兵.木結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[6] 樊承謀.木結(jié)構(gòu)工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1996.