木結構螺栓連接綜述及展望

李冰琳++任駿++陸磊++郝駿++劉雁

摘 要：本文介紹了木結構節點的連接方式，而后著重介紹了螺栓連接形式的破壞形態和研究進展，最后對螺栓連接的研究提出了幾點建議。

關鍵詞：木結構；螺栓連接；破壞形態

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

現今建筑普遍采用鋼筋混凝土結構，其建造過程產生大量的建筑垃圾，對環境產生了不良影響，而木結構具有健康舒適、環保節能、設計靈活、施工期短等諸多優點，近期獲得了較好的發展。

木結構的主要結構形式有梁柱結構體系（post and beam construction）和輕型木結構體系（light wood frame construction）兩種。在梁柱結構體系這一傳統建筑形式中，梁柱結構構成主要的傳力體系，豎向及水平載荷都是由梁柱結構通過連接組成的體系承受，最后傳遞到基礎。因此，梁柱節點連接的承載性能是影響結構受力性能的關鍵，它關系到木結構的安全性、可靠性和穩定性。

2.木結構節點的連接方式

木結構的連接方式有：榫卯連接、齒連接、螺栓連接和釘連接、鍵連接等。

其中螺栓連接具有制作簡單、安全可靠、施工快捷的特點，是木結構常用的一種連接形式，現已被廣泛應用于梁柱結構、木剛架、木桁架、木拱等木結構建筑中[1]。使用場所、使用部位及使用條件的不同使得螺栓連接種類繁多、造型各異，但總體來說，若根據所連接構件的個數來分，可分為單剪連接、雙剪連接及多剪連接，工程實踐中常采用單剪連接和雙剪連接；根據是否采用金屬連扳來分，可分為木材—木材的螺栓連接和木材—鋼材的螺栓連接兩種，而后者根據鋼材連接板相對于木材的位置又可分為木材—鋼填板螺栓連接和木材—鋼夾板螺栓連接（如圖1所示）。

3.螺栓連接節點的破壞形態

螺栓是銷類連接件的一種，其特點是承受的荷載與連接件本身長度方向垂直，故稱抗“剪”連接，且銷抗“剪”是基于銷發生彎曲和銷槽木材受壓，都具有良好的韌性，在工程中廣泛應用。

銷連接的普遍屈服模式是建立承載能力計算理論的基礎，其屈服模式歸納起來有四種[13]。

具體到螺栓而言，其受力破壞的形式一般包括：木材剪切破壞、木材撕裂破壞、木材銷槽承壓破壞和螺栓抗彎屈服破壞，對于木材與鋼材的螺栓連接而言，其受力破壞模式還包括：鋼板受拉破壞和孔壁受壓破壞等[2]。

4.國內外研究現狀

1941年丹麥科學家Johansen提出“屈服理論”，研究學者自“屈服理論”提出后將其應用到了單個螺栓的對稱連接和反對稱連接承載力的計算中。1983年，McLain和Thangjitham[3]通過實驗證明螺栓的承載力可通過螺栓預緊力增強。

1968年，Cramer[4]的研究表明，多個螺栓連接的承載性能等于單個螺栓承載力乘以螺栓個數再乘以修正系數，主要是指群組修正系數。

1993年，Wilkinson[5]研究了螺栓孔的大小對膠合木螺栓連接的影響。結果表明，螺栓孔尺寸增大對屈服荷載和最大荷載影響較小，但是對荷載-位移圖影響較大。

1998年，Jorissen[6]通過在短期荷載下，對稱雙剪螺栓連接的承載力試驗研究，發現多個螺栓連接件的承載強度低于單個螺栓連接承載強度與螺栓個數的乘積，原因是螺栓接頭位置應力分布不均勻。并通過試驗得出了多個螺栓連接件的強度和剛度，發現多個螺栓連接件的承載強度低于單個螺栓連接承載強度與螺栓個數的乘積，這主要是由于螺栓的洞隙造成的。

2001年，Rammer等[7]進行了一系列螺栓和釘子連接的試驗，得到了不同木材含水率對螺栓連接承載性能的影響，建立了螺栓承載力與木材含水率的線性關系，研究表明，這種線性關系與樹種和連接件類型沒有關系，隨著含水率的增大，承載強度降低。

我國的許多學者也對木結構的螺栓連接進行了研究。1982年樊承謀在蘇聯學者研究工作的基礎上，對木結構螺栓聯接彈塑性工作的原理作進一步的理論探討，導出了螺栓的最大彎矩公式。

1986年胡擁軍[8]根據木材彈塑性工作的原理，并結合所做的50個對稱雙剪聯接的試驗，對木結構螺栓聯接的工作原理及計算公式中存在的不妥之處進行了分析，利用所推薦的設計方法，對木構件單剪連接和對稱連接進行了設計計算，并與現行的規范設計方法對比。

2007年周俐俐[9]通過計算實例表明，提出螺栓連接不等間距的排列方式，承載力相同的情況下，這種排列方式同時滿足了規范規定的螺栓最大和最小容許距離，又節約了螺栓數目。

2008年翁曉紅[10]通過對不同木材厚度的木材-鋼填板螺栓連接試件的性能進行對比，得出了木材-鋼填板螺栓連接的破壞模式、承載力大小以及其延性性能均與側材厚度的相對大小有關，其結論為極限承載力隨側材厚度的增加而增大，連接試件的破壞模式由銷槽承壓破壞改為銷槽承壓破壞及螺栓彎曲破壞同時發生；側材的厚度增加到一定數值后，承載力大小趨于不變。

2009年徐德良[11]通過試驗研究膠合木材-鋼夾板在順木紋受拉時的承載能力，試驗表明，膠合木相對厚度增加時，螺栓連接節點的延性也會隨之增大，當膠合木厚度增大到某個值后，再增大厚度對其極限承載力的影響不大。endprint

2009年奚愛峰[12]采用美國規范的有效螺栓節點數對木材-鋼填板螺栓連接節點順紋受拉承載力進行研究，得出結論為螺栓連接節點的承載力隨著螺栓數量的增加逐漸增加，但是延性有所下降。

2011年劉珂珍[14]通過使用T型和U型剛板，鋼銷、螺栓將落葉松膠合木材連接成梁柱狀態對落葉松膠合木的梁柱螺栓節點進行了研究，測試其承載性能，得出U型連接件比T型連接件承載性能要好。

5.展望

隨著木結構的發展漸漸趨于工業化、多樣化及集成化，木結構金屬連接件從制造到安裝，其傳統技藝的使用越來越少，從之前單一的釘和螺栓，到現今的各種專用連接件；從原來的靠人工逐個安裝，到現今專業制造商聯合設計、制造、機械自動安裝，連接件現今既提高了工藝的準確性，又使其材料得到了最優化利用。目前木結構連接的研究呈現如下趨勢：

（1）從單一性走向整體性。早期的研究主要針對單個連接的承載特性上，例如釘、螺栓、齒板等一個連接件組成的連接點，經過多年的發展和進行試驗獲取數據的積累，各個方面的參數基本得到完善，研究逐步向整體結構的方向發展；

（2）連接的強度計算趨于精確化。隨著有限元等現代理論和現代技術的應用，連接點的應力分布、結合區域的木材性能等計算研究越來越精確，促使性能設計更加接近實際情況，與此同時也為連接點的性能增強、結構修復等工作提供了數據依據；

（3）由經驗方法轉向力學理論分析。隨著研究的深入及各種力學理論的引入，木構件連接力學理論逐步建立，該理論為連接件設計提供了數據支持和理論依據，木結構連接點的設計也逐步變得更加科學、更加精確。

針對我國目前螺栓連接研究中存在的問題和不足，提出以下幾點建議：

（1）充分利用國外已有的研究成果，通過進行相應的連接性能測試，明確我國結構用材的連接特性，建立相關的設計規范以及強度計算方法和計算模型，同時，在此基礎上，設計出國產木結構專用的連接件，

（2）進一步探究屈服理論在木結構螺栓連接可靠性設計中的應用，加大對螺栓節點材料參數的研究，不同受力方向情況下的節點破壞，提高木結構螺栓連接承載力的新方法以及完善螺栓預緊研究；

（3）開展對耐火抗震條件下，提高螺栓連接的力學性能方法和優化節點設計等研究；

（4）發揚我國傳統木結構的優勢，探討榫卯等傳統連接方式，探究螺栓連接與傳統榫卯連接方式相結合的新型連接方式，一方面，我國在古建保護方面所做的研究工作為傳統榫卯連接性能研究積累了大量的經驗，另一方面，與金屬連接件相比，榫卯連接不存在易腐蝕、耐火性能差等缺點，可借鑒古建保護的經驗，并將其運用到現代木結構連接的設計中。

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【文章編號】1006-2688（2017）07-0011-02endprint