輕型木結構節點連接方式研究

胡楊楠，楊宇生

（北方工業大學建筑與藝術學院，北京 100144）

0 引言

木結構建筑的發展歷史已有數千年，已從傳統純木結構建筑進入鋼木混合的現代木結構建筑的發展階段。現代木結構是指通過現代的新型科技手段，將木材或板材經過層壓、膠合、金屬構件連接等一系列現代化的工藝處理，最后形成整體結構性能遠超原木結構的現代木結構體系[1]。現代木結構依據房屋承重構件所運用的材料可分為重型木結構（膠合木結構）、輕型木結構、方木原木結構及混合木結構4種主要形式，每種結構形式的節點連接方式各有千秋。輕型木結構是其中的重要分支，對于其節點連接方式的研究影響著輕型木結構建筑能否在我國木構建筑式微階段獲得更廣泛的關注。

1 輕型木結構的特點

輕型木結構起源于北美地區的部分民用住宅所采用的木結構形式，后逐漸應用到3層及3層以下的民用建筑中，在20世紀80—90年代逐漸傳入我國，其主要結構體系由木構架墻、木樓蓋和木屋蓋系統三部分所構成[2]，每部分中的最小單元由斷面較小的統一規格材經過有序地密布排列[3]。隨著建筑技術的進步，又衍生出板壁式的結構體系，由剪力墻、樓蓋和屋蓋三大部分組成（見圖1），但構件的最小單元保持不變[4]。由于其自身高度和跨度較小，所受到的水平荷載和豎向荷載及自重荷載同樣較小[5]，以輕型木桁架為主要承重構件，以規格材作為建筑主材料，以剪力墻起支撐性能的新型現代木結構建筑形式輕型木結構，具有建造成本低廉、建筑材料節能環保、結構性能穩固、易于統籌設計、裝配靈活、施工周期短以及便于修繕等優點，是目前市場上投放最多、技術經驗較為成熟的現代木結構之一。

圖1 輕型木結構體系

2 輕型木結構節點連接方式

隨著材料科技的創新和建筑技術的發展，現代木結構建筑節點構造幾乎不再采用通過構件本身的穿插關系搭建木構建筑骨架的傳統榫卯連接方式，而是更傾向借助現代金屬元件獲得比過去純木構件剛性更強的力學性能，采用間接的方式將不同結構骨架搭接在一起的連接方式（見圖2）。輕型木結構主要的結構構件均采用當前市面上標準化的規格材或工程木產品，其構件連接節點主要采用剛性連接和金屬連接件連接[6]。

圖2 現代木結構金屬連接節點

常見的剛性連接方式有齒連接、鍵連接、釘連接和螺栓連接等銷軸類連接形式[7]，其在大眾市場上的應用已較為廣泛。在此基礎上，還出現了齒板連接和植筋連接等適應木結構現代化的節點連接方式。其中，除對建筑外觀等方面有特殊要求外，在輕型木結構中主要運用與純木節點相比表現性能更佳的齒板連接、釘連接、螺栓連接和利用金屬掛鉤件進行節點加固[8]。

2.1 釘連接

釘連接屬于銷釘類連接，在輕型木結構中是使用最早也是最基本的連接形式。釘連接件形式多樣，常見的釘連接件有圓鋼釘、螺紋釘、麻花釘等形式。由釘連接件連接的木結構節點在整體結構中主要擔負著傳遞剪力、抵抗拔力的作用，具有較好的抗震性能。

輕型木結構的抗側力性能主要由其中剪力墻部分里的覆面板和墻內骨架之間的釘連接的受力性能決定。其保證整體結構的受力均勻及工作性能穩定，發揮抵抗強風、地震等側向壓力的作用，以期達到保持木結構整體骨架穩定的目的。釘連接件嵌入的方式有多種，一般根據受力情況選擇，最常見的釘嵌入形式有平行釘入、斜向釘入、垂直釘入3種（見圖3）。

圖3 常見釘嵌入形式

釘連接的承載性能直接影響輕型木結構剪力墻乃至整體結構的受力性能，釘連接處的節點構造部分起到至關重要的作用。高建等[9]根據國內外相關研究總結歸納出釘連接節點性能主要受到基材、面板的密度與質量、釘材的規格型號、釘的嵌入方式、節點的幾何形式、木材紋理方向及施工方式等因素的影響，如直釘連接的釘節點性能優于斜釘連接的節點性能；完全嵌入的釘節點性能優于未完全嵌入的釘節點性能等。

盡管單個釘受到本身規格的限制僅能傳遞較小的載荷，但因其有著緊密性高、韌性充分、受力性質明確且施工便捷的優點，極大節省了人力物力成本，成為現代輕型木結構中最常用的節點連接方式之一。

2.2 螺栓連接

螺栓連接屬于銷軸類連接，其原理是利用孔壁的擠壓作用所形成的摩擦，達到鞏固連接構件的作用[10]。較多現代木結構建筑采用螺栓連接的節點連接方式，在某種程度上螺栓和釘在輕型木結構的節點構造處承擔了相似的受力條件，但因螺栓相較釘子具有更大的剪切面，因此該類連接節點的承載能力較釘連接更大，節點結構相對牢固。由于輕型木結構中最小構件的規格材的剪切破壞和破裂破壞都是脆性破壞，而螺栓連接具有抗變形能力，從安全性來看，相比其他節點連接方式，其出色的抗彎能力為連接破壞的最佳選擇。因此，規范中還給出通過螺栓連接的木構件的最小厚度，從根本上保證了螺栓連接受力的安全性與穩定性。

螺栓節點的連接方式為：預先對木構件進行鉆孔，再將螺栓或者銷釘插入事先鉆好的孔中；或直接在施工現場插入螺栓。該連接方式傳力簡單、安全可靠、經濟性能較好，相比于釘連接安裝更加靈活，符合現代裝配化生產的趨勢，但相較釘連接又需預鉆孔，不如釘連接施工簡便，也有一定的限制。

2.3 齒板連接

齒板連接是輕型木結構最常見也是現在使用范圍最廣的1種連接方式，主要應用于輕型木結構中的最小組成單元木桁架節點的連接（見圖4）。齒板的材料一般為鍍鋅或是鍍鋁鋅的高強度鋼板，其制造過程為：先采用高速沖模機將整卷鍍鋅鋼板沖切成凸出的板齒，再根據實際需要裁剪成不同尺寸的齒板，將齒板壓入木材需要連接的節點中便形成了輕型木桁架的齒板連接節點。

圖4 齒板

通過在桁架的連接處置入齒板，可對桁架中各條木弦進行較為快速和準確的定位。其安裝方式為：在預制工廠中拼裝好一榀桁架后，將輕型木桁架平放，再通過專門的加工機械將齒板直接壓進桁架中所對應的各條木弦間的連接處（見圖5）。

圖5 木桁架節點連接

齒板連接作為輕型木桁架獨有的連接方式，其連接性能也受到各種影響因素的制約，如木材的紋理方向、荷載力的作用方向、板齒的分布情況、板齒的數量及大小、木材的含水率等。雖然齒板連接在輕型木結構的節點連接中應用較廣泛，但這種節點連接方式的強度相對來說還是屬于比較薄弱的，故其承載能力決定整個桁架的承載性能[11]，專業人士通過“屈服理論”及相關力學荷載試驗，對其構造提出了如下4點要求。

1）齒板應以成對的形式對稱地置于構件連接節點的兩側且成垂直關系。

2）采用齒板連接嵌入最小構件的深度至少應為做齒板承載力試驗時嵌入深度的2倍且嵌入深度不應大于構件的1/2。

3）應保持齒板連接構件完好，無缺損、木結節或孔洞等缺陷。

4）全部完成拼裝后的齒板及構件應形態完整，無變形、位移等。

相較純木連接的連接形式，齒板連接不僅可提前進行預制生產，成批制作，滿足裝配化生產的工業需求，其生產方式不僅使節點性能穩定可靠，更縮短了施工周期、節約了勞動成本、提高了裝配效率。雖該節點方式也有其相應的弊端，如由于齒板較薄較于其他節點連接方式其強度不足，受壓承載力較低、安裝注意事項過于煩瑣，但也不失為是1種便捷的節點連接方式，如果在齒板的承載力性能方向或自身材料強度上加以設計改善，其在輕型木結構領域將得到更廣泛的應用。

2.4 掛鉤件連接

掛鉤件是輕型木結構體系中連接主梁與次梁、縫邊梁與主梁普遍采用的金屬連接件，主要用于傳遞豎向荷載。根據使用位置的不同分為梁柱用的“重型”掛鉤件和格柵用的“輕型”掛鉤件，根據傳力機理的不同分為頂掛型和面掛型。應用于輕型木結構中的掛鉤件質量較輕，相對應的承載力也較低[12]。根據適用情況與場景的不同又衍變出偏轉型、傾斜型、組合型等不同種類的特種掛鉤件，但不管是何種類的掛鉤件，均由正面翼、側面翼、底板3部分組成。掛鉤件連接的節點構造由掛鉤件、緊固件和被連接的結構構件構成，屬于外露式的建筑節點，因此可進行外觀上的美化，符合當代審美需求。相較傳統的螺栓節點和釘節點，掛鉤件尺寸、形狀各異，美學性能更高，且作為傳遞豎向荷載的關鍵節點，掛鉤件連接節點因其安全可靠、安裝便捷的優勢被大量使用于輕型木結構的節點連接中。相較其他連接方式，掛鉤件的獨有特點要求在設計節點構造時注意進行藝術性加工，作為耐火性能更差的小面積金屬連接件，在設計時還需考慮增強其自身的防火性能。

3 結語

通過對輕型木結構節點構造處的主要連接方式的歸納，得出以下結論。

1）釘連接與螺栓連接作為傳統的剛性連接形式，成本低廉，施工便捷，但隨著輕木桁架跨度加大，若單純靠釘和螺栓連接結構中的主要構件，則整體結構的可靠性能差，因此這兩種連接方式的使用范圍存在局限性。

2）齒板連接是木屋蓋桁架節點的主要連接形式，齒板構件對尺寸精度的要求并不高且置入位置靈活，適應當代工廠預制化的生產模式和裝配式的建設手段，而且結構可靠度高，當桁架布置間距較大時，使用齒板連接的連接形式可大幅度提高桁架的生產效率與裝配化水平。

3）掛鉤件作為輕型木結構中最主要的受力連接載體被廣泛用于輕型木結構建筑的主要骨架構件連接處，具有良好的承載性能及塑性抗變形能力。它作為建筑外露的結構構件，可根據群體需要進行美觀上的升級與定制。但因掛鉤件尺寸各異、形式多樣，因此難用某個恒定的公式計算其節點的承載力，所以在使用中需要耗費時間和精力去挑選合適的掛鉤件。

木材作為綠色生態、可再生的建筑材料，其在實用性和美學性上表現優異。我國雖是木結構建筑藝術發展的搖籃，但由于近代受西方工業文明的影響發展以鋼筋混凝土為主的新的結構體系，使我國幾千年的傳統木結構體系逐漸沒落。近年來，隨著裝配式木結構建筑等現代木結構建筑理念的興起，掀起了木結構建筑復興的風潮，而自北美國家傳入的輕型木結構在我國的大量推廣，這可能是將我國木結構建筑發展推向另一高峰的契機。

輕型木結構具有良好的抗震性能，更加適應現代工廠預制的建造方式，優越的保溫隔熱性能及材料的綠色可再生性使其成為現代木結構中廣泛應用的1種形式被大眾所接受。作為輕型木結構體系中關鍵的組成部分，節點連接方式的選用不僅影響輕型木結構的承載力、剛度、延性及耗能水平，也對安裝的便捷性、結構成本的經濟性及建筑的美觀性具有重要影響。因技術不斷進步，輕型木結構中不同部分的節點構造必將趨于標準化、規范化、高質量化甚至是藝術化，迎合當代的高質量大規模生產需求和日益提高的美學需求。

相較歐美地區的某些國家，我國對輕型木結構節點的研究還處于發展階段，盡管可制作和供應適應國內市場需求的金屬連接材料，但其節點連接技術大多依賴進口，在一定程度上使節點技術的創新具有局限性。由于金屬材料的介入，木材和金屬之間不同的物理性能會產生相互作用，所以要特別注意節點構造處的防腐設計和防火設計。在發展綠色建筑與建筑裝配化的背景下，我國現代木結構建筑在木質新材料、組合構件和新型節點連接技術等方面還具有很大的發展空間。