木結(jié)構(gòu)連接的介紹
摘 要： 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。本文介紹了木結(jié)構(gòu)建筑的幾種常用節(jié)點(diǎn)，闡述了不同連接的傳力特點(diǎn)、構(gòu)造方法，并提出連接設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素，以期對(duì)中國的木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起一定的積極作用。
關(guān)鍵詞： 木結(jié)構(gòu) 連接 節(jié)點(diǎn)An Overview of Connections in Timber StructureXie Chao Liu Weiqing Yang Huifeng(Nanjing University of Technology，Nanjing，210009，China)Abstract: Connection design in timber structure is one of the most important things in timber structure design. Some common style of the joint including loads bearing systems, the design method are introduced in this paper. Besides those the matters need attentions in design of joints are presented here.
Key words: timber structure connection joint1 前言木材作為建筑材料具有重量輕、強(qiáng)度高、美觀、加工性能好等特點(diǎn) ,因此自古以來就受到人們偏愛?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)房屋更具有綠色、生態(tài)、環(huán)保、可再生利用等特點(diǎn)，是人類最理想的居住環(huán)境?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅建筑在世界上許多國家己很普遍。在北美，木結(jié)構(gòu)住宅處于市場主導(dǎo)地位。75%的人居住在木制房屋里，尤其是高檔別墅幾乎全部是木制的。在加拿大，木材工業(yè)是國家支柱產(chǎn)業(yè)之一，其木結(jié)構(gòu)住宅的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和配套安裝技術(shù)非常成熟。在日本，大量的住宅是利用木材、膠合木和水泥刨花板建造的，目前日本新建住宅房屋中，有半數(shù)以上是木結(jié)構(gòu)．在北歐的芬蘭和瑞典，民居住房的90%為一層或二層的木結(jié)構(gòu)建筑。我國目前國內(nèi)己有2000 多個(gè)木結(jié)構(gòu)房屋，還有600 多個(gè)正在建設(shè)中，絕大多數(shù)都采用國外材料和技術(shù)。在北京上海、廣州、南京、蘇州、深圳、大連、重慶等城市，己連續(xù)開發(fā)了許多木結(jié)構(gòu)房屋示范項(xiàng)目。木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中最困難也是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，所以對(duì)于節(jié)點(diǎn)的研究非常重要。本文則介紹了幾種木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式，闡述了其構(gòu)造方法和傳力特點(diǎn)，并提出了連接設(shè)計(jì)中需要考慮的因素。
2 連接類型根據(jù)連接受力情況不同，有的是直接傳力，有的是通過連接件間接傳力，常見的有齒連接、銷連接和通過金屬連接件進(jìn)行連接。
2.1 齒連接齒連接是將受壓構(gòu)件的端頭做成齒榫，在另一構(gòu)件上鋸成齒槽，使齒榫直接抵承在齒槽內(nèi)，通過抵承面的承壓工作傳力。因此，齒連接只能用來傳遞壓力，這是它的特點(diǎn)。齒連接構(gòu)造簡單，傳力明確，可用簡單工具制作，由于其構(gòu)造外露，易于檢查施工質(zhì)量和觀測(cè)工作情況。但齒連接由于在構(gòu)件上刻槽，對(duì)構(gòu)件截面削弱較大，從而增加木材從而增加木材用量；在齒槽中除承壓工作外，尚伴隨著脆性的剪切工作，同時(shí)只能用于手工操作，要技術(shù)級(jí)別較高的木工進(jìn)行制作，方能保證連接質(zhì)量。
齒連接分為單齒連接和雙齒連接，如上圖，需要注意的是：
（1）承壓面應(yīng)與所連接的壓桿軸線垂直，使壓力明確地作用在該承壓面上，并保證剪力面上存在橫向緊力，以利于木材剪切工作；（2）壓桿軸線應(yīng)通過承壓面的形心；（3）當(dāng)用濕材制作時(shí)，還要考慮木材發(fā)生端裂的可能性。為此，橫加支座節(jié)點(diǎn)連接的剪面長度應(yīng)比計(jì)算值大50mm；（4）木桁架支座節(jié)點(diǎn)必須設(shè)置保險(xiǎn)螺栓、附木和經(jīng)過防腐處理的墊木。對(duì)于齒連接的計(jì)算需要驗(yàn)算木材的承壓、受剪和受拉強(qiáng)度。
2.2 銷連接普通的銷連接銷是用鋼或者木做成圓桿狀或者片狀，用以阻止被連接構(gòu)件相對(duì)移動(dòng)的連接物。在連接中，銷主要受彎，木構(gòu)件主要承壓。這兩種工作都有比較好的塑性，因而銷連接是一種比較可靠的連接。屬于圓桿狀的，有螺栓、釘、圓鋼銷、螺釘、玻璃鋼圓銷等；屬于板片狀的，有玻璃鋼板銷，鋼板銷等。上述各種銷中，以螺栓和釘應(yīng)用最廣，一般木結(jié)構(gòu)均可采用。當(dāng)受使用條件限制，不允許在結(jié)構(gòu)中使用金屬配件時(shí)，可采用玻璃鋼銷。在橋梁結(jié)構(gòu)中，有時(shí)可采用鋼板銷。
以上節(jié)點(diǎn)處如木構(gòu)件太薄，破壞多數(shù)是由木材銷槽處劈開，特別是在構(gòu)件很薄得拉力接頭中表現(xiàn)得更明顯。因此，為了簡化計(jì)算和確保連接受力安全，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)螺栓連接的木構(gòu)件做了最小厚度的規(guī)定，具體可參照木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。
特殊的銷連接空心鋼銷連接：國外木結(jié)構(gòu)發(fā)展比較迅速，現(xiàn)已有空心鋼銷連接的研究及應(yīng)用。傳統(tǒng)的實(shí)心鋼銷一般直徑比較大，并且增加了木構(gòu)件脆性破壞的可能性。空心鋼銷根據(jù)孔壁厚度的不同，可以提供可變的扣件剛度。通過試驗(yàn)，運(yùn)用空心鋼銷的節(jié)點(diǎn)明顯提高了其延展性，在達(dá)到節(jié)點(diǎn)剛度要求的前提下，它具有非常好的耗能能力，并且其決定因素在于孔壁的相對(duì)厚度。
用環(huán)氧膠粘劑填充的鋼棒連接：此種銷連接一般用來連接比較厚的木梁和預(yù)制鋼架。澳大利亞的研究人員已對(duì)其進(jìn)行了原型抗拉、抗彎試驗(yàn)，并運(yùn)用在了實(shí)際工程當(dāng)中。此類連接中，十子交叉和傾斜的鋼棒極大得提高了連接的抗拉能力。在構(gòu)造要求中，傾斜部分應(yīng)該位于截面中部，并且尺寸應(yīng)該和所有鋼棒相差不大。
2.3 采用鋼構(gòu)件連接的節(jié)點(diǎn)形式在大型木建筑設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)跨度及構(gòu)件尺寸相對(duì)較大，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式無法滿足大型結(jié)構(gòu)的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往會(huì)更多的引用鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，節(jié)點(diǎn)處也會(huì)積極地使用金屬構(gòu)件或者鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)來滿足結(jié)構(gòu)的要求。輕微結(jié)合處可以采用釘子或者螺栓等小型鋼構(gòu)件進(jìn)行連接；大型結(jié)構(gòu)中則常在集成材的結(jié)合處插入鋼板與木構(gòu)件固定，鋼板之間或者鋼板與混凝土基礎(chǔ)之間采用螺栓等鋼構(gòu)件進(jìn)行連接。在大跨木結(jié)構(gòu)中，這些剛節(jié)點(diǎn)處理方法可以有效地解決節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)問題，為設(shè)計(jì)帶來新的突破。
齒板連接齒板由鍍鋅鋼板經(jīng)單向打齒制成。齒的形狀因生產(chǎn)商而異。在國外，齒板被廣泛用于由規(guī)格材制成的輕型木桁架節(jié)點(diǎn)連接或木構(gòu)件的接長與接厚。根據(jù)加拿大木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，采用齒板連接而成的 輕型木桁架跨度可達(dá)30 米余米。
齒板連接的構(gòu)造要求為：
（1）齒板應(yīng)成對(duì)對(duì)稱設(shè)置于構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)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(yàn)事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。
其他鋼構(gòu)件連接在國外的實(shí)際工程中常常還有特殊的金屬連接件其結(jié)構(gòu)分工通常是：木結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)；鋼結(jié)構(gòu)作為輔助結(jié)構(gòu)穿插于木結(jié)構(gòu)之間，同時(shí)應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)之中；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)則往往作為建筑的基座和墻體，避免木結(jié)構(gòu)直接與地面接觸并增加建筑整體的穩(wěn)定性。
由于以上連接件都是使用U 型件或者T 型件和螺栓進(jìn)行連接，所以受力形式已不僅僅是單純的雙剪或者單剪，需要過試驗(yàn)結(jié)果具體分析節(jié)點(diǎn)的綜合受力性能。影響此類連接性能的因素主要有連接件鋼板的厚度、螺栓的直徑，木材的承壓強(qiáng)度，也必須通過試驗(yàn)來驗(yàn)證，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
3 連接設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素木結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)中，在確定連接承載力時(shí)，要考慮的因素包括：樹種（重要是考慮相對(duì)密度）、保證傳力途徑、木材的含水率；關(guān)鍵截面；連接件的類型及組合作用等。木結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的承載力的設(shè)計(jì)值與構(gòu)件的相對(duì)密度有關(guān)。在銷連接中，木構(gòu)件對(duì)于銷槽承壓強(qiáng)度與銷的尺寸以及木材的局部承壓強(qiáng)度有關(guān)。對(duì)于大直徑的連接件，荷載與木紋的夾角也影響銷槽的承壓強(qiáng)度。設(shè)計(jì)構(gòu)件連接時(shí)，應(yīng)保證連接件能有效地傳遞荷載。木材在橫紋和順紋方向強(qiáng)度不一樣。木材的橫紋受拉強(qiáng)度，比橫紋受壓低得多。設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮這些因素。設(shè)計(jì)傳遞豎向荷載的連接時(shí)，應(yīng)充分利用木材順紋抗強(qiáng)度高的特點(diǎn)。例如梁應(yīng)位于柱或墻頂，或安裝在梁托中。木材的含水率也危及到長期的連接性能，尤其是釘子會(huì)因含水量下降，木材干燥，而自動(dòng)脫落出來。所以構(gòu)件的連接設(shè)計(jì)除了保證強(qiáng)度和傳遞荷載外，還應(yīng)該從設(shè)計(jì)和構(gòu)造結(jié)點(diǎn)上允許構(gòu)件收縮和膨脹。所以應(yīng)避免在橫紋方向在同一塊連接板上布置一排較多的螺栓，因?yàn)槟緲?gòu)件在實(shí)際使用條件下，會(huì)繼續(xù)收縮。關(guān)鍵截面是指木構(gòu)件連接中，與構(gòu)件縱軸垂直的截面。該截面面積等于構(gòu)件截面面積減去連接件在該截面上的投影面積，如果有其他開孔，當(dāng)開孔投影面積在連接件投影面積以外時(shí)，還應(yīng)減去開孔的投影面積。不同連接件的投影面積的計(jì)算有所不同。在連接設(shè)計(jì)中尤其要注意，由于連接件的類型不同，所以傳力途徑不同，設(shè)計(jì)方法也要相應(yīng)有所側(cè)重。如荷載被一排連接件承受時(shí)，荷載并不是平均分配到每個(gè)連接件上，而是端部連接件比中間連接件承擔(dān)較重的荷載。荷載的分配根據(jù)主要構(gòu)件與次要構(gòu)件的對(duì)比剛度來定。
4 齒板連接的算例弦桿端點(diǎn)設(shè)計(jì)（見下圖）已知條件：
節(jié)點(diǎn)幾何位置：弦坡度：4：12；下弦坡度：0：12；節(jié)點(diǎn)受力情況：上弦桿：F1=11.845kN；下弦桿：F2=11.298 kN；齒板極限抗剪承載力（N/mm）解：
上弦桿齒板節(jié)點(diǎn)（1） 齒板承載力驗(yàn)算（2） 齒板抗滑移承載力驗(yàn)算（3） 齒板剪－拉承載力驗(yàn)算同理可以驗(yàn)算下弦齒板節(jié)點(diǎn)的承載力均符合設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)論由于木結(jié)構(gòu)房屋的許多優(yōu)良特性,越來越受到人們的關(guān)注和青睞。本文概括得介紹了木結(jié)構(gòu)建筑中的幾種連接形式，以及一些運(yùn)用特殊金屬構(gòu)件進(jìn)行連接的方法，并闡述了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中需要注意的一些因素。由于人們生活節(jié)奏的加快，木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也必將向著施工簡單化，效率化發(fā)展。用鋼構(gòu)件進(jìn)行連接就是一個(gè)很好的方法，但仍需要研究人員進(jìn)行大量的試驗(yàn)，為設(shè)計(jì)師提供有力的支持。