作者：陳恩靈，費本華

（1.中國林科院木材工業(yè)研究所；2.國家林業(yè)局北京林業(yè)機(jī)械研究所）

摘要：總結(jié)了國內(nèi)外木結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究內(nèi)容，著重從五個方面詳細(xì)地介紹了國外連接性能研究現(xiàn)狀，探討了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑金屬連接件中連接性能研究的發(fā)展趨勢，并提出現(xiàn)階段我國在木結(jié)構(gòu)金屬連接件方面的研究方向。

關(guān)鍵詞：木結(jié)構(gòu)；金屬連接件；連接性能

在木結(jié)構(gòu)建筑中，連接件的性能直接影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、使用壽命和可靠性，同時，木材具有抗拉強(qiáng)度低、易劈裂、強(qiáng)度隨含水率變化等缺點，因此，木結(jié)構(gòu)中連接技術(shù)的應(yīng)用是否合理，是設(shè)計成敗的關(guān)鍵，也是木結(jié)構(gòu)建筑營造技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的連接點一般采用榫卯連接方式，而在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)設(shè)計中，取而代之的是標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化的金屬連接件。

木結(jié)構(gòu)中的金屬連接件各類繁多，隨著近幾年的發(fā)展，更是層出不窮。根據(jù)實踐中的使用情況和國外各類木結(jié)構(gòu)中金屬連接件設(shè)計規(guī)范，大體可分為：釘類、螺栓和銷類連接件、木結(jié)構(gòu)鉚釘、剪盤和裂環(huán)連接件、齒板連接件、角碼連接件以及梁托7大類。

1 我國木結(jié)構(gòu)連接性能研究的現(xiàn)狀

我國古建筑歷史悠久，尤其是傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑，為中華傳統(tǒng)建筑的主流。但到了近代，由于種種原因，木結(jié)構(gòu)建筑并未在我國得到發(fā)展，因而我國木結(jié)構(gòu)連接性能研究，主要集中在古代木結(jié)構(gòu)建筑上。

我國古代木結(jié)構(gòu)的特點是采用柱架體系，在梁和柱之間采用斗拱，各連接點采用榫卯結(jié)合。榫卯連接是介于鋼性連接和鉸接兩者之間的變剛性連接；而斗拱結(jié)構(gòu)有較大的柔性，對抗震非常有利。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，國際上開始了對古建結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的研究，其科學(xué)性開始受到重視。90年代初期，在對西安唐代大小雁塔的搶險和維修過程中，俞茂宏等對榫卯連接點的接觸摩擦力學(xué)特性、斗拱的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究；趙均海等在對西安市東門城樓古代木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行動力分析時，將榫卯連接和斗拱連接簡化為半剛性連接，以變剛度單元的方式，引入分析計算中，并討論了榫卯連接點剛度對固有頻率的影響；方東平等使用3維半剛性連接點單元，來描述斗拱和榫卯連接點，第一次對古代木結(jié)構(gòu)建筑的斗拱和榫卯連接點的力學(xué)性能作了定量研究。但是，這些研究都站在古建筑維護(hù)的角度上，沒有涉及對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中金屬連接性能的研究，在我國木構(gòu)件的金屬連接性能研究尚處于起步階段；當(dāng)前經(jīng)常使用的各種木結(jié)構(gòu)金屬連接件的設(shè)計方法還相對有所差距，在內(nèi)容上也不夠完善；不管是金屬連接件的產(chǎn)品開發(fā)，還是檢測方法的制定，都處在萌芽階段。

2 國外木結(jié)構(gòu)連接性能研究的現(xiàn)狀

國外對木結(jié)構(gòu)建筑中金屬連接性能的研究始于20世紀(jì)初，在經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，前期主要研究了連接性能的基本影響因素，而有關(guān)力學(xué)方法分析、計算模型的建立較少；進(jìn)入80年代后期，由于屈服模型理論的應(yīng)用，連接件斷裂力學(xué)方法的興起，有限元法對連接點受力情況的分析運(yùn)用，連接件研究有了更加明確的相關(guān)理論指導(dǎo)。同時，由于前期大量相關(guān)研究及數(shù)據(jù)的積累，各種模型及設(shè)計方法被提出，并在實踐中不斷地加以改進(jìn)、運(yùn)用，目前國外木結(jié)構(gòu)連接方面的研究，可歸納為如下幾個方面：

2.1 耐腐蝕性能研究

在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑中，金屬連接件直接與木材相接觸，木結(jié)構(gòu)連接點的金屬件腐蝕是一個相互作用的過程：一方面木材的腐朽會加快金屬件的腐蝕速度，另一方面金屬件的腐蝕又使木材腐朽變得更嚴(yán)重，這種相互的影響，也使得金屬件腐蝕性能的測試變得更加復(fù)雜。

木結(jié)構(gòu)中金屬連接件腐蝕的測試方法有很多：Samuel比較了各種方法的優(yōu)缺點和有效性，試驗證明，電化學(xué)法由于不受測試環(huán)境影響，能在各種溫度、含水率下使用，具有明顯的優(yōu)越性。

經(jīng)防腐、阻燃處理的木構(gòu)件，由于處理劑特殊的化學(xué)成分，使連接處腐蝕現(xiàn)象加重，Andrew研究了ACA和CCA處理的防腐木材中，不同鋼質(zhì)釘?shù)母g現(xiàn)象，試驗采用了11種不同鋼質(zhì)或涂層的釘，分別置于加速腐蝕的高濕環(huán)境中。經(jīng)過14年的觀測分析，結(jié)果顯示，釘?shù)母g主要是由防腐劑中可電離銅離子引起的，在防腐木材中使用釘類連接件時，應(yīng)充分考慮其鋼質(zhì)，以避免含銅化合物所引起的腐蝕作用。對于應(yīng)用在經(jīng)防腐、阻燃處理木構(gòu)件的金屬連接件，必須經(jīng)過測試，以保證其在設(shè)計和應(yīng)用中不出問題。

潮濕或與海水接觸等惡劣的使用環(huán)境，也會使連接金屬件的腐蝕現(xiàn)象更加明顯，Ted針對不同的環(huán)境，研究了經(jīng)過鍍鋅、鍍鎘等不同涂層處理的金屬連接件抗腐蝕性能。結(jié)果表明，即使是經(jīng)過處理的金屬連接件，同樣存在一定的腐蝕現(xiàn)象，也應(yīng)對其耐腐蝕性進(jìn)行評估。Washington State University運(yùn)用電化學(xué)阻抗光譜法（EIS）測試木構(gòu)件中金屬連接件的腐蝕情況，著重論述了這種測試方法在運(yùn)用中遇到的問題以及最新研究進(jìn)展，并經(jīng)過EIS試驗，建立了木材導(dǎo)電率的相關(guān)模型。

2.2 耐火性能研究

金屬連接件的耐火性較差，在溫度>232^。C后，強(qiáng)度迅速下降。由于木材和鋼材的熱物理性能不同，在阻燃試驗中的力學(xué)強(qiáng)度變化也不同。對連接處耐火性能研究，關(guān)鍵在于確定火災(zāi)中連接點各組成部分的溫度傳遞、分布和力學(xué)性能變化狀況，以提高整體的耐火極限。

針對測試木桁架耐火性能耗時、高成本的缺點，Robert通過大量的構(gòu)件試驗，建立了一個用于預(yù)測金屬板連接桁架的耐火性能計算模型。研究結(jié)果表明，該模型計算結(jié)果與ASTME119試驗結(jié)果具有一致性，而其在研究中使用的木構(gòu)件溫度分布計算方法，成為后來建立各類耐火性能計算模型的重要基礎(chǔ)。

在研究火災(zāi)中木結(jié)構(gòu)銷連接結(jié)構(gòu)的熱量與力學(xué)性能的關(guān)系時，運(yùn)用三維有限元法，模擬火災(zāi)中銷類連接件的力學(xué)性能變化，可推導(dǎo)出熱量與銷的力學(xué)性能相關(guān)模型，該模型是運(yùn)用數(shù)字模擬方法，精確地計算出連接件周圍的應(yīng)力分布、木構(gòu)件尺寸減少引起的內(nèi)應(yīng)力、以及組成構(gòu)件性質(zhì)變化等非線性因素的影響。根據(jù)試驗結(jié)果分析，指出在以后相關(guān)試驗中，應(yīng)將溫度曲線引入力學(xué)模型，以考慮由于溫度作用而引起構(gòu)件力學(xué)性能的降低情況。鋼木多剪力結(jié)構(gòu)連接，有著承載能力高、斷裂破壞呈延性模式的特點，在木結(jié)構(gòu)中使用較多，同時外層木構(gòu)件的阻隔連接具有良好的阻燃性。但由于構(gòu)件的幾何形狀種類繁多，鋼材、木材和木材炭化后的熱物理性能不同，使得阻燃性能分析變得非常復(fù)雜。

2.3 性能增強(qiáng)研究

與鋼材和混凝土等結(jié)構(gòu)材料相比，木材的橫紋杭拉強(qiáng)度較低，當(dāng)連接點周圍的木材受到剪應(yīng)力和橫紋拉應(yīng)力作用時，易產(chǎn)生開裂等破壞現(xiàn)象，改變金屬連接件周圍木構(gòu)件的應(yīng)力分布。增強(qiáng)連接點周圍木材的力學(xué)性能，是提高連接強(qiáng)度的基本指導(dǎo)思想，用自攻螺釘增強(qiáng)連接點強(qiáng)度，是一種簡單實用的方法。Bejtka研究了有自攻螺釘增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)銷類連接，試驗發(fā)現(xiàn)垂直于銷軸方向，在銷前部釘入0.35至0.4倍銷徑的螺釘，可大大增強(qiáng)連接點的承載能力和剛度，同時又解決了由于銷排列間距減少而引起的脆性劈裂問題。

Lawrence運(yùn)用類似于膠合板木紋互相垂直的排列方式，用玻璃纖維層增強(qiáng)木材螺栓連接點，雙剪連接試驗結(jié)果表明，順紋承載時，玻璃纖維層不但能使承載力增加1/3，而且連接點的破壞模式也由脆性轉(zhuǎn)向韌性；橫紋承載時，雖然不能轉(zhuǎn)變連接點脆性破壞模式，但也能大大地增加承載力和延性比。采用竹膠合板局部增強(qiáng)和竹膠管（bamboo GIR）內(nèi)部增強(qiáng)2種方法，發(fā)現(xiàn)竹膠管增強(qiáng)則可以提高其鋼度，增加其抵抗變形的能力，但這2種增強(qiáng)方式也引起木材壓潰的問題。對傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)中金屬齒接加固的單項加載和循環(huán)加載測試結(jié)果表明，用于加固折金屬件并不參與承力作用，但卻能明顯的提高連接點的耗能性能，從而使結(jié)構(gòu)整體的抗震性增強(qiáng)。

2.4 強(qiáng)度影響因素研究

木結(jié)構(gòu)中連接點的強(qiáng)度主要與連接件類型、連接方式和被連接木構(gòu)件力學(xué)性能有關(guān)。木構(gòu)件用釘連接時，木材的釘接承壓強(qiáng)度是連接點側(cè)向承載設(shè)計值的基本參數(shù)之一。Douglas對南方松、SPF（云杉、冷杉、松）和楓樹的釘承壓強(qiáng)度進(jìn)行了測試，分析了木材含水率、密度、紋理與釘直徑的影響作用。結(jié)果顯示，除含水率，另外三者對釘承壓強(qiáng)度影響明顯，釘?shù)某袎簭?qiáng)度和鋼度與木材密度成正比；受紋理方向影響顯著，與密度的斜率關(guān)系可以表示成相應(yīng)木材含水率函數(shù)值，釘直徑的影響作用雖然沒有6得出明確的結(jié)論，但隨著直徑的增加，釘承壓強(qiáng)度有減少的趨勢。

對膠合板和OSB這兩種結(jié)構(gòu)用板材，進(jìn)行握釘力和釘穿透試驗（Pull-through），從釘類型、板材厚度、使用環(huán)境，分析了這2種材料的釘連接性能。釘穿透試驗?zāi)M了用釘連接的屋面板、外墻面板在受到垂直于板面的風(fēng)力時，板材穿過釘帽被垂直拉出的破壞情況，為板材在木結(jié)構(gòu)外部使用提供了依據(jù)。

對木框架與基礎(chǔ)的地腳螺栓連接，試驗分別選用3種不同直徑的螺栓，并對應(yīng)不同孔徑的導(dǎo)向孔，分析導(dǎo)向孔對強(qiáng)度的影響作用，結(jié)果顯示，導(dǎo)向孔對于直徑小于6mm的螺栓影響較小，但隨著直徑的增加，導(dǎo)向孔對強(qiáng)度的影響增強(qiáng)?？讖脚c螺栓直徑不符的導(dǎo)向孔，將明顯削弱連接點的強(qiáng)度，其主要原因是橫紋拉應(yīng)力的集中，導(dǎo)致木材的開裂。

膠合板-木材和OSB-木材連接的剪力墻中，對釘連接點進(jìn)行的測試結(jié)果表明，兩者的側(cè)向剪切強(qiáng)度變化不明顯，但剛度卻降低了將近一半，說明剪力墻最終狀態(tài)和循環(huán)過程中的水分變化都可對性能產(chǎn)生影響。

2.5 連接點的設(shè)計

連接點設(shè)計包括剛度和柔度2種基本設(shè)計方法，涉及到結(jié)構(gòu)的承載力與整體變形問題。木結(jié)構(gòu)連接點設(shè)計研究主要是連接性能的精確計算，包括各類連接點的剛度、強(qiáng)度計算，極限狀態(tài)設(shè)計方法中，連接點屈服荷載的計算是確定其承載設(shè)計值的基礎(chǔ)。Mohd為簡化計算，研究了釘連接點的屈服荷載與最大荷載的關(guān)系，推導(dǎo)出了一個以木構(gòu)件的木材密度和釘直徑為因變參數(shù)的屈服極限計算公式，由于參數(shù)明確測試簡單，在工程使用過程中該計算方式顯得簡捷實用。

對木銷連接點的研究，主要分析了剛度與銷長寬比之間的關(guān)系，及銷與銷孔間摩擦對剛度的影響因素，分別得出了長銷和短銷連接時的連接點剛度計算公式。Mclain回顧了自1933年以來近60年中各種握釘力研究的試驗，對其中572個木螺釘、372個方頭螺釘、1914個普通圓鋼釘試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立了基于材料密度和釘直徑的木螺釘、方頭螺釘和圓鋼釘?shù)?個計算公式。與傳統(tǒng)經(jīng)驗公式相比，在計算低密度木材中的小徑釘握釘力極限強(qiáng)度時，該公式具有更好的相關(guān)性。

3 木結(jié)構(gòu)連接性能研究的發(fā)展趨勢

伴隨著木結(jié)構(gòu)的發(fā)展逐步走向工業(yè)化、多樣化和集成化，木結(jié)構(gòu)金屬連接件從制造到安裝，傳統(tǒng)技術(shù)的使用越來越少；從單一的釘、螺栓，到現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的、非標(biāo)準(zhǔn)的各種專用連接件；從原來的靠工人逐個安裝，到現(xiàn)在連接板制造商和桁架制造商聯(lián)合設(shè)計、制造、機(jī)械自動安裝，連接件的發(fā)展既提高了其工藝的準(zhǔn)確性，又使構(gòu)件材料得到了最優(yōu)化利用。

目前木結(jié)構(gòu)連接性能的研究呈現(xiàn)如下趨勢：

1）從單一性走向整體性。早期研究主要針對單個連接點的承載特性上，例如釘、螺栓、齒板等一個或多個連接件組成的連接點，經(jīng)過幾十年的發(fā)展和試驗數(shù)據(jù)積累，各方面參數(shù)基本得到完善，研究也向整體結(jié)構(gòu)方向發(fā)展；

2）模型研究的普遍開展。隨著計算機(jī)的使用，以及各種數(shù)學(xué)模型的建立，開發(fā)出的專門設(shè)計軟件，大大地加快了木結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計。不斷改進(jìn)傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法，建立精確的新理論模型，是當(dāng)前連接性能研究的主要趨勢之一；

3）連接強(qiáng)度計算的精確化。隨著有限元等現(xiàn)代理論和現(xiàn)代工具的應(yīng)用，連接點應(yīng)力分布、結(jié)合區(qū)域木材性能等研究計算越來越精確，使得性能的設(shè)計和評價更加接近實際情況，同時也為連接點性能增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)修復(fù)等工作提供了必需數(shù)據(jù)；

4）由經(jīng)驗方法轉(zhuǎn)向力學(xué)理論方法。隨著研究的深入，斷裂力學(xué)、土體力學(xué)理論的引入，都木構(gòu)件連接力學(xué)理論的建立，提供了數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)，木結(jié)構(gòu)連接點設(shè)計也逐步走向更加科學(xué)、更加精確的力學(xué)理論設(shè)計。

4 建議

針對我國木結(jié)構(gòu)連接件研究落后的現(xiàn)況，筆者認(rèn)為，應(yīng)充分利用國外已有的設(shè)計規(guī)范和研究結(jié)果，時行相應(yīng)的連接性能測試，明確我國結(jié)構(gòu)用材的連接特性，建立相關(guān)設(shè)計規(guī)范和強(qiáng)度計算方法、計算模型，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計研制國產(chǎn)木結(jié)構(gòu)建筑專用的連接件，在注重木材與基本連接件連接性能的研究同時，展開對當(dāng)前實際使用常見的成型連接件（如齒板、梁托、角碼）的性能測試，建立相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)和測試體系。具體為：

1）開展釘、螺栓金屬連接件和其他銷類與國產(chǎn)木材連接性能的研究，掌握這些基礎(chǔ)連接件的連接特性，既能為我國制定木結(jié)構(gòu)連接設(shè)計規(guī)范提供基本的數(shù)據(jù)，又能為我國進(jìn)一步開展木結(jié)構(gòu)連接性能研究奠定基礎(chǔ)。

2）針對我國大量使用人工林木材作結(jié)構(gòu)用材的特點，明確其連接性能，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計研制具有自主產(chǎn)權(quán)的專用連接件，建立國產(chǎn)木結(jié)構(gòu)建筑的連接設(shè)計體系，為我國人工林木材在木結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用提供依據(jù)。

3）針對國內(nèi)外現(xiàn)有的各種木結(jié)構(gòu)建筑連接件，建立與國際有關(guān)規(guī)范相接軌，又符合我國實際發(fā)展?fàn)顩r的分類標(biāo)準(zhǔn)、性能評價和測試體系，在質(zhì)量上進(jìn)行把關(guān)。