作者：陳恩靈，費(fèi)本華

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

摘要：總結(jié)了國(guó)內(nèi)外木結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究?jī)?nèi)容，著重從五個(gè)方面詳細(xì)地介紹了國(guó)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(shì)，并提出現(xiàn)階段我國(guó)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(shí)，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(diǎn)，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(jì)成敗的關(guān)鍵，也是木結(jié)構(gòu)建筑營(yíng)造技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)一般采用榫卯連接方式，而在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)踐中的使用情況和國(guó)外各類木結(jié)構(gòu)中金屬連接件設(shè)計(jì)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(guó)木結(jié)構(gòu)連接性能研究的現(xiàn)狀

我國(guó)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(guó)得到發(fā)展，因而我國(guó)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(guó)古代木結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用柱架體系，在梁和柱之間采用斗拱，各連接點(diǎn)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(duì)抗震非常有利。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，國(guó)際上開始了對(duì)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(duì)西安唐代大小雁塔的搶險(xiǎn)和維修過程中，俞茂宏等對(duì)榫卯連接點(diǎn)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(duì)西安市東門城樓古代木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，將榫卯連接和斗拱連接簡(jiǎn)化為半剛性連接，以變剛度單元的方式，引入分析計(jì)算中，并討論了榫卯連接點(diǎn)剛度對(duì)固有頻率的影響；方東平等使用3維半剛性連接點(diǎn)單元，來描述斗拱和榫卯連接點(diǎn)，第一次對(duì)古代木結(jié)構(gòu)建筑的斗拱和榫卯連接點(diǎn)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(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中金屬連接性能的研究，在我國(guó)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(jì)方法還相對(duì)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(cè)方法的制定，都處在萌芽階段。

2 國(guó)外木結(jié)構(gòu)連接性能研究的現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)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(yàn)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(jì)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(duì)連接點(diǎn)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(shí)，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(jì)方法被提出，并在實(shí)踐中不斷地加以改進(jìn)、運(yùn)用，目前國(guó)外木結(jié)構(gòu)連接方面的研究，可歸納為如下幾個(gè)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(diǎn)的金屬件腐蝕是一個(gè)相互作用的過程：一方面木材的腐朽會(huì)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(cè)試變得更加復(fù)雜。

木結(jié)構(gòu)中金屬連接件腐蝕的測(cè)試方法有很多：Samuel比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和有效性，試驗(yàn)證明，電化學(xué)法由于不受測(cè)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(yàn)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(cè)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(shí)，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(duì)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(cè)試，以保證其在設(shè)計(jì)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(huì)使連接金屬件的腐蝕現(xiàn)象更加明顯，Ted針對(duì)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(duì)其耐腐蝕性進(jìn)行評(píng)估。Washington State University運(yùn)用電化學(xué)阻抗光譜法（EIS）測(cè)試木構(gòu)件中金屬連接件的腐蝕情況，著重論述了這種測(cè)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(yàn)，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(yàn)中的力學(xué)強(qiáng)度變化也不同。對(duì)連接處耐火性能研究，關(guān)鍵在于確定火災(zāi)中連接點(diǎn)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(duì)測(cè)試木桁架耐火性能耗時(shí)、高成本的缺點(diǎn)，Robert通過大量的構(gòu)件試驗(yàn)，建立了一個(gè)用于預(yù)測(cè)金屬板連接桁架的耐火性能計(jì)算模型。研究結(jié)果表明，該模型計(jì)算結(jié)果與ASTME119試驗(yàn)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(jì)算方法，成為后來建立各類耐火性能計(jì)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(shí)，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(jì)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(yàn)結(jié)果分析，指出在以后相關(guān)試驗(yàn)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(diǎn)，在木結(jié)構(gòu)中使用較多，同時(shí)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(diǎn)周圍的木材受到剪應(yīng)力和橫紋拉應(yīng)力作用時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)強(qiáng)度，是一種簡(jiǎn)單實(shí)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(yàn)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(diǎn)的承載能力和剛度，同時(shí)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(diǎn)，雙剪連接試驗(yàn)結(jié)果表明，順紋承載時(shí)，玻璃纖維層不但能使承載力增加1/3，而且連接點(diǎn)的破壞模式也由脆性轉(zhuǎn)向韌性；橫紋承載時(shí)，雖然不能轉(zhuǎn)變連接點(diǎn)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(duì)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)中金屬齒接加固的單項(xiàng)加載和循環(huán)加載測(cè)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)，木材的釘接承壓強(qiáng)度是連接點(diǎn)側(cè)向承載設(shè)計(jì)值的基本參數(shù)之一。Douglas對(duì)南方松、SPF（云杉、冷杉、松）和楓樹的釘承壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)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(duì)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(shì)。

對(duì)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(yàn)（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(yàn)?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(shí)，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(duì)木框架與基礎(chǔ)的地腳螺栓連接，試驗(yàn)分別選用3種不同直徑的螺栓，并對(duì)應(yīng)不同孔徑的導(dǎo)向孔，分析導(dǎo)向孔對(duì)強(qiáng)度的影響作用，結(jié)果顯示，導(dǎo)向孔對(duì)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(duì)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(diǎn)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(duì)釘連接點(diǎn)進(jìn)行的測(cè)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(duì)性能產(chǎn)生影響。

2.5 連接點(diǎn)的設(shè)計(jì)

連接點(diǎn)設(shè)計(jì)包括剛度和柔度2種基本設(shè)計(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)研究主要是連接性能的精確計(jì)算，包括各類連接點(diǎn)的剛度、強(qiáng)度計(jì)算，極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法中，連接點(diǎn)屈服荷載的計(jì)算是確定其承載設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)。Mohd為簡(jiǎn)化計(jì)算，研究了釘連接點(diǎn)的屈服荷載與最大荷載的關(guān)系，推導(dǎo)出了一個(gè)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(jì)算公式，由于參數(shù)明確測(cè)試簡(jiǎn)單，在工程使用過程中該計(jì)算方式顯得簡(jiǎn)捷實(shí)用。

對(duì)木銷連接點(diǎn)的研究，主要分析了剛度與銷長(zhǎng)寬比之間的關(guān)系，及銷與銷孔間摩擦對(duì)剛度的影響因素，分別得出了長(zhǎng)銷和短銷連接時(shí)的連接點(diǎn)剛度計(jì)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(yàn)，對(duì)其中572個(gè)木螺釘、372個(gè)方頭螺釘、1914個(gè)普通圓鋼釘試驗(yàn)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(gè)計(jì)算公式。與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式相比，在計(jì)算低密度木材中的小徑釘握釘力極限強(qiáng)度時(shí)，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(shì)

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(gè)安裝，到現(xiàn)在連接板制造商和桁架制造商聯(lián)合設(shè)計(jì)、制造、機(jī)械自動(dòng)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(shì)：

1）從單一性走向整體性。早期研究主要針對(duì)單個(gè)連接點(diǎn)的承載特性上，例如釘、螺栓、齒板等一個(gè)或多個(gè)連接件組成的連接點(diǎn)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展和試驗(yàn)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(jì)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(jì)軟件，大大地加快了木結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)。不斷改進(jìn)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)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(shì)之一；

3）連接強(qiáng)度計(jì)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(diǎn)應(yīng)力分布、結(jié)合區(qū)域木材性能等研究計(jì)算越來越精確，使得性能的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)更加接近實(shí)際情況，同時(shí)也為連接點(diǎn)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(yàn)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(diǎn)設(shè)計(jì)也逐步走向更加科學(xué)、更加精確的力學(xué)理論設(shè)計(jì)。

4 建議

針對(duì)我國(guó)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(guó)外已有的設(shè)計(jì)規(guī)范和研究結(jié)果，時(shí)行相應(yīng)的連接性能測(cè)試，明確我國(guó)結(jié)構(gòu)用材的連接特性，建立相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和強(qiáng)度計(jì)算方法、計(jì)算模型，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研制國(guó)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(shí)，展開對(duì)當(dāng)前實(shí)際使用常見的成型連接件（如齒板、梁托、角碼）的性能測(cè)試，建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試體系。具體為：

1）開展釘、螺栓金屬連接件和其他銷類與國(guó)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(guó)制定木結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)規(guī)范提供基本的數(shù)據(jù)，又能為我國(guó)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(duì)我國(guó)大量使用人工林木材作結(jié)構(gòu)用材的特點(diǎn)，明確其連接性能，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研制具有自主產(chǎn)權(quán)的專用連接件，建立國(guó)產(chǎn)木結(jié)構(gòu)建筑的連接設(shè)計(jì)體系，為我國(guó)人工林木材在木結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用提供依據(jù)。

3）針對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的各種木結(jié)構(gòu)建筑連接件，建立與國(guó)際有關(guān)規(guī)范相接軌，又符合我國(guó)實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r的分類標(biāo)準(zhǔn)、性能評(píng)價(jià)和測(cè)試體系，在質(zhì)量上進(jìn)行把關(guān)。