摘要：針對北美輕型木結(jié)構(gòu)體系的特點，簡要闡述結(jié)構(gòu)中金屬連接件的種類及各自作用。對不同受力構(gòu)件及主次構(gòu)件中金屬連接件的不同應(yīng)用及各自優(yōu)勢、特點等作簡要分析。
關(guān)鍵詞：金屬連接件，輕型木結(jié)構(gòu)體系，木結(jié)構(gòu)
Brief Introduction of Metal Fasteners in North American Light
Wood Frame Structure
Abstract: Focusing on the feature of North American Light Wood frame structure, the variety of metal fasteners in the structure and separate functions are introduced. A Brief analysis is given about the advantages and features of different fasteners under various bearing conditions and in members of diverse importance grade.
Keywords: metal connection; light wood frame structure system; advantage and disadvantage; timber structure
1 引 言
當(dāng)前，我國的建筑結(jié)構(gòu)主材混凝土、鋼材、磚砌體等都屬于高耗能材料，形勢迫使我們尋找更加節(jié)能和環(huán)保的建材，既古老而又現(xiàn)代的木材進(jìn)入了選擇的視線。在西方發(fā)達(dá)國家，木結(jié)構(gòu)已是居住住宅的主要建筑形式。到2003年，木材已占北美建筑市場份額的88％以上。對木材的大量需求也同時刺激了林業(yè)的發(fā)展[1]?，F(xiàn)在，北美在滿足自身需要的同時，還大量向其它國家出口木材，這為我國發(fā)展現(xiàn)代輕型木結(jié)構(gòu)體系建筑創(chuàng)造了良好條件。
輕型木結(jié)構(gòu)體系[2]，是將小截面構(gòu)件按一定的間距等距離平行排列形成框架，然后在框架外根據(jù)受力需要，包上結(jié)構(gòu)面板，形成建筑物的墻體，樓蓋和屋蓋等基本構(gòu)件。整個結(jié)構(gòu)體系就是由這些墻體，樓蓋和屋蓋構(gòu)成的箱形建筑體系。作為一種高次超靜定的結(jié)構(gòu)體系，輕型木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通過主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件（框架）和次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件（墻面板，樓面板和屋面板）的共同作用得到。
木結(jié)構(gòu)的連接形式很多，有特定的木與木的連接，如斗拱、榫卯、齒和銷等[3]；而現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)尤其是輕型木結(jié)構(gòu)中更多的則是通過鋼板及螺栓、釘、銷等將木結(jié)構(gòu)連系起來。北美木結(jié)構(gòu)中常常用到的主要是金屬材質(zhì)連接件。
2 連接件
2.1框架體系
輕型木結(jié)構(gòu)分成兩種，即全高框架式與平臺框架式兩種。目前主要用到的是平臺框架式輕型木結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)施工簡便，安全系數(shù)高。
2.2連接件種類
i. 螺栓連接和釘連接
在木結(jié)構(gòu)中，最常用到的連接形式即為釘連接和螺栓連接。其作用原理是相同的。都是利用孔壁的擠壓作用造成的摩擦原理，鞏固住連接構(gòu)件[4]。而這兩種連接件主要承受剪力作用。由于此兩種連接件已得到廣泛應(yīng)用，在此不做過多介紹。
輕型木結(jié)構(gòu)中，面板與墻骨柱、面板與次梁等的連接中均用到了釘連接。而在主梁與柱等主要構(gòu)件的連接中，則用到了螺栓連接等。
ii. 齒板連接
齒板主要用于輕型木結(jié)構(gòu)建筑中規(guī)格材制成的輕型木桁架節(jié)點連接。輕型木桁架是北美輕型木結(jié)構(gòu)體系中屋架體系的主要結(jié)構(gòu)形式。其特點是支撐形式靈活，桁架間距較密，通常小于600mm。在桁架連接處應(yīng)用齒板，可以較快的進(jìn)行桁架中各弦的定位。即在工廠中拼裝好一品桁架后，將桁架平放，同時用專門的壓力機(jī)將齒板直接壓入桁架中各條弦之間的連接處。
其最大的優(yōu)點是提高了施工效率，保持了木材的完整性。同時齒板作為連接件，與木材之間表現(xiàn)較好的協(xié)同作用，塑性性能良好。而缺點表現(xiàn)為齒板材料很薄，如果處于腐蝕環(huán)境等極易腐蝕，從而導(dǎo)致連接件性能喪失。所以齒板多應(yīng)用于干燥通風(fēng)環(huán)境，同時齒板不得傳遞壓力。
iii. 剪盤與裂環(huán)連接
裂環(huán)連接用于木構(gòu)件之間的抗剪連接。相連的木構(gòu)件表面挖成深度為裂環(huán)高度一半的環(huán)形槽齒，然后將裂環(huán)嵌入兩邊的環(huán)槽中，用螺栓或方頭螺釘?shù)葘蓚€木構(gòu)件連接成整體。其原理為：擴(kuò)大了木材的承壓面，同時裂環(huán)連接點對木材受力面積削弱較小，充分利用了木材的承載能力[3]。受力時作用機(jī)理主要是靠裂環(huán)和螺栓抗剪、木材承壓或者受剪來傳力。
裂環(huán)件主要用于膠合木施工或重木結(jié)構(gòu)體系中。其抗剪承載力大大超過釘連接及螺栓連接。但裂環(huán)和螺栓的強(qiáng)度都較高，構(gòu)件端部木材抗剪撕裂的幾率較大。節(jié)點處脆性破壞的概率也較上兩種連接形式大。
剪盤連接與裂環(huán)連接機(jī)理相同。有兩種，一種為用鋼板冷壓而成，另一種為用鑄鐵鑄造而成[3]。剪盤具有與裂環(huán)相同的優(yōu)缺點。
ⅳ. 掛鉤件（格柵吊）
掛鉤件是北美輕型木結(jié)構(gòu)體系中，主梁與次梁，縫邊梁與主梁連接所普遍采用的金屬連接件。其正面用釘與主梁連接，側(cè)面用釘與次梁連接?？梢詫崿F(xiàn)對豎向荷載的傳遞。掛鉤件主要有頂部有釘和頂部無釘兩種形式[5]。
其作用機(jī)理為：掛鉤件正面一側(cè)與主梁連接，側(cè)面與次梁連接。連接形式多為釘連接。受力時，荷載通過次梁上的面板均勻傳給次梁，次梁通過掛鉤件鋼板，將力傳給與主梁相連的釘，釘再將荷載傳給主梁。這樣即完成了一次受理過程。掛鉤件中受力構(gòu)件主要是釘與掛鉤件釘孔的擠壓，釘與主梁之間的剪力與拔力。而掛鉤件與次梁之間的釘連接不作為主要受力連接考慮。
通過試驗可以得到掛鉤件作為輕型木結(jié)構(gòu)中新型的連接形式，具有很好的承載性能及變形性能。其施工安裝簡單，可靠度高。其破壞形式多為塑性破壞，主要是主梁中的釘子由于收到拉剪左右被拔出。其缺點主要是此種連接形式對結(jié)構(gòu)規(guī)格材尺寸要求較高，多用于北美規(guī)格材中。由于國內(nèi)木材尚未形成規(guī)格制，限制了連接件在國內(nèi)的普遍推廣。
3 結(jié)論
本文通過對北美輕型木結(jié)構(gòu)體系中，平臺框架式結(jié)構(gòu)體系內(nèi)各種常用連接件的介紹，突出闡述了釘與螺栓連接、齒板連接、裂環(huán)與剪盤連接及掛鉤件連接等對此種新型木結(jié)構(gòu)承載能力及可靠性能等的影響。其中：
（1）釘子與螺栓連接作為傳統(tǒng)的連接形式，施工簡單。但是單純的釘連接如果用于結(jié)構(gòu)中主要構(gòu)件的連接，可靠性能差。多用于板材與骨柱或次梁的連接。
（2）齒板連接是屋蓋桁架的主要連接形式，屋架中齒板的安裝位置靈活，施工方便而且可靠度高。即對尺寸精度的要求并不高。當(dāng)桁架密布時，此種連接形式對于桁架的生產(chǎn)效率起到了很大的提高作用。
（3）裂環(huán)與剪盤多用于膠合木中，對于較大型木結(jié)構(gòu)建筑有較好的剪切承載能力。而在輕型木結(jié)構(gòu)當(dāng)中，由于較多使用規(guī)格材，此兩種連接件用處較少。
（4）掛鉤件是北美輕型木結(jié)構(gòu)中最主要的受力連接載體。其具有很好的承載性能及塑性變形能力。但由于廣泛用于結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件連接處，所以對掛鉤件的承載力性能及可靠度分析是關(guān)鍵。
參考文獻(xiàn)：
[1] 周麗娜. 高木剪力墻抗側(cè)性能研究.
[2] 許方. 輕型木結(jié)構(gòu)介紹[J]. 美國林業(yè)及紙業(yè)協(xié)會.2003.
[3] 何敏娟 Frank LAM 楊軍 張盛東. 木結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 中國建筑工業(yè)出版社. 2008.
[4] Donald E. Breyer, Kenneth J. Fridley, Kelly E. Cobeen, David G. Pollock. Design of Wood Structures[M]. McGraw-Hill. 2007
[5] Canadian Wood Council. Wood Design Manual[M]. Friesens. Altona. MB. 2001.