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)機械研究所）

摘要：總結了國內外木結構的相關研究內容，著重從五個方面詳細地介紹了國外連接性能研究現(xiàn)狀，探討了現(xiàn)代木結構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)階段我國在木結構金屬連接件方面的研究方向。

關鍵詞：木結構；金屬連接件；連接性能

在木結構建筑中，連接件的性能直接影響結構強度、使用壽命和可靠性，同時，木材具有抗拉強度低、易劈裂、強度隨含水率變化等缺點，因此，木結構中連接技術的應用是否合理，是設計成敗的關鍵，也是木結構建筑營造技術的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)木結構的連接點一般采用榫卯連接方式，而在現(xiàn)代木結構設計中，取而代之的是標準化、規(guī)格化的金屬連接件。

木結構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。根據實踐中的使用情況和國外各類木結構中金屬連接件設計規(guī)范，大體可分為：釘類、螺栓和銷類連接件、木結構鉚釘、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 我國木結構連接性能研究的現(xiàn)狀

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

我國古代木結構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；而斗拱結構有較大的柔性，對抗震非常有利。

進入20世紀90年代，國際上開始了對古建結構的力學性能的研究，其科學性開始受到重視。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特性、斗拱的力學性能進行了系統(tǒng)研究；趙均海等在對西安市東門城樓古代木結構建筑進行動力分析時，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，第一次對古代木結構建筑的斗拱和榫卯連接點的力學性能作了定量研究。但是，這些研究都站在古建筑維護的角度上，沒有涉及對現(xiàn)代木結構中金屬連接性能的研究，在我國木構件的金屬連接性能研究尚處于起步階段；當前經常使用的各種木結構金屬連接件的設計方法還相對有所差距，在內容上也不夠完善；不管是金屬連接件的產品開發(fā)，還是檢測方法的制定，都處在萌芽階段。

2 國外木結構連接性能研究的現(xiàn)狀

國外對木結構建筑中金屬連接性能的研究始于20世紀初，在經驗積累的基礎上，前期主要研究了連接性能的基本影響因素，而有關力學方法分析、計算模型的建立較少；進入80年代后期，由于屈服模型理論的應用，連接件斷裂力學方法的興起，有限元法對連接點受力情況的分析運用，連接件研究有了更加明確的相關理論指導。同時，由于前期大量相關研究及數據的積累，各種模型及設計方法被提出，并在實踐中不斷地加以改進、運用，目前國外木結構連接方面的研究，可歸納為如下幾個方面：

2.1 耐腐蝕性能研究

在現(xiàn)代木結構建筑中，金屬連接件直接與木材相接觸，木結構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雜。

木結構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。

經防腐、阻燃處理的木構件，由于處理劑特殊的化學成分，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，不同鋼質釘的腐蝕現(xiàn)象，試驗采用了11種不同鋼質或涂層的釘，分別置于加速腐蝕的高濕環(huán)境中。經過14年的觀測分析，結果顯示，釘的腐蝕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，應充分考慮其鋼質，以避免含銅化合物所引起的腐蝕作用。對于應用在經防腐、阻燃處理木構件的金屬連接件，必須經過測試，以保證其在設計和應用中不出問題。

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，研究了經過鍍鋅、鍍鎘等不同涂層處理的金屬連接件抗腐蝕性能。結果表明，即使是經過處理的金屬連接件，同樣存在一定的腐蝕現(xiàn)象，也應對其耐腐蝕性進行評估。Washington State University運用電化學阻抗光譜法（EIS）測試木構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用中遇到的問題以及最新研究進展，并經過EIS試驗，建立了木材導電率的相關模型。

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強度變化也不同。對連接處耐火性能研究，關鍵在于確定火災中連接點各組成部分的溫度傳遞、分布和力學性能變化狀況，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通過大量的構件試驗，建立了一個用于預測金屬板連接桁架的耐火性能計算模型。研究結果表明，該模型計算結果與ASTME119試驗結果具有一致性，而其在研究中使用的木構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。

在研究火災中木結構銷連接結構的熱量與力學性能的關系時，運用三維有限元法，模擬火災中銷類連接件的力學性能變化，可推導出熱量與銷的力學性能相關模型，該模型是運用數字模擬方法，精確地計算出連接件周圍的應力分布、木構件尺寸減少引起的內應力、以及組成構件性質變化等非線性因素的影響。根據試驗結果分析，指出在以后相關試驗中，應將溫度曲線引入力學模型，以考慮由于溫度作用而引起構件力學性能的降低情況。鋼木多剪力結構連接，有著承載能力高、斷裂破壞呈延性模式的特點，在木結構中使用較多，同時外層木構件的阻隔連接具有良好的阻燃性。但由于構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雜。

2.3 性能增強研究

與鋼材和混凝土等結構材料相比，木材的橫紋杭拉強度較低，當連接點周圍的木材受到剪應力和橫紋拉應力作用時，易產生開裂等破壞現(xiàn)象，改變金屬連接件周圍木構件的應力分布。增強連接點周圍木材的力學性能，是提高連接強度的基本指導思想，用自攻螺釘增強連接點強度，是一種簡單實用的方法。Bejtka研究了有自攻螺釘增強木結構銷類連接，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，用玻璃纖維層增強木材螺栓連接點，雙剪連接試驗結果表明，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向韌性；橫紋承載時，雖然不能轉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和竹膠管（bamboo GIR）內部增強2種方法，發(fā)現(xiàn)竹膠管增強則可以提高其鋼度，增加其抵抗變形的能力，但這2種增強方式也引起木材壓潰的問題。對傳統(tǒng)木結構中金屬齒接加固的單項加載和循環(huán)加載測試結果表明，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，從而使結構整體的抗震性增強。

2.4 強度影響因素研究

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

對膠合板和OSB這兩種結構用板材，進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。釘穿透試驗模擬了用釘連接的屋面板、外墻面板在受到垂直于板面的風力時，板材穿過釘帽被垂直拉出的破壞情況，為板材在木結構外部使用提供了依據。

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

膠合板-木材和OSB-木材連接的剪力墻中，對釘連接點進行的測試結果表明，兩者的側向剪切強度變化不明顯，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生影響。

2.5 連接點的設計

連接點設計包括剛度和柔度2種基本設計方法，涉及到結構的承載力與整體變形問題。木結構連接點設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、強度計算，極限狀態(tài)設計方法中，連接點屈服荷載的計算是確定其承載設計值的基礎。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系，推導出了一個以木構件的木材密度和釘直徑為因變參數的屈服極限計算公式，由于參數明確測試簡單，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據進行回歸分析，建立了基于材料密度和釘直徑的木螺釘、方頭螺釘和圓鋼釘的3個計算公式。與傳統(tǒng)經驗公式相比，在計算低密度木材中的小徑釘握釘力極限強度時，該公式具有更好的相關性。

3 木結構連接性能研究的發(fā)展趨勢

伴隨著木結構的發(fā)展逐步走向工業(yè)化、多樣化和集成化，木結構金屬連接件從制造到安裝，傳統(tǒng)技術的使用越來越少；從單一的釘、螺栓，到現(xiàn)在標準的、非標準的各種專用連接件；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)合設計、制造、機械自動安裝，連接件的發(fā)展既提高了其工藝的準確性，又使構件材料得到了最優(yōu)化利用。

目前木結構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，經過幾十年的發(fā)展和試驗數據積累，各方面參數基本得到完善，研究也向整體結構方向發(fā)展；

2）模型研究的普遍開展。隨著計算機的使用，以及各種數學模型的建立，開發(fā)出的專門設計軟件，大大地加快了木結構的連接設計。不斷改進傳統(tǒng)的經驗方法，建立精確的新理論模型，是當前連接性能研究的主要趨勢之一；

3）連接強度計算的精確化。隨著有限元等現(xiàn)代理論和現(xiàn)代工具的應用，連接點應力分布、結合區(qū)域木材性能等研究計算越來越精確，使得性能的設計和評價更加接近實際情況，同時也為連接點性能增強、結構修復等工作提供了必需數據；

4）由經驗方法轉向力學理論方法。隨著研究的深入，斷裂力學、土體力學理論的引入，都木構件連接力學理論的建立，提供了數據支持和理論依據，木結構連接點設計也逐步走向更加科學、更加精確的力學理論設計。

4 建議

針對我國木結構連接件研究落后的現(xiàn)況，筆者認為，應充分利用國外已有的設計規(guī)范和研究結果，時行相應的連接性能測試，明確我國結構用材的連接特性，建立相關設計規(guī)范和強度計算方法、計算模型，并在此基礎上，設計研制國產木結構建筑專用的連接件，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，建立相應的評價標準和測試體系。具體為：

1）開展釘、螺栓金屬連接件和其他銷類與國產木材連接性能的研究，掌握這些基礎連接件的連接特性，既能為我國制定木結構連接設計規(guī)范提供基本的數據，又能為我國進一步開展木結構連接性能研究奠定基礎。

2）針對我國大量使用人工林木材作結構用材的特點，明確其連接性能，并在此基礎上，設計研制具有自主產權的專用連接件，建立國產木結構建筑的連接設計體系，為我國人工林木材在木結構方面應用提供依據。

3）針對國內外現(xiàn)有的各種木結構建筑連接件，建立與國際有關規(guī)范相接軌，又符合我國實際發(fā)展狀況的分類標準、性能評價和測試體系，在質量上進行把關。