李素瑕，劉文金，孫德林

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

速生松木家具幾種節(jié)點(diǎn)接合方式的強(qiáng)度比較研究

李素瑕，劉文金，孫德林

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

以南方速生脫脂馬尾松松木為基材，以“L”型和“T”型構(gòu)件為基本構(gòu)件形式，采用力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)理想使用狀態(tài)——即在外力垂直荷載勻速加載的作用下使構(gòu)件節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞或變形，測(cè)試構(gòu)件節(jié)點(diǎn)破壞強(qiáng)度值及其破壞或變形形式。實(shí)驗(yàn)針對(duì)8種不同框架節(jié)點(diǎn)接合方式（貫通直角單榫接合、不貫通直角暗榫接合、雙圓榫接合、倒刺螺母連接件接合、雙圓榫與倒刺螺母共同接合、三件式偏心連接件接合，以及45 °雙圓榫斜角接合和45 °不貫通榫斜角接合）的接合強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)對(duì)于直角連接構(gòu)件，采用貫通直角單榫接合時(shí)的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度最大；雙圓榫與倒刺螺母共同連接的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度次之；然后強(qiáng)度值從高到低依次為雙圓榫接合、倒刺螺母螺桿連接件接合、不貫通直角單榫接合，接合強(qiáng)度最小的是偏心連接件接合；(2)對(duì)于45 °斜角連接構(gòu)件，采用45 °不貫通榫斜角接合的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度大于45 °雙圓榫斜角接合的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度；(3)在相同條件下，“T”型實(shí)木構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度總體上大于“L”型實(shí)木構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度。研究表明：節(jié)點(diǎn)處的基本構(gòu)件形式（“L”型或“T”型）、角部構(gòu)件的連接形式（直角構(gòu)件或斜角構(gòu)件），以及節(jié)點(diǎn)的接合方式等都不同程度地影響著馬尾松松木家具框架節(jié)點(diǎn)的接合強(qiáng)度。

速生馬尾松木材；家具；節(jié)點(diǎn)；強(qiáng)度

家具產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)。過(guò)去以及我國(guó)目前的家具設(shè)計(jì)基本上偏重于家具的造型設(shè)計(jì)，而對(duì)家具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)重視不夠，結(jié)果往往造成兩方面的失誤：一方面是家具設(shè)計(jì)過(guò)程中的安全性即家具制品的強(qiáng)度和剛度滿足不了設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，甚至破壞，達(dá)不到設(shè)計(jì)年限，縮短了產(chǎn)品使用壽命；另一方面，安全系數(shù)過(guò)大，沒(méi)有最大限度的節(jié)省原材料，造成資源浪費(fèi)，制品粗大笨重，反過(guò)來(lái)又降低了產(chǎn)品的藝術(shù)魅力[1]。

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們生活和文化水平的提高，消費(fèi)者變得更加理性。他們有權(quán)利要求產(chǎn)品有足夠的強(qiáng)度，以保證產(chǎn)品在使用過(guò)程中的安全性；另一方面，隨著環(huán)境惡化，森林資源相對(duì)減少，而現(xiàn)代家具工業(yè)不斷發(fā)展壯大，這一矛盾造成的直接后果就是可加工利用的木材資源日趨緊張，生產(chǎn)成本相對(duì)提高。因此，通過(guò)合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)可以達(dá)到節(jié)省材料、避免浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本的目的，這也使得社會(huì)各界對(duì)家具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的需求更加迫切。

影響家具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的因素有很多，如家具材料本身的力學(xué)性能、零部件的斷面尺寸大小、連接件本身的強(qiáng)度、零部件之間的連接方式以及各連接節(jié)點(diǎn)的接合強(qiáng)度等。所謂“節(jié)點(diǎn)”， 是指在家具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，利用各種榫、膠或金屬連接件等把兩個(gè)或更多個(gè)零部件進(jìn)行連接的部位，即家具零部件間的接合處，它是家具結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，大多數(shù)家具的破壞，都是由于節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度不夠而引起的[1-2]。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的一環(huán)，家具在外力作用下，即使零部件強(qiáng)度都足夠，如果節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度不夠，整個(gè)木制品也會(huì)遭到破壞。實(shí)際上由于節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度低而引起家具破壞，比其它原因要多的多，所以科學(xué)地設(shè)計(jì)家具框架結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)就顯得特別重要[3-5]。

節(jié)點(diǎn)處的接合方式及接合強(qiáng)度決定了家具產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度[3]。家具結(jié)構(gòu)有框式和板式之分。框式家具以各種榫接合為主要接合方式，木方通過(guò)榫接合構(gòu)成承重框架，圍合的板件附設(shè)于框架之上，一般不可反復(fù)拆裝，其框架形式主要有直角接合框架和斜角接合框架兩種[4-6]，如圖1所示。板式家具是一類以人造板構(gòu)成板式部件，用專用的金屬連接件，如鉸鏈、偏心連接件、螺栓、螺釘或圓棒榫將板式部件接合裝配的家具，一般可以反復(fù)拆裝[4-5]。

對(duì)實(shí)木框架節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度性能的研究可以簡(jiǎn)化成對(duì)“T”型直角構(gòu)件和“L”型直角構(gòu)件，以及“L”型斜角構(gòu)件三種基本形式的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行研究[7-10]（見(jiàn)圖2）。

圖1 實(shí)木家具基本框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic framework of pinewood furniture

圖2 基本構(gòu)件形式Fig.2 Basic component forms

我國(guó)南方人工速生松木資源豐富，其中馬尾松Pinus massonianaLamb. 是我國(guó)松類中分布最廣、數(shù)量最多的樹種[11]，也是我國(guó)南方的主要用材樹種之一[12-14]。由于馬尾松資源豐富、取材方便，馬尾松家具產(chǎn)品紋理優(yōu)美、色澤亮麗、材質(zhì)較軟、綠色環(huán)保，深受消費(fèi)者的喜愛(ài)[15-16]，現(xiàn)階段廣泛用于生產(chǎn)與制造家具，尤其以兒童和青少年家具居多。研究人工林速生松木家具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能可直接指導(dǎo)人工林速生松木家具的安全強(qiáng)度設(shè)計(jì)和零部件的尺寸設(shè)計(jì)。當(dāng)前松木家具產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)多以可拆裝結(jié)構(gòu)為主，便于產(chǎn)品的包裝、運(yùn)輸及組裝。通常，產(chǎn)品部件間的連接多使用金屬連接件，如倒刺螺母連接件、偏心連接件，以及各種鉸鏈等；而對(duì)于產(chǎn)品部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，則主要采用不可拆裝的框架結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的接合方式主要有各種直角榫、圓棒榫、螺釘，以及膠接合等。

本實(shí)驗(yàn)以湖南產(chǎn)速生脫脂馬尾松Pinus massonianaLamb.為基材，以“T”型和“L”型構(gòu)件為主要結(jié)構(gòu)形式，采用力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法, 針對(duì)八種常見(jiàn)的松木家具框架節(jié)點(diǎn)接合方式（包括：雙圓榫接合、貫通直角單榫接合、不貫通直角暗榫接合、倒刺螺母連接件接合、雙圓榫與倒刺螺母共同接合、三件式偏心連接件接合，以及45°雙圓榫斜角接合和45°不貫通榫斜角接合）的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，對(duì)理想使用狀態(tài)即在外力垂直載荷勻速加載的作下使構(gòu)件節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞或變形進(jìn)行研究，測(cè)得構(gòu)件節(jié)點(diǎn)破壞的強(qiáng)度值及其破壞或變形形式，計(jì)算各種節(jié)點(diǎn)的平均接合強(qiáng)度，分析各種節(jié)點(diǎn)的破壞規(guī)律特征，最后得出結(jié)論，以期對(duì)人工林速生松木家具的開發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)基材

實(shí)驗(yàn)用脫脂馬尾松Pinus massonianaLamb.木材直接取自湖南長(zhǎng)沙某松木家具廠，已經(jīng)過(guò)脫脂處理。試驗(yàn)測(cè)得脫脂馬尾松試材平均含水率為13.9%。由于在生產(chǎn)實(shí)際中不可能精確選材，試驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)中隨機(jī)購(gòu)材的實(shí)質(zhì)相同，故試驗(yàn)使用的基材指“泛意義的”速生脫脂馬尾松松木。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備和儀器主要有：微機(jī)控制電子式木材萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)，山東濟(jì)南思達(dá)測(cè)試技術(shù)有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為MWD-50 kg；電子秤，精確至0.001 g，以及游標(biāo)卡尺等。

1.3 實(shí)驗(yàn)用圓棒榫、膠粘劑和五金件

實(shí)驗(yàn)使用的圓棒榫樹種為樺木，類型為螺紋型，尺寸規(guī)格選用Φ100 mm×40 mm。圓棒榫含水率控制在8%左右。圓榫與榫孔配合間隙約為0.0 mm；榫端與榫孔底部間隙約為1.0 mm。

實(shí)驗(yàn)用膠全部采用聚醋酸乙烯酯乳液膠，俗稱乳白膠或白乳膠，pH值6.7，固體含量為48.6%，粘度為0.64 Pa·s。試件接合時(shí)榫的涂膠量大約為150～200 g/m2。

實(shí)驗(yàn)使用的五金件為三件式偏心連接件，偏心輪尺寸為Φ15 mm×11.5 mm、連接螺桿尺寸為0 mmΦ5 mm×32 mm、倒刺螺母規(guī)格為Φ10 mm×11 mm。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用8種不同的節(jié)點(diǎn)接合方式，即：雙圓榫接合、直角貫通單榫接合、不貫通直角榫接合、普通倒刺螺母螺桿連接件接合、圓榫和普通倒刺螺母螺桿共同接合、三件式偏心連接件接合，以及45 °雙圓榫斜角接合和45 °不貫通榫斜角接合等。這8種不同的接合方式，分別采用“L”型和“T”型構(gòu)件進(jìn)行連接，共組成16種不同的構(gòu)件連接形式。

實(shí)驗(yàn)時(shí)垂直荷載P在“L”型和“T”型直角構(gòu)件的橫向試件上進(jìn)行勻速加載[10]，加載速度為10 mm/min，在外力荷載P勻速加載的作用下使構(gòu)件節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞或變形，從而測(cè)得構(gòu)件節(jié)點(diǎn)破壞的強(qiáng)度值及其破壞或變形形式，如圖3所示。

圖3 “L”型和“T”型構(gòu)件加載Fig.3 Loading of T-form and L-form components

2 結(jié)果與分析

2.1 構(gòu)件節(jié)點(diǎn)平均強(qiáng)度值綜合比較

為方面圖表描述，在以下圖表中一律用字母代號(hào)表示各種構(gòu)件的接合方式。其中直角接合代號(hào)為O(Orthogonal corner joints)；斜角接合代號(hào)為M（Mitred corner joints）；“T”型構(gòu)件代號(hào)為T；“L”型構(gòu)件代號(hào)為L(zhǎng)；圓榫接合，代號(hào)為D(Dowels joints)；偏心連接件接合，代號(hào)為E(Eccentric fi ttings joints)；倒刺螺母螺桿連接件接合，代號(hào)為S(Screw joints)；圓榫+倒刺螺母連接件接合，代號(hào)為DS；貫通直角單榫接合，代號(hào)為T(Trough mortise and tenon joints)；不貫通直角暗榫接合，代號(hào)為H(Hidden mortise and tenon joints)。

下面對(duì)以上8種類型的節(jié)點(diǎn)接合方式，14種不同的直角構(gòu)件和斜角構(gòu)件的加載實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度值進(jìn)行綜合比較。其中，直角接合構(gòu)件主要采用圓榫、倒刺螺母連接件、圓榫與倒刺螺母共同接合、偏心連接件、貫通直角單榫和不貫通直角暗榫等6種接合方式；斜角接合采用了45 °雙圓榫和45 °不貫通榫兩種斜角接合方式。每種接合節(jié)點(diǎn)的平均強(qiáng)度值見(jiàn)表1。

2.2 直角接合“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度值比較與分析

6種“T”型連接直角接合構(gòu)件中，以貫通直角單榫的接合強(qiáng)度最大，其次是雙圓榫與倒刺螺母螺桿共同接合、雙圓榫接合、倒刺螺母螺桿連接件接合、不貫通單榫接合，強(qiáng)度最小的是偏心連接件接合（見(jiàn)圖4）。

2.3 直角接合“L”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度值比較與分析

6種“L”型直角接合構(gòu)件中，雖然“L”型連接構(gòu)件在采用倒刺螺母螺桿連接件接合時(shí)，其節(jié)點(diǎn)的接合強(qiáng)度比采用雙圓榫接合時(shí)的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度稍大，使二者的排列順序發(fā)生了變化，但二者的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度值僅相差0.15%，這一數(shù)值可以忽略不計(jì)。由此可認(rèn)為，“L”型直角接合構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度排列順序與“T”型直角構(gòu)件的接合強(qiáng)度排列順序基本一致（見(jiàn)圖5）。

表1 構(gòu)件節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度值比較Table 1 Comparison among all joints strength values

圖5 “L”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)平均強(qiáng)度值比較Fig.5 Comparison among strength values of L-form component joints

2.4 直角接合“L”型、“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度值對(duì)比

在所有直角接合構(gòu)件中，除了不貫通直角暗榫接合的“T”型構(gòu)件比“L”型構(gòu)件的接合強(qiáng)度稍低以外，其余5種接合方式的“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度均大于“L”型構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度，其中高出值最多的是貫通直角單榫，其“T”型構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度比“L”型構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高出1/3以上。由此可認(rèn)為，“T”型構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度總體上比“L”型構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度要高（見(jiàn)圖6）。

圖6 “L”型與“T”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度值比較Fig.6 Comparison between strength values of T-form and L-form component joints

2.5 斜角接合“L”型構(gòu)件節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度比較與分析

45 °不貫通榫斜角接合的構(gòu)件節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度比45 °雙圓榫斜角接合的構(gòu)件節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度平均高出129 N，增強(qiáng)百分率為20.9%，具體如圖7所示。

圖7 斜角接合構(gòu)件節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度比較Fig.7 Comparison between of strength values of mitred corner joints

3 結(jié)論與討論

以上通過(guò)對(duì)速生脫脂馬尾松“T”型和“L”型構(gòu)件的8種不同連接接合方式（貫通直角單榫接合、不貫通直角暗榫接合、雙圓榫接合、倒刺螺母連接件接合、雙圓榫與倒刺螺母共同接合、偏心連接件接合，以及45 °雙圓榫斜角接合和45 °不貫通榫斜角接合）的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度性能進(jìn)行研究，就單因子我們可以得出以下結(jié)論：

(1)在所有直角接合構(gòu)件中，綜合起來(lái)比較，以貫通直角單榫的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度最大；雙圓榫與倒刺螺母共同連接的接合強(qiáng)度次之；然后強(qiáng)度值從高到低依次是雙圓榫接合、倒刺螺母螺桿連接件接合、不貫通單榫接合，接合強(qiáng)度最小的是偏心連接件接合。由此可知，在對(duì)家具進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于受力比較大、要求牢固性比較高的部位盡量使用倒刺螺母連接件或直角榫（尤其是貫通直角榫）進(jìn)行連接，盡量避免使用偏心連接件。

(2)在兩種45 °斜角接合構(gòu)件中，采用45 °不貫通榫斜角接合的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度大于45 °雙圓榫斜角接合的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同條件下，“T”型實(shí)木構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度總體上大于“L”型實(shí)木構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度。這一研究結(jié)果與2002年司傳領(lǐng)的碩士研究課題 “板式家具角部接合性能的研究”的結(jié)論——“‘T’型結(jié)合方式連接的角部結(jié)合試件的強(qiáng)度值大于以‘L’型結(jié)合方式連接的角部結(jié)合試件的強(qiáng)度值[2]”相一致。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)允許時(shí)，松木家具產(chǎn)品應(yīng)盡可能采用“T”型結(jié)構(gòu)。

(4)當(dāng)采用貫通直角單榫接合時(shí)，實(shí)木構(gòu)件端部木材的順紋抗剪強(qiáng)度以及膠層的膠合強(qiáng)度是影響節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度性能的關(guān)鍵因素。當(dāng)采用不貫通直角單榫接合時(shí)，其節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度性能主要受膠層的膠合強(qiáng)度和榫頭木材抗彎強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)證明，榫接合的強(qiáng)度普遍比較高，因此在進(jìn)行家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮適當(dāng)外露榫接合結(jié)構(gòu)，或者直接以榫卯結(jié)構(gòu)形式做裝飾元素進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，這樣既增加了接合強(qiáng)度，又體現(xiàn)了中國(guó)家具的傳統(tǒng)工藝。

(5)當(dāng)采用雙圓榫接合時(shí)，圓榫的抗彎強(qiáng)度和實(shí)木構(gòu)件側(cè)邊部的抗拔力是影響其節(jié)點(diǎn)接合性能的主要因素，通過(guò)比較可知，直角構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度與45 °斜角構(gòu)件的接合強(qiáng)度基本相等。

(6)當(dāng)采用倒刺螺母螺桿連接件接合時(shí)，其節(jié)點(diǎn)的接合強(qiáng)度主要取決于倒刺螺母與木材之間的摩擦力即抗拔力。如果采用雙圓榫與倒刺螺母螺桿連接件共同接合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用圓榫不僅起到了定位的作用，同時(shí)更增強(qiáng)了構(gòu)件節(jié)點(diǎn)接合的緊密度，因而大大提高了連接件的接合強(qiáng)度性能。

(7)當(dāng)采用偏心連接件接合時(shí)，其節(jié)點(diǎn)接合強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其它接合方式，而且接合部位不夠牢固，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易松動(dòng)。可見(jiàn)，對(duì)于強(qiáng)度和剛度要求較高的家具部位應(yīng)盡量避免單一使用偏心連接件。

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Comparative study on corner joints strength of fast-growing Pinus massoniana wood furniture

LI Su-xia, LIU Wen-jin, SUN De-lin
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China )

By taking the fast-growing Pinus massoniana wood degreased and dried preferably which come from Hunan province as the base material, using T-form and L-form component as the basic pine-wood component, and employing mechanics experimental method,the damage or deformation occurred at the component nodes under the action of external vertical load uniform loaded (an ideal working condition) were studied so as to measure the strength values and the damage or deformation types. Eight kinds of frame joints bonding modes were used to determine the node joining strength, such as run-through mortise and tenon joint, hidden mortise and tenon joint,double dowels joints, screw fi ttings joints, double dowels and screw fi ttings joints, eccentric fi ttings joints, mitred double dowels joints and hidden mitred mortise and tenon joint. The results of the experiments show that the value of run-through mortise and tenon joint strength was the maximum, the double dowels and screw fi ttings joints strength was the second, the double dowels joints strength was the next, and the screw fi ttings joints strength and hidden mortise and tenon joints strength followed successively, the eccentric fi ttings joints strength was the minimum; for the 45 degree bevel join widget, the mitred double dowels joints strength was higher than hidden mitred mortise and tenon joint strength; in the same situation, the joint strength of basic component T-form was higher than that of the basic component L-form. Finally, the studying results show that the corner joints strength values with furniture framework were affected in different degrees by the basic components (T-form or L-form), joint modes of corner parts (run-straight or mitred), and the connected methods of corner joints.

fast-growing Pinus massoniana wood; furniture design; corner joints; strength

S781.3

A

1673-923X(2014)02-0122-05

2013-04-28

湖南省教育廳一般項(xiàng)目（11C1317）；中南林業(yè)科技大學(xué)校青年基金（QJ2020019B）

李素瑕（1979-），女，湖南洪江人，講師，主要從事家具產(chǎn)品與木質(zhì)工程材料研究； E-mail：lisuxia@yeah.net

劉文金（1963-），男，湖南常德人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事木制品設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究； E-mail：csfulwj@163.com

[本文編校：文鳳鳴]