李冰琳++任駿++陸磊++郝駿++劉雁

摘 要：本文介紹了木結(jié)構(gòu)節(jié)點的連接方式，而后著重介紹了螺栓連接形式的破壞形態(tài)和研究進展，最后對螺栓連接的研究提出了幾點建議。

關(guān)鍵詞：木結(jié)構(gòu)；螺栓連接；破壞形態(tài)

Abstract： This paper describes the connection node of the wooden structure ，then focuses on the research progress and failure modes of bolted connection， At last ， the paper gives some suggestions about the research on bolted connection.

keywords： wood structures； bolted connection ； failure modes

1.引言

現(xiàn)今建筑普遍采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其建造過程產(chǎn)生大量的建筑垃圾，對環(huán)境產(chǎn)生了不良影響，而木結(jié)構(gòu)具有健康舒適、環(huán)保節(jié)能、設(shè)計靈活、施工期短等諸多優(yōu)點，近期獲得了較好的發(fā)展。

木結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式有梁柱結(jié)構(gòu)體系（post and beam construction）和輕型木結(jié)構(gòu)體系（light wood frame construction）兩種。在梁柱結(jié)構(gòu)體系這一傳統(tǒng)建筑形式中，梁柱結(jié)構(gòu)構(gòu)成主要的傳力體系，豎向及水平載荷都是由梁柱結(jié)構(gòu)通過連接組成的體系承受，最后傳遞到基礎(chǔ)。因此，梁柱節(jié)點連接的承載性能是影響結(jié)構(gòu)受力性能的關(guān)鍵，它關(guān)系到木結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

2.木結(jié)構(gòu)節(jié)點的連接方式

木結(jié)構(gòu)的連接方式有：榫卯連接、齒連接、螺栓連接和釘連接、鍵連接等。

其中螺栓連接具有制作簡單、安全可靠、施工快捷的特點，是木結(jié)構(gòu)常用的一種連接形式，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于梁柱結(jié)構(gòu)、木剛架、木桁架、木拱等木結(jié)構(gòu)建筑中[1]。使用場所、使用部位及使用條件的不同使得螺栓連接種類繁多、造型各異，但總體來說，若根據(jù)所連接構(gòu)件的個數(shù)來分，可分為單剪連接、雙剪連接及多剪連接，工程實踐中常采用單剪連接和雙剪連接；根據(jù)是否采用金屬連扳來分，可分為木材—木材的螺栓連接和木材—鋼材的螺栓連接兩種，而后者根據(jù)鋼材連接板相對于木材的位置又可分為木材—鋼填板螺栓連接和木材—鋼夾板螺栓連接（如圖1所示）。

3.螺栓連接節(jié)點的破壞形態(tài)

螺栓是銷類連接件的一種，其特點是承受的荷載與連接件本身長度方向垂直，故稱抗“剪”連接，且銷抗“剪”是基于銷發(fā)生彎曲和銷槽木材受壓，都具有良好的韌性，在工程中廣泛應(yīng)用。

銷連接的普遍屈服模式是建立承載能力計算理論的基礎(chǔ)，其屈服模式歸納起來有四種[13]。

具體到螺栓而言，其受力破壞的形式一般包括：木材剪切破壞、木材撕裂破壞、木材銷槽承壓破壞和螺栓抗彎屈服破壞，對于木材與鋼材的螺栓連接而言，其受力破壞模式還包括：鋼板受拉破壞和孔壁受壓破壞等[2]。

4.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1941年丹麥科學(xué)家Johansen提出“屈服理論”，研究學(xué)者自“屈服理論”提出后將其應(yīng)用到了單個螺栓的對稱連接和反對稱連接承載力的計算中。1983年，McLain和Thangjitham[3]通過實驗證明螺栓的承載力可通過螺栓預(yù)緊力增強。

1968年，Cramer[4]的研究表明，多個螺栓連接的承載性能等于單個螺栓承載力乘以螺栓個數(shù)再乘以修正系數(shù)，主要是指群組修正系數(shù)。

1993年，Wilkinson[5]研究了螺栓孔的大小對膠合木螺栓連接的影響。結(jié)果表明，螺栓孔尺寸增大對屈服荷載和最大荷載影響較小，但是對荷載-位移圖影響較大。

1998年，Jorissen[6]通過在短期荷載下，對稱雙剪螺栓連接的承載力試驗研究，發(fā)現(xiàn)多個螺栓連接件的承載強度低于單個螺栓連接承載強度與螺栓個數(shù)的乘積，原因是螺栓接頭位置應(yīng)力分布不均勻。并通過試驗得出了多個螺栓連接件的強度和剛度，發(fā)現(xiàn)多個螺栓連接件的承載強度低于單個螺栓連接承載強度與螺栓個數(shù)的乘積，這主要是由于螺栓的洞隙造成的。

2001年，Rammer等[7]進行了一系列螺栓和釘子連接的試驗，得到了不同木材含水率對螺栓連接承載性能的影響，建立了螺栓承載力與木材含水率的線性關(guān)系，研究表明，這種線性關(guān)系與樹種和連接件類型沒有關(guān)系，隨著含水率的增大，承載強度降低。

我國的許多學(xué)者也對木結(jié)構(gòu)的螺栓連接進行了研究。1982年樊承謀在蘇聯(lián)學(xué)者研究工作的基礎(chǔ)上，對木結(jié)構(gòu)螺栓聯(lián)接彈塑性工作的原理作進一步的理論探討，導(dǎo)出了螺栓的最大彎矩公式。

1986年胡擁軍[8]根據(jù)木材彈塑性工作的原理，并結(jié)合所做的50個對稱雙剪聯(lián)接的試驗，對木結(jié)構(gòu)螺栓聯(lián)接的工作原理及計算公式中存在的不妥之處進行了分析，利用所推薦的設(shè)計方法，對木構(gòu)件單剪連接和對稱連接進行了設(shè)計計算，并與現(xiàn)行的規(guī)范設(shè)計方法對比。

2007年周俐俐[9]通過計算實例表明，提出螺栓連接不等間距的排列方式，承載力相同的情況下，這種排列方式同時滿足了規(guī)范規(guī)定的螺栓最大和最小容許距離，又節(jié)約了螺栓數(shù)目。

2008年翁曉紅[10]通過對不同木材厚度的木材-鋼填板螺栓連接試件的性能進行對比，得出了木材-鋼填板螺栓連接的破壞模式、承載力大小以及其延性性能均與側(cè)材厚度的相對大小有關(guān)，其結(jié)論為極限承載力隨側(cè)材厚度的增加而增大，連接試件的破壞模式由銷槽承壓破壞改為銷槽承壓破壞及螺栓彎曲破壞同時發(fā)生；側(cè)材的厚度增加到一定數(shù)值后，承載力大小趨于不變。

2009年徐德良[11]通過試驗研究膠合木材-鋼夾板在順木紋受拉時的承載能力，試驗表明，膠合木相對厚度增加時，螺栓連接節(jié)點的延性也會隨之增大，當(dāng)膠合木厚度增大到某個值后，再增大厚度對其極限承載力的影響不大。endprint

2009年奚愛峰[12]采用美國規(guī)范的有效螺栓節(jié)點數(shù)對木材-鋼填板螺栓連接節(jié)點順紋受拉承載力進行研究，得出結(jié)論為螺栓連接節(jié)點的承載力隨著螺栓數(shù)量的增加逐漸增加，但是延性有所下降。

2011年劉珂珍[14]通過使用T型和U型剛板，鋼銷、螺栓將落葉松膠合木材連接成梁柱狀態(tài)對落葉松膠合木的梁柱螺栓節(jié)點進行了研究，測試其承載性能，得出U型連接件比T型連接件承載性能要好。

5.展望

隨著木結(jié)構(gòu)的發(fā)展?jié)u漸趨于工業(yè)化、多樣化及集成化，木結(jié)構(gòu)金屬連接件從制造到安裝，其傳統(tǒng)技藝的使用越來越少，從之前單一的釘和螺栓，到現(xiàn)今的各種專用連接件；從原來的靠人工逐個安裝，到現(xiàn)今專業(yè)制造商聯(lián)合設(shè)計、制造、機械自動安裝，連接件現(xiàn)今既提高了工藝的準(zhǔn)確性，又使其材料得到了最優(yōu)化利用。目前木結(jié)構(gòu)連接的研究呈現(xiàn)如下趨勢：

（1）從單一性走向整體性。早期的研究主要針對單個連接的承載特性上，例如釘、螺栓、齒板等一個連接件組成的連接點，經(jīng)過多年的發(fā)展和進行試驗獲取數(shù)據(jù)的積累，各個方面的參數(shù)基本得到完善，研究逐步向整體結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展；

（2）連接的強度計算趨于精確化。隨著有限元等現(xiàn)代理論和現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用，連接點的應(yīng)力分布、結(jié)合區(qū)域的木材性能等計算研究越來越精確，促使性能設(shè)計更加接近實際情況，與此同時也為連接點的性能增強、結(jié)構(gòu)修復(fù)等工作提供了數(shù)據(jù)依據(jù)；

（3）由經(jīng)驗方法轉(zhuǎn)向力學(xué)理論分析。隨著研究的深入及各種力學(xué)理論的引入，木構(gòu)件連接力學(xué)理論逐步建立，該理論為連接件設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)，木結(jié)構(gòu)連接點的設(shè)計也逐步變得更加科學(xué)、更加精確。

針對我國目前螺栓連接研究中存在的問題和不足，提出以下幾點建議：

（1）充分利用國外已有的研究成果，通過進行相應(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)的設(shè)計規(guī)范以及強度計算方法和計算模型，同時，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出國產(chǎn)木結(jié)構(gòu)專用的連接件，

（2）進一步探究屈服理論在木結(jié)構(gòu)螺栓連接可靠性設(shè)計中的應(yīng)用，加大對螺栓節(jié)點材料參數(shù)的研究，不同受力方向情況下的節(jié)點破壞，提高木結(jié)構(gòu)螺栓連接承載力的新方法以及完善螺栓預(yù)緊研究；

（3）開展對耐火抗震條件下，提高螺栓連接的力學(xué)性能方法和優(yōu)化節(jié)點設(shè)計等研究；

（4）發(fā)揚我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，探討榫卯等傳統(tǒng)連接方式，探究螺栓連接與傳統(tǒng)榫卯連接方式相結(jié)合的新型連接方式，一方面，我國在古建保護方面所做的研究工作為傳統(tǒng)榫卯連接性能研究積累了大量的經(jīng)驗，另一方面，與金屬連接件相比，榫卯連接不存在易腐蝕、耐火性能差等缺點，可借鑒古建保護的經(jīng)驗，并將其運用到現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)連接的設(shè)計中。

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【文章編號】1006-2688（2017）07-0011-02endprint