木结构连接的简述

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(南京工业大学土木工程学院,南京,210009)
谢超 刘伟庆 杨会峰

摘 要: 节点设计是木结构的设计的重要环节。本文介绍了木结构建筑的几种常用节点,阐述了不同连接的传力特点、构造方法,并提出连接设计中应考虑的因素,以期对中国的木结构设计起一定的积极作用。

关键词: 木结构 连接 节点

An Overview of Connections in Timber Structure
Xie Chao Liu Weiqing Yang Huifeng
(Nanjing University of Technology,Nanjing,210009,China)
Abstract: Connection design in timber structure is one of the most important things in timber structure design. Some common style of the joint including loads bearing systems, the design method are introduced in this paper. Besides those the matters need attentions in design of joints are presented here.
Key words: timber structure connection joint

1 前言

木材作为建筑材料具有重量轻、强度高、美观、加工性能好等特点 ,因此自古以来就受到人们偏爱。现代木结构房屋更具有绿色、生态、环保、可再生利用等特点,是人类最理想的居住环境。现代木结构住宅建筑在世界上许多国家己很普遍。在北美,木结构住宅处于市场主导地位。75%的人居住在木制房屋里,尤其是高档别墅几乎全部是木制的。在加拿大,木材工业是国家支柱产业之一,其木结构住宅的工业化、标准化和配套安装技术非常成熟。在日本,大量的住宅是利用木材、胶合木和水泥刨花板建造的,目前日本新建住宅房屋中,有半数以上是木结构.在北欧的芬兰和瑞典,民居住房的90%为一层或二层的木结构建筑。我国目前国内己有2000 多个木结构房屋,还有600 多个正在建设中,绝大多数都采用国外材料和技术。在北京上海、广州、南京、苏州、深圳、大连、重庆等城市,己连续开发了许多木结构房屋示范项目。木结构的设计中最困难也是最重要的一个环节就是节点设计,所以对于节点的研究非常重要。本文则介绍了几种木结构节点形式,阐述了其构造方法和传力特点,并提出了连接设计中需要考虑的因素。

2 连接类型

根据连接受力情况不同,有的是直接传力,有的是通过连接件间接传力,常见的有齿连接、销连接和通过金属连接件进行连接。

2.1 齿连接

齿连接是将受压构件的端头做成齿榫,在另一构件上锯成齿槽,使齿榫直接抵承在齿槽内,通过抵承面的承压工作传力。因此,齿连接只能用来传递压力,这是它的特点。齿连接构造简单,传力明确,可用简单工具制作,由于其构造外露,易于检查施工质量和观测工作情况。但齿连接由于在构件上刻槽,对构件截面削弱较大,从而增加木材从而增加木材用量;在齿槽中除承压工作外,尚伴随着脆性的剪切工作,同时只能用于手工操作,要技术级别较高的木工进行制作,方能保证连接质量。
 

齿连接分为单齿连接和双齿连接,如上图,需要注意的是:
(1)承压面应与所连接的压杆轴线垂直,使压力明确地作用在该承压面上,并保证剪力面上存在横向紧力,以利于木材剪切工作;
(2)压杆轴线应通过承压面的形心;
(3)当用湿材制作时,还要考虑木材发生端裂的可能性。为此,横加支座节点连接的剪面长度应比计算值大50mm;
(4)木桁架支座节点必须设置保险螺栓、附木和经过防腐处理的垫木。对于齿连接的计算需要验算木材的承压、受剪和受拉强度。

2.2 销连接

普通的销连接

销是用钢或者木做成圆杆状或者片状,用以阻止被连接构件相对移动的连接物。在连接中,销主要受弯,木构件主要承压。这两种工作都有比较好的塑性,因而销连接是一种比较可靠的连接。属于圆杆状的,有螺栓、钉、圆钢销、螺钉、玻璃钢圆销等;属于板片状的,有玻璃钢板销,钢板销等。上述各种销中,以螺栓和钉应用最广,一般木结构均可采用。当受使用条件限制,不允许在结构中使用金属配件时,可采用玻璃钢销。在桥梁结构中,有时可采用钢板销。 
 

以上节点处如木构件太薄,破坏多数是由木材销槽处劈开,特别是在构件很薄得拉力接头中表现得更明显。因此,为了简化计算和确保连接受力安全,现行规范对螺栓连接的木构件做了最小厚度的规定,具体可参照木结构设计规范。

特殊的销连接

空心钢销连接:国外木结构发展比较迅速,现已有空心钢销连接的研究及应用。传统的实心钢销一般直径比较大,并且增加了木构件脆性破坏的可能性。空心钢销根据孔壁厚度的不同,可以提供可变的扣件刚度。通过试验,运用空心钢销的节点明显提高了其延展性,在达到节点刚度要求的前提下,它具有非常好的耗能能力,并且其决定因素在于孔壁的相对厚度。 
 
 

用环氧胶粘剂填充的钢棒连接:此种销连接一般用来连接比较厚的木梁和预制钢架。澳大利亚的研究人员已对其进行了原型抗拉、抗弯试验,并运用在了实际工程当中。此类连接中,十子交叉和倾斜的钢棒极大得提高了连接的抗拉能力。在构造要求中,倾斜部分应该位于截面中部,并且尺寸应该和所有钢棒相差不大。

2.3 采用钢构件连接的节点形式

在大型木建筑设计中,结构跨度及构件尺寸相对较大,传统的结构形式无法满足大型结构的要求,结构设计往往会更多的引用钢结构的设计方法,节点处也会积极地使用金属构件或者钢结构节点来满足结构的要求。轻微结合处可以采用钉子或者螺栓等小型钢构件进行连接;大型结构中则常在集成材的结合处插入钢板与木构件固定,钢板之间或者钢板与混凝土基础之间采用螺栓等钢构件进行连接。在大跨木结构中,这些刚节点处理方法可以有效地解决节点的结构问题,为设计带来新的突破。

齿板连接

齿板由镀锌钢板经单向打齿制成。齿的形状因生产商而异。在国外,齿板被广泛用于由规格材制成的轻型木桁架节点连接或木构件的接长与接厚。根据加拿大木结构设计规范,采用齿板连接而成的 轻型木桁架跨度可达30 米余米。
 

齿板连接的构造要求为:
(1)齿板应成对对称设置于构件连接节点的两侧;
(2)采用齿板连接的构件深度应不小于做板齿承载力试验事板齿嵌入试件的深度。
(3)齿板连接处构件无缺棱、木节孔等缺陷。
(4)拼装完成后齿板无变形。

其他钢构件连接

在国外的实际工程中常常还有特殊的金属连接件其结构分工通常是:木结构作为主体结构;钢结构作为辅助结构穿插于木结构之间,同时应用于节点设计之中;钢筋混凝土结构则往往作为建筑的基座和墙体,避免木结构直接与地面接触并增加建筑整体的稳定性。
 

由于以上连接件都是使用U 型件或者T 型件和螺栓进行连接,所以受力形式已不仅仅是单纯的双剪或者单剪,需要过试验结果具体分析节点的综合受力性能。影响此类连接性能的因素主要有连接件钢板的厚度、螺栓的直径,木材的承压强度,也必须通过试验来验证,为设计提供依据。

3 连接设计中应考虑的因素

木结构的连接设计中,在确定连接承载力时,要考虑的因素包括:树种(重要是考虑相对密度)、保证传力途径、木材的含水率;关键截面;连接件的类型及组合作用等。木结构构件连接的承载力的设计值与构件的相对密度有关。在销连接中,木构件对于销槽承压强度与销的尺寸以及木材的局部承压强度有关。对于大直径的连接件,荷载与木纹的夹角也影响销槽的承压强度。设计构件连接时,应保证连接件能有效地传递荷载。木材在横纹和顺纹方向强度不一样。木材的横纹受拉强度,比横纹受压低得多。设计中应该考虑这些因素。设计传递竖向荷载的连接时,应充分利用木材顺纹抗强度高的特点。例如梁应位于柱或墙顶,或安装在梁托中。木材的含水率也危及到长期的连接性能,尤其是钉子会因含水量下降,木材干燥,而自动脱落出来。所以构件的连接设计除了保证强度和传递荷载外,还应该从设计和构造结点上允许构件收缩和膨胀。所以应避免在横纹方向在同一块连接板上布置一排较多的螺栓,因为木构件在实际使用条件下,会继续收缩。关键截面是指木构件连接中,与构件纵轴垂直的截面。该截面面积等于构件截面面积减去连接件在该截面上的投影面积,如果有其他开孔,当开孔投影面积在连接件投影面积以外时,还应减去开孔的投影面积。不同连接件的投影面积的计算有所不同。在连接设计中尤其要注意,由于连接件的类型不同,所以传力途径不同,设计方法也要相应有所侧重。如荷载被一排连接件承受时,荷载并不是平均分配到每个连接件上,而是端部连接件比中间连接件承担较重的荷载。荷载的分配根据主要构件与次要构件的对比刚度来定。

4 齿板连接的算例

弦杆端点设计(见下图)
 

已知条件:
节点几何位置:弦坡度:4:12;下弦坡度:0:12;
节点受力情况:上弦杆:F1=11.845kN;下弦杆:F2=11.298 kN;
齿板极限抗剪承载力(N/mm)
 
解:
上弦杆齿板节点
(1) 齿板承载力验算
 
 

(2) 齿板抗滑移承载力验算
 

(3) 齿板剪-拉承载力验算
 

同理可以验算下弦齿板节点的承载力均符合设计要求。

5 结论

由于木结构房屋的许多优良特性,越来越受到人们的关注和青睐。本文概括得介绍了木结构建筑中的几种连接形式,以及一些运用特殊金属构件进行连接的方法,并阐述了节点设
计中需要注意的一些因素。由于人们生活节奏的加快,木结构节点的设计也必将向着施工简单化,效率化发展。用钢构件进行连接就是一个很好的方法,但仍需要研究人员进行大量的试验,为设计师提供有力的支持。

参 考 文 献
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[2] 樊承谋,麦淑良等.木结构.中国建筑工业出版社,1980
[3] 王静. 日本现代空间与材料表现(一)——集成材技术与现代木造空间. 建筑师,2004,107(02):78~83
[4] 丁成章. 轻钢(木)骨架住宅结构设计.机械工业出版社,2005
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[7] Doug Gaunt BE(Hons),MIStructE,MIPENZ.Joints in glulam using groups of epoxy-grouted steel bars.Scientist, Forest Research, Private Bag 3020, 1999


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