木結(jié)構(gòu)螺栓連接綜述及展望

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(diǎn)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(jìn)展，最后對(duì)螺栓連接的研究提出了幾點(diǎn)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(duì)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(jì)靈活、施工期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，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(chǎng)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(gè)數(shù)來分，可分為單剪連接、雙剪連接及多剪連接，工程實(shí)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(duì)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(diǎn)的破壞形態(tài)

螺栓是銷類連接件的一種，其特點(diǎn)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(jì)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(duì)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(gè)螺栓的對(duì)稱連接和反對(duì)稱連接承載力的計(jì)算中。1983年，McLain和Thangjitham[3]通過實(shí)驗(yàn)證明螺栓的承載力可通過螺栓預(yù)緊力增強(qiáng)。

1968年，Cramer[4]的研究表明，多個(gè)螺栓連接的承載性能等于單個(gè)螺栓承載力乘以螺栓個(gè)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(duì)膠合木螺栓連接的影響。結(jié)果表明，螺栓孔尺寸增大對(duì)屈服荷載和最大荷載影響較小，但是對(duì)荷載-位移圖影響較大。

1998年，Jorissen[6]通過在短期荷載下，對(duì)稱雙剪螺栓連接的承載力試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)多個(gè)螺栓連接件的承載強(qiáng)度低于單個(gè)螺栓連接承載強(qiáng)度與螺栓個(gè)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(yàn)得出了多個(gè)螺栓連接件的強(qiáng)度和剛度，發(fā)現(xiàn)多個(gè)螺栓連接件的承載強(qiáng)度低于單個(gè)螺栓連接承載強(qiáng)度與螺栓個(gè)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(jìn)行了一系列螺栓和釘子連接的試驗(yàn)，得到了不同木材含水率對(duì)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(qiáng)度降低。

我國的許多學(xué)者也對(duì)木結(jié)構(gòu)的螺栓連接進(jìn)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(duì)木結(jié)構(gòu)螺栓聯(lián)接彈塑性工作的原理作進(jìn)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(gè)對(duì)稱雙剪聯(lián)接的試驗(yàn)，對(duì)木結(jié)構(gòu)螺栓聯(lián)接的工作原理及計(jì)算公式中存在的不妥之處進(jìn)行了分析，利用所推薦的設(shè)計(jì)方法，對(duì)木構(gòu)件單剪連接和對(duì)稱連接進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并與現(xiàn)行的規(guī)范設(shè)計(jì)方法對(duì)比。

2007年周俐俐[9]通過計(jì)算實(shí)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(shí)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(duì)不同木材厚度的木材-鋼填板螺栓連接試件的性能進(jìn)行對(duì)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(duì)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(shí)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(yàn)研究膠合木材-鋼夾板在順木紋受拉時(shí)的承載能力，試驗(yàn)表明，膠合木相對(duì)厚度增加時(shí)，螺栓連接節(jié)點(diǎn)的延性也會(huì)隨之增大，當(dāng)膠合木厚度增大到某個(gè)值后，再增大厚度對(duì)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(diǎn)數(shù)對(duì)木材-鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)順紋受拉承載力進(jìn)行研究，得出結(jié)論為螺栓連接節(jié)點(diǎn)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(duì)落葉松膠合木的梁柱螺栓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究，測(cè)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(gè)安裝，到現(xiàn)今專業(yè)制造商聯(lián)合設(shè)計(jì)、制造、機(jī)械自動(dòng)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(shì)：

（1）從單一性走向整體性。早期的研究主要針對(duì)單個(gè)連接的承載特性上，例如釘、螺栓、齒板等一個(gè)連接件組成的連接點(diǎn)，經(jīng)過多年的發(fā)展和進(jìn)行試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)的積累，各個(gè)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(qiáng)度計(jì)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(diǎn)的應(yīng)力分布、結(jié)合區(qū)域的木材性能等計(jì)算研究越來越精確，促使性能設(shè)計(jì)更加接近實(shí)際情況，與此同時(shí)也為連接點(diǎn)的性能增強(qiáng)、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(yàn)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(jì)提供了數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)，木結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)的設(shè)計(jì)也逐步變得更加科學(xué)、更加精確。

針對(duì)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(diǎn)建議：

（1）充分利用國外已有的研究成果，通過進(jìn)行相應(yīng)的連接性能測(cè)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(jì)規(guī)范以及強(qiáng)度計(jì)算方法和計(jì)算模型，同時(shí)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出國產(chǎn)木結(jié)構(gòu)專用的連接件，

（2）進(jìn)一步探究屈服理論在木結(jié)構(gòu)螺栓連接可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，加大對(duì)螺栓節(jié)點(diǎn)材料參數(shù)的研究，不同受力方向情況下的節(jié)點(diǎn)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(duì)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(diǎn)設(shè)計(jì)等研究；

（4）發(fā)揚(yáng)我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，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(hù)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(yàn)，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(diǎn)，可借鑒古建保護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，并將其運(yùn)用到現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)連接的設(shè)計(jì)中。

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