輕型木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接方式研究

胡楊楠，楊宇生

（北方工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京 100144）

0 引言

木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展歷史已有數(shù)千年，已從傳統(tǒng)純木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)入鋼木混合的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展階段?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)是指通過現(xiàn)代的新型科技手段，將木材或板材經(jīng)過層壓、膠合、金屬構(gòu)件連接等一系列現(xiàn)代化的工藝處理，最后形成整體結(jié)構(gòu)性能遠(yuǎn)超原木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)體系[1]?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)依據(jù)房屋承重構(gòu)件所運(yùn)用的材料可分為重型木結(jié)構(gòu)（膠合木結(jié)構(gòu)）、輕型木結(jié)構(gòu)、方木原木結(jié)構(gòu)及混合木結(jié)構(gòu)4種主要形式，每種結(jié)構(gòu)形式的節(jié)點(diǎn)連接方式各有千秋。輕型木結(jié)構(gòu)是其中的重要分支，對于其節(jié)點(diǎn)連接方式的研究影響著輕型木結(jié)構(gòu)建筑能否在我國木構(gòu)建筑式微階段獲得更廣泛的關(guān)注。

1 輕型木結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

輕型木結(jié)構(gòu)起源于北美地區(qū)的部分民用住宅所采用的木結(jié)構(gòu)形式，后逐漸應(yīng)用到3層及3層以下的民用建筑中，在20世紀(jì)80—90年代逐漸傳入我國，其主要結(jié)構(gòu)體系由木構(gòu)架墻、木樓蓋和木屋蓋系統(tǒng)三部分所構(gòu)成[2]，每部分中的最小單元由斷面較小的統(tǒng)一規(guī)格材經(jīng)過有序地密布排列[3]。隨著建筑技術(shù)的進(jìn)步，又衍生出板壁式的結(jié)構(gòu)體系，由剪力墻、樓蓋和屋蓋三大部分組成（見圖1），但構(gòu)件的最小單元保持不變[4]。由于其自身高度和跨度較小，所受到的水平荷載和豎向荷載及自重荷載同樣較小[5]，以輕型木桁架為主要承重構(gòu)件，以規(guī)格材作為建筑主材料，以剪力墻起支撐性能的新型現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑形式輕型木結(jié)構(gòu)，具有建造成本低廉、建筑材料節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)固、易于統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、裝配靈活、施工周期短以及便于修繕等優(yōu)點(diǎn)，是目前市場上投放最多、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)較為成熟的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)之一。

圖1 輕型木結(jié)構(gòu)體系

2 輕型木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接方式

隨著材料科技的創(chuàng)新和建筑技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)構(gòu)造幾乎不再采用通過構(gòu)件本身的穿插關(guān)系搭建木構(gòu)建筑骨架的傳統(tǒng)榫卯連接方式，而是更傾向借助現(xiàn)代金屬元件獲得比過去純木構(gòu)件剛性更強(qiáng)的力學(xué)性能，采用間接的方式將不同結(jié)構(gòu)骨架搭接在一起的連接方式（見圖2）。輕型木結(jié)構(gòu)主要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用當(dāng)前市面上標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)格材或工程木產(chǎn)品，其構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)主要采用剛性連接和金屬連接件連接[6]。

圖2 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)金屬連接節(jié)點(diǎn)

常見的剛性連接方式有齒連接、鍵連接、釘連接和螺栓連接等銷軸類連接形式[7]，其在大眾市場上的應(yīng)用已較為廣泛。在此基礎(chǔ)上，還出現(xiàn)了齒板連接和植筋連接等適應(yīng)木結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化的節(jié)點(diǎn)連接方式。其中，除對建筑外觀等方面有特殊要求外，在輕型木結(jié)構(gòu)中主要運(yùn)用與純木節(jié)點(diǎn)相比表現(xiàn)性能更佳的齒板連接、釘連接、螺栓連接和利用金屬掛鉤件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)加固[8]。

2.1 釘連接

釘連接屬于銷釘類連接，在輕型木結(jié)構(gòu)中是使用最早也是最基本的連接形式。釘連接件形式多樣，常見的釘連接件有圓鋼釘、螺紋釘、麻花釘?shù)刃问?。由釘連接件連接的木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在整體結(jié)構(gòu)中主要擔(dān)負(fù)著傳遞剪力、抵抗拔力的作用，具有較好的抗震性能。

輕型木結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能主要由其中剪力墻部分里的覆面板和墻內(nèi)骨架之間的釘連接的受力性能決定。其保證整體結(jié)構(gòu)的受力均勻及工作性能穩(wěn)定，發(fā)揮抵抗強(qiáng)風(fēng)、地震等側(cè)向壓力的作用，以期達(dá)到保持木結(jié)構(gòu)整體骨架穩(wěn)定的目的。釘連接件嵌入的方式有多種，一般根據(jù)受力情況選擇，最常見的釘嵌入形式有平行釘入、斜向釘入、垂直釘入3種（見圖3）。

圖3 常見釘嵌入形式

釘連接的承載性能直接影響輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻乃至整體結(jié)構(gòu)的受力性能，釘連接處的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造部分起到至關(guān)重要的作用。高建等[9]根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究總結(jié)歸納出釘連接節(jié)點(diǎn)性能主要受到基材、面板的密度與質(zhì)量、釘材的規(guī)格型號、釘?shù)那度敕绞?、?jié)點(diǎn)的幾何形式、木材紋理方向及施工方式等因素的影響，如直釘連接的釘節(jié)點(diǎn)性能優(yōu)于斜釘連接的節(jié)點(diǎn)性能；完全嵌入的釘節(jié)點(diǎn)性能優(yōu)于未完全嵌入的釘節(jié)點(diǎn)性能等。

盡管單個釘受到本身規(guī)格的限制僅能傳遞較小的載荷，但因其有著緊密性高、韌性充分、受力性質(zhì)明確且施工便捷的優(yōu)點(diǎn)，極大節(jié)省了人力物力成本，成為現(xiàn)代輕型木結(jié)構(gòu)中最常用的節(jié)點(diǎn)連接方式之一。

2.2 螺栓連接

螺栓連接屬于銷軸類連接，其原理是利用孔壁的擠壓作用所形成的摩擦，達(dá)到鞏固連接構(gòu)件的作用[10]。較多現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑采用螺栓連接的節(jié)點(diǎn)連接方式，在某種程度上螺栓和釘在輕型木結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處承擔(dān)了相似的受力條件，但因螺栓相較釘子具有更大的剪切面，因此該類連接節(jié)點(diǎn)的承載能力較釘連接更大，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)相對牢固。由于輕型木結(jié)構(gòu)中最小構(gòu)件的規(guī)格材的剪切破壞和破裂破壞都是脆性破壞，而螺栓連接具有抗變形能力，從安全性來看，相比其他節(jié)點(diǎn)連接方式，其出色的抗彎能力為連接破壞的最佳選擇。因此，規(guī)范中還給出通過螺栓連接的木構(gòu)件的最小厚度，從根本上保證了螺栓連接受力的安全性與穩(wěn)定性。

螺栓節(jié)點(diǎn)的連接方式為：預(yù)先對木構(gòu)件進(jìn)行鉆孔，再將螺栓或者銷釘插入事先鉆好的孔中；或直接在施工現(xiàn)場插入螺栓。該連接方式傳力簡單、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性能較好，相比于釘連接安裝更加靈活，符合現(xiàn)代裝配化生產(chǎn)的趨勢，但相較釘連接又需預(yù)鉆孔，不如釘連接施工簡便，也有一定的限制。

2.3 齒板連接

齒板連接是輕型木結(jié)構(gòu)最常見也是現(xiàn)在使用范圍最廣的1種連接方式，主要應(yīng)用于輕型木結(jié)構(gòu)中的最小組成單元木桁架節(jié)點(diǎn)的連接（見圖4）。齒板的材料一般為鍍鋅或是鍍鋁鋅的高強(qiáng)度鋼板，其制造過程為：先采用高速沖模機(jī)將整卷鍍鋅鋼板沖切成凸出的板齒，再根據(jù)實(shí)際需要裁剪成不同尺寸的齒板，將齒板壓入木材需要連接的節(jié)點(diǎn)中便形成了輕型木桁架的齒板連接節(jié)點(diǎn)。

圖4 齒板

通過在桁架的連接處置入齒板，可對桁架中各條木弦進(jìn)行較為快速和準(zhǔn)確的定位。其安裝方式為：在預(yù)制工廠中拼裝好一榀桁架后，將輕型木桁架平放，再通過專門的加工機(jī)械將齒板直接壓進(jìn)桁架中所對應(yīng)的各條木弦間的連接處（見圖5）。

圖5 木桁架節(jié)點(diǎn)連接

齒板連接作為輕型木桁架獨(dú)有的連接方式，其連接性能也受到各種影響因素的制約，如木材的紋理方向、荷載力的作用方向、板齒的分布情況、板齒的數(shù)量及大小、木材的含水率等。雖然齒板連接在輕型木結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接中應(yīng)用較廣泛，但這種節(jié)點(diǎn)連接方式的強(qiáng)度相對來說還是屬于比較薄弱的，故其承載能力決定整個桁架的承載性能[11]，專業(yè)人士通過“屈服理論”及相關(guān)力學(xué)荷載試驗(yàn)，對其構(gòu)造提出了如下4點(diǎn)要求。

1）齒板應(yīng)以成對的形式對稱地置于構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的兩側(cè)且成垂直關(guān)系。

2）采用齒板連接嵌入最小構(gòu)件的深度至少應(yīng)為做齒板承載力試驗(yàn)時(shí)嵌入深度的2倍且嵌入深度不應(yīng)大于構(gòu)件的1/2。

3）應(yīng)保持齒板連接構(gòu)件完好，無缺損、木結(jié)節(jié)或孔洞等缺陷。

4）全部完成拼裝后的齒板及構(gòu)件應(yīng)形態(tài)完整，無變形、位移等。

相較純木連接的連接形式，齒板連接不僅可提前進(jìn)行預(yù)制生產(chǎn)，成批制作，滿足裝配化生產(chǎn)的工業(yè)需求，其生產(chǎn)方式不僅使節(jié)點(diǎn)性能穩(wěn)定可靠，更縮短了施工周期、節(jié)約了勞動成本、提高了裝配效率。雖該節(jié)點(diǎn)方式也有其相應(yīng)的弊端，如由于齒板較薄較于其他節(jié)點(diǎn)連接方式其強(qiáng)度不足，受壓承載力較低、安裝注意事項(xiàng)過于煩瑣，但也不失為是1種便捷的節(jié)點(diǎn)連接方式，如果在齒板的承載力性能方向或自身材料強(qiáng)度上加以設(shè)計(jì)改善，其在輕型木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用。

2.4 掛鉤件連接

掛鉤件是輕型木結(jié)構(gòu)體系中連接主梁與次梁、縫邊梁與主梁普遍采用的金屬連接件，主要用于傳遞豎向荷載。根據(jù)使用位置的不同分為梁柱用的“重型”掛鉤件和格柵用的“輕型”掛鉤件，根據(jù)傳力機(jī)理的不同分為頂掛型和面掛型。應(yīng)用于輕型木結(jié)構(gòu)中的掛鉤件質(zhì)量較輕，相對應(yīng)的承載力也較低[12]。根據(jù)適用情況與場景的不同又衍變出偏轉(zhuǎn)型、傾斜型、組合型等不同種類的特種掛鉤件，但不管是何種類的掛鉤件，均由正面翼、側(cè)面翼、底板3部分組成。掛鉤件連接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造由掛鉤件、緊固件和被連接的結(jié)構(gòu)構(gòu)件構(gòu)成，屬于外露式的建筑節(jié)點(diǎn)，因此可進(jìn)行外觀上的美化，符合當(dāng)代審美需求。相較傳統(tǒng)的螺栓節(jié)點(diǎn)和釘節(jié)點(diǎn)，掛鉤件尺寸、形狀各異，美學(xué)性能更高，且作為傳遞豎向荷載的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，掛鉤件連接節(jié)點(diǎn)因其安全可靠、安裝便捷的優(yōu)勢被大量使用于輕型木結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接中。相較其他連接方式，掛鉤件的獨(dú)有特點(diǎn)要求在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造時(shí)注意進(jìn)行藝術(shù)性加工，作為耐火性能更差的小面積金屬連接件，在設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮增強(qiáng)其自身的防火性能。

3 結(jié)語

通過對輕型木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處的主要連接方式的歸納，得出以下結(jié)論。

1）釘連接與螺栓連接作為傳統(tǒng)的剛性連接形式，成本低廉，施工便捷，但隨著輕木桁架跨度加大，若單純靠釘和螺栓連接結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件，則整體結(jié)構(gòu)的可靠性能差，因此這兩種連接方式的使用范圍存在局限性。

2）齒板連接是木屋蓋桁架節(jié)點(diǎn)的主要連接形式，齒板構(gòu)件對尺寸精度的要求并不高且置入位置靈活，適應(yīng)當(dāng)代工廠預(yù)制化的生產(chǎn)模式和裝配式的建設(shè)手段，而且結(jié)構(gòu)可靠度高，當(dāng)桁架布置間距較大時(shí)，使用齒板連接的連接形式可大幅度提高桁架的生產(chǎn)效率與裝配化水平。

3）掛鉤件作為輕型木結(jié)構(gòu)中最主要的受力連接載體被廣泛用于輕型木結(jié)構(gòu)建筑的主要骨架構(gòu)件連接處，具有良好的承載性能及塑性抗變形能力。它作為建筑外露的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可根據(jù)群體需要進(jìn)行美觀上的升級與定制。但因掛鉤件尺寸各異、形式多樣，因此難用某個恒定的公式計(jì)算其節(jié)點(diǎn)的承載力，所以在使用中需要耗費(fèi)時(shí)間和精力去挑選合適的掛鉤件。

木材作為綠色生態(tài)、可再生的建筑材料，其在實(shí)用性和美學(xué)性上表現(xiàn)優(yōu)異。我國雖是木結(jié)構(gòu)建筑藝術(shù)發(fā)展的搖籃，但由于近代受西方工業(yè)文明的影響發(fā)展以鋼筋混凝土為主的新的結(jié)構(gòu)體系，使我國幾千年的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)體系逐漸沒落。近年來，隨著裝配式木結(jié)構(gòu)建筑等現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑理念的興起，掀起了木結(jié)構(gòu)建筑復(fù)興的風(fēng)潮，而自北美國家傳入的輕型木結(jié)構(gòu)在我國的大量推廣，這可能是將我國木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展推向另一高峰的契機(jī)。

輕型木結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，更加適應(yīng)現(xiàn)代工廠預(yù)制的建造方式，優(yōu)越的保溫隔熱性能及材料的綠色可再生性使其成為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的1種形式被大眾所接受。作為輕型木結(jié)構(gòu)體系中關(guān)鍵的組成部分，節(jié)點(diǎn)連接方式的選用不僅影響輕型木結(jié)構(gòu)的承載力、剛度、延性及耗能水平，也對安裝的便捷性、結(jié)構(gòu)成本的經(jīng)濟(jì)性及建筑的美觀性具有重要影響。因技術(shù)不斷進(jìn)步，輕型木結(jié)構(gòu)中不同部分的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造必將趨于標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、高質(zhì)量化甚至是藝術(shù)化，迎合當(dāng)代的高質(zhì)量大規(guī)模生產(chǎn)需求和日益提高的美學(xué)需求。

相較歐美地區(qū)的某些國家，我國對輕型木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的研究還處于發(fā)展階段，盡管可制作和供應(yīng)適應(yīng)國內(nèi)市場需求的金屬連接材料，但其節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)大多依賴進(jìn)口，在一定程度上使節(jié)點(diǎn)技術(shù)的創(chuàng)新具有局限性。由于金屬材料的介入，木材和金屬之間不同的物理性能會產(chǎn)生相互作用，所以要特別注意節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處的防腐設(shè)計(jì)和防火設(shè)計(jì)。在發(fā)展綠色建筑與建筑裝配化的背景下，我國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑在木質(zhì)新材料、組合構(gòu)件和新型節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)等方面還具有很大的發(fā)展空間。