木結構連接的介紹


摘 要: 節點設計是木結構的設計的重要環節。本文介紹了木結構建筑的幾種常用節點,闡述了不同連接的傳力特點、構造方法,并提出連接設計中應考慮的因素,以期對中國的木結構設計起一定的積極作用。

關鍵詞: 木結構 連接 節點An Overview of Connections in Timber StructureXie 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 joint1 前言木材作為建筑材料具有重量輕、強度高、美觀、加工性能好等特點 ,因此自古以來就受到人們偏愛?,F代木結構房屋更具有綠色、生態、環保、可再生利用等特點,是人類最理想的居住環境?,F代木結構住宅建筑在世界上許多國家己很普遍。在北美,木結構住宅處于市場主導地位。75%的人居住在木制房屋里,尤其是高檔別墅幾乎全部是木制的。在加拿大,木材工業是國家支柱產業之一,其木結構住宅的工業化、標準化和配套安裝技術非常成熟。在日本,大量的住宅是利用木材、膠合木和水泥刨花板建造的,目前日本新建住宅房屋中,有半數以上是木結構.在北歐的芬蘭和瑞典,民居住房的90%為一層或二層的木結構建筑。我國目前國內己有2000 多個木結構房屋,還有600 多個正在建設中,絕大多數都采用國外材料和技術。在北京上海、廣州、南京、蘇州、深圳、大連、重慶等城市,己連續開發了許多木結構房屋示范項目。木結構的設計中最困難也是最重要的一個環節就是節點設計,所以對于節點的研究非常重要。本文則介紹了幾種木結構節點形式,闡述了其構造方法和傳力特點,并提出了連接設計中需要考慮的因素。

2 連接類型根據連接受力情況不同,有的是直接傳力,有的是通過連接件間接傳力,常見的有齒連接、銷連接和通過金屬連接件進行連接。

2.1 齒連接齒連接是將受壓構件的端頭做成齒榫,在另一構件上鋸成齒槽,使齒榫直接抵承在齒槽內,通過抵承面的承壓工作傳力。因此,齒連接只能用來傳遞壓力,這是它的特點。齒連接構造簡單,傳力明確,可用簡單工具制作,由于其構造外露,易于檢查施工質量和觀測工作情況。但齒連接由于在構件上刻槽,對構件截面削弱較大,從而增加木材從而增加木材用量;在齒槽中除承壓工作外,尚伴隨著脆性的剪切工作,同時只能用于手工操作,要技術級別較高的木工進行制作,方能保證連接質量。

齒連接分為單齒連接和雙齒連接,如上圖,需要注意的是:

(1)承壓面應與所連接的壓桿軸線垂直,使壓力明確地作用在該承壓面上,并保證剪力面上存在橫向緊力,以利于木材剪切工作;(2)壓桿軸線應通過承壓面的形心;(3)當用濕材制作時,還要考慮木材發生端裂的可能性。為此,橫加支座節點連接的剪面長度應比計算值大50mm;(4)木桁架支座節點必須設置保險螺栓、附木和經過防腐處理的墊木。對于齒連接的計算需要驗算木材的承壓、受剪和受拉強度。

2.2 銷連接普通的銷連接銷是用鋼或者木做成圓桿狀或者片狀,用以阻止被連接構件相對移動的連接物。在連接中,銷主要受彎,木構件主要承壓。這兩種工作都有比較好的塑性,因而銷連接是一種比較可靠的連接。屬于圓桿狀的,有螺栓、釘、圓鋼銷、螺釘、玻璃鋼圓銷等;屬于板片狀的,有玻璃鋼板銷,鋼板銷等。上述各種銷中,以螺栓和釘應用最廣,一般木結構均可采用。當受使用條件限制,不允許在結構中使用金屬配件時,可采用玻璃鋼銷。在橋梁結構中,有時可采用鋼板銷。

以上節點處如木構件太薄,破壞多數是由木材銷槽處劈開,特別是在構件很薄得拉力接頭中表現得更明顯。因此,為了簡化計算和確保連接受力安全,現行規范對螺栓連接的木構件做了最小厚度的規定,具體可參照木結構設計規范。

特殊的銷連接空心鋼銷連接:國外木結構發展比較迅速,現已有空心鋼銷連接的研究及應用。傳統的實心鋼銷一般直徑比較大,并且增加了木構件脆性破壞的可能性??招匿撲N根據孔壁厚度的不同,可以提供可變的扣件剛度。通過試驗,運用空心鋼銷的節點明顯提高了其延展性,在達到節點剛度要求的前提下,它具有非常好的耗能能力,并且其決定因素在于孔壁的相對厚度。

用環氧膠粘劑填充的鋼棒連接:此種銷連接一般用來連接比較厚的木梁和預制鋼架。澳大利亞的研究人員已對其進行了原型抗拉、抗彎試驗,并運用在了實際工程當中。此類連接中,十子交叉和傾斜的鋼棒極大得提高了連接的抗拉能力。在構造要求中,傾斜部分應該位于截面中部,并且尺寸應該和所有鋼棒相差不大。

2.3 采用鋼構件連接的節點形式在大型木建筑設計中,結構跨度及構件尺寸相對較大,傳統的結構形式無法滿足大型結構的要求,結構設計往往會更多的引用鋼結構的設計方法,節點處也會積極地使用金屬構件或者鋼結構節點來滿足結構的要求。輕微結合處可以采用釘子或者螺栓等小型鋼構件進行連接;大型結構中則常在集成材的結合處插入鋼板與木構件固定,鋼板之間或者鋼板與混凝土基礎之間采用螺栓等鋼構件進行連接。在大跨木結構中,這些剛節點處理方法可以有效地解決節點的結構問題,為設計帶來新的突破。

齒板連接齒板由鍍鋅鋼板經單向打齒制成。齒的形狀因生產商而異。在國外,齒板被廣泛用于由規格材制成的輕型木桁架節點連接或木構件的接長與接厚。根據加拿大木結構設計規范,采用齒板連接而成的 輕型木桁架跨度可達30 米余米。

齒板連接的構造要求為:

(1)齒板應成對對稱設置于構件連接節點的兩側;(2)采用齒板連接的構件深度應不小于做板齒承載力試驗事板齒嵌入試件的深度。

(3)齒板連接處構件無缺棱、木節孔等缺陷。

(4)拼裝完成后齒板無變形。

其他鋼構件連接在國外的實際工程中常常還有特殊的金屬連接件其結構分工通常是:木結構作為主體結構;鋼結構作為輔助結構穿插于木結構之間,同時應用于節點設計之中;鋼筋混凝土結構則往往作為建筑的基座和墻體,避免木結構直接與地面接觸并增加建筑整體的穩定性。

由于以上連接件都是使用U 型件或者T 型件和螺栓進行連接,所以受力形式已不僅僅是單純的雙剪或者單剪,需要過試驗結果具體分析節點的綜合受力性能。影響此類連接性能的因素主要有連接件鋼板的厚度、螺栓的直徑,木材的承壓強度,也必須通過試驗來驗證,為設計提供依據。

3 連接設計中應考慮的因素木結構的連接設計中,在確定連接承載力時,要考慮的因素包括:樹種(重要是考慮相對密度)、保證傳力途徑、木材的含水率;關鍵截面;連接件的類型及組合作用等。木結構構件連接的承載力的設計值與構件的相對密度有關。在銷連接中,木構件對于銷槽承壓強度與銷的尺寸以及木材的局部承壓強度有關。對于大直徑的連接件,荷載與木紋的夾角也影響銷槽的承壓強度。設計構件連接時,應保證連接件能有效地傳遞荷載。木材在橫紋和順紋方向強度不一樣。木材的橫紋受拉強度,比橫紋受壓低得多。設計中應該考慮這些因素。設計傳遞豎向荷載的連接時,應充分利用木材順紋抗強度高的特點。例如梁應位于柱或墻頂,或安裝在梁托中。木材的含水率也危及到長期的連接性能,尤其是釘子會因含水量下降,木材干燥,而自動脫落出來。所以構件的連接設計除了保證強度和傳遞荷載外,還應該從設計和構造結點上允許構件收縮和膨脹。所以應避免在橫紋方向在同一塊連接板上布置一排較多的螺栓,因為木構件在實際使用條件下,會繼續收縮。關鍵截面是指木構件連接中,與構件縱軸垂直的截面。該截面面積等于構件截面面積減去連接件在該截面上的投影面積,如果有其他開孔,當開孔投影面積在連接件投影面積以外時,還應減去開孔的投影面積。不同連接件的投影面積的計算有所不同。在連接設計中尤其要注意,由于連接件的類型不同,所以傳力途徑不同,設計方法也要相應有所側重。如荷載被一排連接件承受時,荷載并不是平均分配到每個連接件上,而是端部連接件比中間連接件承擔較重的荷載。荷載的分配根據主要構件與次要構件的對比剛度來定。

4 齒板連接的算例弦桿端點設計(見下圖)已知條件:

節點幾何位置:弦坡度:4:12;下弦坡度:0:12;節點受力情況:上弦桿:F1=11.845kN;下弦桿:F2=11.298 kN;齒板極限抗剪承載力(N/mm)解:

上弦桿齒板節點(1) 齒板承載力驗算(2) 齒板抗滑移承載力驗算(3) 齒板剪-拉承載力驗算同理可以驗算下弦齒板節點的承載力均符合設計要求。

5 結論由于木結構房屋的許多優良特性,越來越受到人們的關注和青睞。本文概括得介紹了木結構建筑中的幾種連接形式,以及一些運用特殊金屬構件進行連接的方法,并闡述了節點設計中需要注意的一些因素。由于人們生活節奏的加快,木結構節點的設計也必將向著施工簡單化,效率化發展。用鋼構件進行連接就是一個很好的方法,但仍需要研究人員進行大量的試驗,為設計師提供有力的支持。


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