膠合木

何朝紅

引言

木結(jié)構(gòu)組合連接根據(jù)材料可分為以下四種：木材與木材、木材與鋼材、木材與混凝土、木材與其他材料。木材的順紋抗壓強(qiáng)度大于其順紋抗拉強(qiáng)度，是一種抗壓材料，而鋼材作為各向異性材料強(qiáng)度高，制作加工便利 ，木材與鋼材組合結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮材料性能，而螺栓連接作為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)一種重要金屬連接方式，具有簡潔，安裝和維修方便，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。廣泛運(yùn)用于大型現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中，如圖1、2。在我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)中的榫卯連接逐漸被金屬連接所替代，金屬連接大致分為銷類連接件、木結(jié)構(gòu)鉚釘、剪盤和裂環(huán)連接件、齒板連接件、構(gòu)架連接件以及梁托等，在我國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，螺栓連接屬于銷類連接件。從螺栓連接方式可分為單剪螺栓和雙剪螺栓，膠合木-鋼夾板螺栓連接結(jié)構(gòu)受力性能基于大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果來評價，受螺栓距離、厚徑比、含水率、群組作用等因素影響，多方面深入研究影響連接受力性能的因素，不僅為我國木結(jié)構(gòu)螺栓連接規(guī)范計算提供依據(jù)，而且能為優(yōu)化螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計和完善螺栓連接結(jié)構(gòu)承載力性能提供參考，對促進(jìn)膠合木-鋼夾板螺栓連接應(yīng)用具有重要意義。

螺栓連接承載力性能影響因素

1.螺栓的端距、中距及邊距

在1932年，Trayer提出中距、端距和邊距的概念，Wataru、Doyle 、Maik 、César分別螺栓距離對螺栓性能進(jìn)行了研究并有突出貢獻(xiàn)。采用膠合木-鋼夾板螺栓連接時，鋼材承壓強(qiáng)度比膠合木承壓強(qiáng)度大，螺栓連接的失效破壞模式直接受膠合木構(gòu)件上的邊距、端距及中距影響，以致影響到螺栓連接的承載力。如果邊距較小，銷類型連接的承載力強(qiáng)度通常只有主構(gòu)件承載力強(qiáng)度的0.4-0.6倍，會產(chǎn)生木材撕裂破壞，而中距和端距不足會導(dǎo)致木材順紋受剪破壞，這些破壞均為脆性破壞，在設(shè)計過程中應(yīng)盡量避免。當(dāng)中距、端距及邊距增大至一定程度時，就不會對螺栓連接承載力產(chǎn)生影響。

2.構(gòu)件厚徑比

在1987年，Soltis提出了厚徑比（ L/D）的概念。徐德良在木材—鋼夾板螺栓連接研究中分析了木材厚度對承載力的影響，螺栓連接破壞模式與厚徑比大小有關(guān)。隨著主構(gòu)件膠合木厚度的增大，由單純的銷槽承壓破壞演變?yōu)殇N槽承壓破壞與螺栓彎曲破壞同時發(fā)生，破壞模式由單純的脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變。對于單個螺栓，Saba對最優(yōu)化的雙構(gòu)件木材螺栓連接進(jìn)行研究，確定在節(jié)約材料的基礎(chǔ)上的主構(gòu)件最小厚度，以保證節(jié)點(diǎn)滿足屈服載荷條件下的使用要求。Yasamura發(fā)現(xiàn)當(dāng) L/D 值在2～6之間時，單個螺栓連接的極限載荷受端距和 L/D 值共同影響，然而一些學(xué)者用 L/D 值和其他相關(guān)因素來確定列修正系數(shù)，但尚未得出一致的結(jié)論。

3.含水率

含水率是影響膠合木強(qiáng)度的重要因素，主要在于影響膠合木的承壓強(qiáng)度，而纖維飽和點(diǎn)是木材性質(zhì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，木材纖維飽和點(diǎn)因樹種而異，一般為20%～30%。當(dāng)含水率低于纖維飽和點(diǎn)時，木材強(qiáng)度隨著含水率的降低而增大；當(dāng)含水率高于纖維飽和點(diǎn)時，木材強(qiáng)度受含水率影響小。在干燥條件下，連接試樣承載力強(qiáng)度降低且容易發(fā)生脆性破壞，在潮濕條件下，當(dāng)較大厚徑比連接試樣主要受彎曲載荷時會發(fā)生木材的撕裂破壞和銷槽承壓破壞，受含水率的影響較小。

4.載荷加載方式

鋼材是各向同性材料，而木材是一種各向異性且具黏彈性的材料，載荷的加載方向和持續(xù)時間均會對其強(qiáng)度產(chǎn)生影響，從而影響整個螺栓連接的承載力性能。就膠合木而言，一般充分利用順紋承壓強(qiáng)度，螺栓平行于木材紋理方向嵌入時，結(jié)構(gòu)具有較好的剛度和強(qiáng)度，但易發(fā)生脆性破壞。同一個膠合木螺栓連接疲勞極限荷載和靜力荷載也有所不同，荷載加載方式也是影響膠合木-鋼夾板螺栓連接承載力性能的重要因素。

5.群體作用因素

根據(jù)螺栓布置原則，通?？梢苑譃椴⒘泻湾e列2種排列形式。并列形式比較簡單整齊，設(shè)計安裝方便，所用連接板的尺寸小，廣泛應(yīng)用于螺栓連接中，但是螺栓孔對連接構(gòu)件截面的削弱較大，錯列形式可以減小螺栓孔對構(gòu)件截面的削弱，但螺栓孔排列布置錯開，連接板的尺寸較大。關(guān)于排列方式對螺栓連接承載力強(qiáng)度的影響，目前還沒有一致的結(jié)論，美國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，多行多列螺栓連接的承載強(qiáng)度等于每列中所有螺栓連接承載強(qiáng)度乘以各自的列修正系數(shù)后的總和。

6.其他因素

除了以上各種因素外，膠合木-鋼夾板螺栓連接承載力性能還受環(huán)境溫度、木材加工、防腐防潮防燃、試樣導(dǎo)向孔以及安裝方式等諸多因素的影響，鋼板與構(gòu)件間隙對載荷—變形曲線和表面屈服強(qiáng)度有影響，錯位和導(dǎo)孔過大均會降低螺栓連接的承載力強(qiáng)度。

我國在膠合木-鋼夾板螺栓連接承載力性能方面的研究較少，合理地借鑒國外的研究成果，激發(fā)我國螺栓連接結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性，促進(jìn)我國螺栓連接研究的發(fā)展，對加速我國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展和推廣具有重要意義。

（作者單位：中南林業(yè)科技大學(xué)）