膠合木

何朝紅

引言

木結構組合連接根據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。木材的順紋抗壓強度大于其順紋抗拉強度，是一種抗壓材料，而鋼材作為各向異性材料強度高，制作加工便利 ，木材與鋼材組合結構能充分發揮材料性能，而螺栓連接作為現代木結構一種重要金屬連接方式，具有簡潔，安裝和維修方便，安全可靠等優點。廣泛運用于大型現代木結構中，如圖1、2。在我國傳統木結構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、木結構鉚釘、剪盤和裂環連接件、齒板連接件、構架連接件以及梁托等，在我國木結構設計規范中，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-鋼夾板螺栓連接結構受力性能基于大量實驗結果來評價，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，不僅為我國木結構螺栓連接規范計算提供依據，而且能為優化螺栓結構設計和完善螺栓連接結構承載力性能提供參考，對促進膠合木-鋼夾板螺栓連接應用具有重要意義。

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行了研究并有突出貢獻。采用膠合木-鋼夾板螺栓連接時，鋼材承壓強度比膠合木承壓強度大，螺栓連接的失效破壞模式直接受膠合木構件上的邊距、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度通常只有主構件承載力強度的0.4-0.6倍，會產生木材撕裂破壞，而中距和端距不足會導致木材順紋受剪破壞，這些破壞均為脆性破壞，在設計過程中應盡量避免。當中距、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生影響。

2.構件厚徑比

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。隨著主構件膠合木厚度的增大，由單純的銷槽承壓破壞演變為銷槽承壓破壞與螺栓彎曲破壞同時發生，破壞模式由單純的脆性破壞向延性破壞轉變。對于單個螺栓，Saba對最優化的雙構件木材螺栓連接進行研究，確定在節約材料的基礎上的主構件最小厚度，以保證節點滿足屈服載荷條件下的使用要求。Yasamura發現當 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，然而一些學者用 L/D 值和其他相關因素來確定列修正系數，但尚未得出一致的結論。

3.含水率

含水率是影響膠合木強度的重要因素，主要在于影響膠合木的承壓強度，而纖維飽和點是木材性質的轉折點，木材纖維飽和點因樹種而異，一般為20%～30%。當含水率低于纖維飽和點時，木材強度隨著含水率的降低而增大；當含水率高于纖維飽和點時，木材強度受含水率影響小。在干燥條件下，連接試樣承載力強度降低且容易發生脆性破壞，在潮濕條件下，當較大厚徑比連接試樣主要受彎曲載荷時會發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時間均會對其強度產生影響，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度，螺栓平行于木材紋理方向嵌入時，結構具有較好的剛度和強度，但易發生脆性破壞。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

根據螺栓布置原則，通常可以分為并列和錯列2種排列形式。并列形式比較簡單整齊，設計安裝方便，所用連接板的尺寸小，廣泛應用于螺栓連接中，但是螺栓孔對連接構件截面的削弱較大，錯列形式可以減小螺栓孔對構件截面的削弱，但螺栓孔排列布置錯開，連接板的尺寸較大。關于排列方式對螺栓連接承載力強度的影響，目前還沒有一致的結論，美國木結構設計規范中規定，多行多列螺栓連接的承載強度等于每列中所有螺栓連接承載強度乘以各自的列修正系數后的總和。

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境溫度、木材加工、防腐防潮防燃、試樣導向孔以及安裝方式等諸多因素的影響，鋼板與構件間隙對載荷—變形曲線和表面屈服強度有影響，錯位和導孔過大均會降低螺栓連接的承載力強度。

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，激發我國螺栓連接結構的創新性，促進我國螺栓連接研究的發展，對加速我國現代木結構的發展和推廣具有重要意義。

（作者單位：中南林業科技大學）