日本落葉松規格材齒板節點承載性能*

王 滋 王 麗 武國芳 任海青 趙榮軍,2(中國林業科學研究院木材工業研究所 北京0009； 2. 中國林業科學研究院林業新技術所 北京0009)

日本落葉松規格材齒板節點承載性能*

王 滋1王 麗1武國芳1任海青1趙榮軍1,2
(中國林業科學研究院木材工業研究所 北京100091； 2. 中國林業科學研究院林業新技術所 北京100091)

【目的】 研究國產規格材與國產齒板連接節點的拉伸及抗剪承載性能，為國產建筑材料的開發利用提供參考。【方法】 以采自遼寧清原大孤家林場的日本落葉松規格材及市購國產齒板為試驗材料，設計制作4種工況下的板齒極限強度試件及10種工況下的齒板抗剪強度試件，通過拉伸和剪切試驗，研究不同工況下日本落葉松齒板連接節點的板齒極限強度和齒板抗剪強度，并與進口齒板和進口SPF規格材進行對比。【結果】 日本落葉松與國產齒板連接節點的板齒極限強度在AA、AE、EA和EE 4種工況下分別為3.50、2.53、2.61和2.37 N·mm-2，通過比較日本落葉松與國產齒板、進口齒板2組結果，除EA工況下進口M20齒板強度略低外，在AA、AE和EE 3種工況下分別高于國產齒板10.57%、21.34%和9.28%，對比進口M20齒板與日本落葉松、進口SPF 2組結果，在AA、AE、EA和EE 4種工況下與日本落葉松的組合分別高于與進口SPF的組合36.27%、50.49%、30.00%及40.00%； 齒板抗剪強度在θ=0°、θ=90°、θ=30° T、θ=60° T、θ=120° T、θ=150° T、θ=30° C、θ=60° C、θ=120° C和θ=150° C 10種工況下分別為132.39、122.73、135.66、199.13、92.26、172.76、99.81、89.52、79.10和85.68 N·mm-1， 除剪-拉復合受力情況下θ=120°時國產齒板和日本落葉松組合的齒板受剪極限強度較小外，其他工況均大于進口齒板與進口SPF的節點組合。【結論】 板齒極限強度試驗在4種工況下的破壞方式均為齒拔出破壞，齒板抗剪強度試驗主要破壞方式為木材接縫處開裂、齒板端部齒拔出和齒板在木材接縫處翹曲等；荷載方向對齒板連接節點承載力影響較大；國產齒板和國產日本落葉松的齒板連接性能較好，且優于常見進口齒板和進口SPF的節點組合，可進一步研究國產齒板和國產日本落葉松制成輕型木桁架的承載性能，為完善我國木結構建筑體系提供科學依據。

日本落葉松； 國產齒板； 板齒極限強度； 齒板受剪極限強度

近年來，隨著我國人民居住環境不斷改善，建材行業作為國民經濟的基礎性產業得到了巨大發展；同時，傳統建材行業作為一個資源消耗大、能源消耗大、環保問題突出的產業，消耗的能源和資源分別占全社會總能耗的30%和資源用量的40%～50%(吳星， 2005)，其發展模式和方向不得不引人深思(張人為， 2003)。輕型木結構建筑是一種在北美及其他地區較為流行的建筑形式，其以可再生木材為主要材料，具有節能環保、輕質高強、抗震性好等優點(陳佛喜等， 2009)。然而，我國木結構建筑材料主要依賴進口，建造成本較高致使推廣受限，開發利用國產材料是降低其建造成本的必要途徑。

輕型木桁架是輕型木結構建筑的主要承重構件，一般由規格材制作桁架桿件，并由齒板在節點處將各桿件連接形成(王滋等， 2016)。輕型木桁架的承載性能主要取決于規格材與齒板連接節點處的連接性能，目前國內學者對進口齒板和進口規格材的連接性能研究較多，如在齒板方面，何桂榮等(2010)對國產正交主軸齒板的各項承載性能進行了試驗分析，并與進口M20齒板進行對比，發現國產正交主軸齒板的延性及抗震性能良好； 蔣垠蘢等(2013)研發了六邊形齒板，與普通齒板對比發現,六邊形齒板的抗拉及抗剪承載力明顯提高，并且具有良好的延性和抗震性能； 王麗等(2016)研發了3種改進國產齒板并進行試驗研究，發現齒刻痕、邊緣齒加長以及去除連接處齒板均能較好提高齒板的承載性能。但對于構件采用國產材料的研究尚少，在規格材方面，國內相關學者研究發現國產鐵杉(Tsugachinensis)(楊陽等， 2013)、興安落葉松(Larixgmelinii)(葉虹等， 2012； 楊陽等， 2013； 郭偉等， 2010； 席佳等， 2009)及膠合竹(伍金梅等， 2016)等材料齒板節點連接性能均較好，可作為結構材開發利用。

鑒于此，本文以國產日本落葉松(Larixkaempferi)規格材和國產齒板為主要試驗材料，通過板齒極限強度試驗以及齒板抗剪強度試驗，研究國產落葉松材料的齒板節點承載性能，以期為開發利用我國國產結構材料提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 規格材 國產日本落葉松采自遼寧清原大孤家林場，試驗用規格材選用Ⅲc級，含水率約為12%，氣干密度為0.62 g·cm-3，順紋彈性模量為12.27 GPa，規格材的橫截面尺寸為38 mm×89 mm，制作節點時避開節疤、開裂等缺陷。

1.1.2 齒板 國產普通齒板市購，采用Q235碳素結構鋼制成，齒板厚度約1 mm，齒長約10.45 mm，齒寬約3.45 mm，齒密度106～108 dm-2。其中，齒板的主軸方向為沖孔的長軸方向(圖1箭頭方向)。

圖1 齒板示意Fig.1 Photograph of a truss plate

1.2 試驗方法

齒板連接節點強度試驗按照《木結構設計規范》(GB 50005—2003)附錄M和《輕型木桁架技術規范》(JGJT 265—2012)附錄A進行。

1.2.1 板齒極限強度試驗 板齒極限強度試件用規格材尺寸為38 mm×89 mm×300 mm，在規格材端距90 mm處鉆孔，孔徑為18 mm，齒板尺寸為75 mm×103 mm； 根據《木結構設計規范》附錄M規定，基于荷載方向與木材紋理及齒板主軸方向不同，按圖2所示4種工況進行試驗： 1) 荷載平行于木紋及齒板主軸(α=0°，θ=0°，AA)； 2) 荷載平行于木紋但垂直于齒板主軸(α=0°，θ=90°, AE)； 3) 荷載垂直于木紋但平行于齒板主軸(α=90°，θ=0°, EA)； 4) 荷載垂直于木紋及齒板主軸(α=90°，θ=90°, EE)。其中α表示荷載與木紋的夾角，θ表示荷載與齒板主軸的夾角。每種工況重復試件為5個。板齒極限強度試驗為拉伸試驗，采用WDW-300E萬能力學試驗機進行(試驗機不具備適合本試驗的夾具，采用自制夾具進行試驗，試件上下兩端通過螺栓與夾具連接)； 采用YHD-100型位移引伸計記錄節點連接處位移變化。試驗加載速度為1～1.5 mm·min-1，每個試件試驗時間為10 min左右，當荷載出現明顯下降時停止試驗。

圖2 板齒極限強度試件示意Fig.2 The scheme of tension test specimen for lateral resistance of teeth

圖3 齒板抗剪強度試件示意Fig.3 The scheme of compression test specimen for shear resistance

1.2.2 齒板抗剪強度試驗 齒板抗剪強度試驗采用雙剪連接試件，其中主材尺寸為38 mm×184 mm×300 mm，側材尺寸為38 mm×89 mm×300 mm，齒板尺寸為50 mm×150 mm。根據齒板受力情況不同，分為齒板純剪、剪-拉復合受力(用字母T表示)和剪-壓復合受力(用字母C表示)3類。根據《木結構設計規范》附錄M規定，基于荷載與齒板主軸的夾角不同，共分為10種工況試件形式(圖3，其中圖3c-f均代表2種工況)，每種工況重復試件為3個。齒板抗剪強度試驗采用Instron5582萬能力學試驗機進行，試件直接置于臺座上，采取下壓加載方式。試驗加載速度為1～1.5 mm·min-1，每個試件試驗時間為10 min左右，當荷載出現明顯下降時停止試驗。

為確保齒板位于節點中心以及兩側齒板對稱，在齒板壓入前需在對應位置繪制齒板中軸線及齒板邊界線，以確定齒板壓入位置。通過手動控制平壓機壓入齒板，當齒板與木材之間無空隙時停止操作，完成后翻轉試件，壓入另一側齒板。加工完的試件在溫度20 ℃、相對濕度65%的環境中養護1周。

2 結果與分析

2.1 試驗現象與破壞形式

2.1.1 板齒極限強度試驗 板齒極限強度的破壞形式為齒拔出破壞，如圖4所示。試驗過程中，隨著拉力不斷增大，板齒發生轉動，沿拉力方向傾斜； 拉力繼續增加，邊緣處板齒開始拔出，最終節點破壞。由荷載-位移曲線(圖5)可以看出，加載初期荷載-位移曲線基本為線性； 隨著邊緣齒的傾斜及拔出，節點剛度呈降低趨勢； 隨著位移增加，板齒持續拔出，當節點處板齒大部分拔出時，節點失去承載能力，試件破壞。

圖6 主要破壞形式Fig.6 Failure mode of test specimen for shear resistance of truss plate

圖4 齒拔出破壞Fig.4 Failure mode of test specimen for lateral resistance of teeth

圖5 齒板極限強度試驗荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curve of tension test for lateral resistance of teeth

2.1.2 齒板抗剪強度試驗 齒板抗剪試驗按照齒板受力情況可分為3類： 純剪受力(圖3a、b)、剪-拉復合受力(圖3c、d)和剪-壓復合受力(圖3e、f)。在純剪受力情況下，主要破壞形式為齒板剪切破壞，表現為在木材接縫處齒板剪切破壞(圖6a)。由荷載-位移曲線(圖7a)可知，在受力初期節點剛度較大，曲線呈線性趨勢增加； 隨著變形增加，木材接縫處齒板開始扭曲，節點剛度明顯下降，曲線依然呈上升趨勢； 隨著變形繼續增加，木材接縫處齒板扭曲變形增加，板齒與木材發生剪切，剪切破壞處有木屑掉落； 當節點達到極限荷載時，齒板在木材接縫處開裂，荷載-位移曲線下降明顯，試驗結束。

在剪-拉復合受力情況下，主要破壞形式為齒板在木材接縫處開裂，部分伴有齒板端部齒拔出(圖6b)。由荷載-位移曲線(圖7b)可知，在受力初期節點剛度較大，曲線近似于直線； 隨著變形增加，齒板端部開始翹曲，節點剛度降低； 隨著變形繼續增加，齒板在木材接縫處發生剪切變形，在端部發生齒拔出，節點破壞。

在剪-壓復合受力情況下，主要破壞形式為木材接縫處齒板翹曲(圖6c)。由荷載-位移曲線(圖7c)可知，在受力初期節點剛度較大，曲線呈線性趨勢增加； 隨著荷載增加，齒板在木材接縫處發生扭曲變形，且隨著試驗進行變形逐漸增大； 到達最大荷載時，齒板在木材接縫處翹曲，并伴有齒拔出，節點強度逐漸降低，試驗結束。

圖7 荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of test for shear resistance of truss plate

2.2 板齒極限強度

根據《木結構設計規范》附錄M規定，板齒極限強度為試驗值中3個最小值的平均值，計算可得板齒極限強度。為了更準確地分析國產齒板和國產日本落葉松的連接性能，將國產齒板和國產日本落葉松的組合與進口M20齒板和國產日本落葉松的組合(王麗等， 2016)、進口M20齒板和進口SPF的組合(何桂榮， 2010)進行對比，詳見表1。

表1 不同組合齒板連接的板齒極限強度對比①Tab.1 Comparison of lateral resistance of teeth

①進口齒板由ASTM A-653、 Grade 40結構鋼制作； 進口SPF等級為No.2北美云杉。下同。M20 truss plate is made of ASTM A-653, Grade 40 structural steel; imported spruce is grade No.2 North American spruce.The same below.

表1給出了3種組合方式下的板齒極限強度，國產齒板和日本落葉松組合節點的板齒極限強度在AA構型下呈最大值，在EE構型情況下板齒極限強度最小，與其他2種組合相符(王麗等，2016； 何桂榮等， 2010)。當荷載與木紋的夾角α=0°時，荷載與齒板主軸的夾角θ等于0°比90°時板齒的極限強度高27.7%； 當荷載與木紋方的夾角α=90°時，荷載與齒板主軸的夾角θ等于0°比90°時板齒的極限強度低9.2%。由此可知，當荷載平行于齒板主軸方向時板齒極限強度較大，主要原因是當荷載平行于齒板主軸方向施加時為齒寬面受力，與齒窄面受力相比受力分布更均勻，表現為板齒極限強度較大。當荷載與齒板主軸的夾角θ=0°時，荷載與齒板主軸的夾角α等于0°比90°時板齒的極限強度低25.6%； 當荷載與齒板主軸的夾角θ=90°時，荷載與齒板主軸的夾角α等于0°比90°時板齒的極限強度低6.3%。由此可知，當荷載平行于木紋方向時板齒極限強度較大(劉英利等， 2007)，主要原因是當荷載垂直于木紋方向時，隨著荷載增加木材易沿紋理方向出現開裂，導致板齒拔出破壞。

通過比較日本落葉松與國產齒板、進口齒板2組結果，除EA構型下進口M20齒板強度略低外，在AA、AE和EE 3種工況下分別高于國產齒板10.57%、21.34%和9.28%，由此可知國產齒板板齒極限強度低于進口M20齒板，還有待進一步研究提高。對比進口M20齒板與日本落葉松、進口SPF 2組試驗結果，在AA、AE、EA和EE 4種工況下，與日本落葉松的組合分別高于與進口SPF的組合36.27%、50.49%、30.00%和40.00%，由此可知與齒板連接的規格材性能明顯影響板齒極限強度，而國產日本落葉松性能較同等級進口SPF更好。對比國產齒板和日本落葉松組合及進口M20齒板和進口SPF組合2組結果，前者在4種工況下均高于后者，由此可知國產齒板和國產日本落葉松的齒板連接性能較好。

2.3 齒板受剪極限強度

根據《木結構設計規范》附錄M規定，齒板受剪極限強度為3個齒板受剪極限強度試驗值中2個最小值的平均值，計算可得齒板受剪極限強度。同時對國產齒板和日本落葉松組合及進口M20齒板和進口SPF規格材節點組合進行對比(何桂榮等， 2010)，詳見表2。

表2 不同組合齒板受剪極限強度對比Tab.1 Comparison of shear resistance of truss plate

由表2可知，除剪-拉復合受力情況下θ=120°時國產齒板和日本落葉松組合的齒板受剪極限強度較小外，其他工況均較大，而且2種組合在剪-拉復合受力及剪-壓復合受力情況下，隨著角度不同變化趨勢相似。在純剪受力情況下，荷載與齒板主軸的夾角θ=0°時抗剪強度略大于θ=90°； 在剪-拉復合受力情況下，當θ=60°時抗剪強度最大、θ=120°時抗剪極限強度最小； 而在剪-壓復合受力情況下，當θ=30°時出現最大值、θ=120°時抗剪極限強度最小，與羅歡等(2014)研究結論相似，主要原因可能是在θ=30°齒板凈表面積(去除齒槽)較大； 同時可知，剪-拉復合受力情況下極限強度均高于純剪受力情況，而剪-壓復合受力情況下抗剪極限強度較低，原因是剪-壓復合受力情況下主要為齒板面板的屈曲破壞，面板的屈曲承載力遠低于抗拉破壞承載力。

3 結論

1) 板齒極限強度試驗在AA、AE、EA和EE 4種工況下的破壞方式均為齒拔出破壞； 齒板抗剪強度試驗按照齒板受力情況不同可分為純剪受力、剪-拉復合受力和剪-壓復合受力3類，3種受力情況下主要破壞方式分別為木材接縫處開裂、齒板端部齒拔出與齒板在木材接縫處開裂和木材接縫處齒板翹曲。

2) 荷載方向對齒板連接節點承載力影響較大。日本落葉松和國產齒板連接節點的板齒極限強度在AA、AE、EA和EE 4種工況下分別為3.50、2.53、2.61和2.37 N·mm-2，板齒極限強度在荷載平行于齒板主軸及木紋方向時最大，在荷載垂直于齒板主軸及木紋方向時最小； 齒板抗剪強度在θ=0°、θ=90°、θ=30° T、θ=60° T、θ=120° T、θ=150° T、θ=30° C、θ=60° C、θ=120° C和θ=150° C 10種工況下分別為132.39、122.73、135.66、199.13、92.26、172.76、99.81、89.52、79.10和85.68 N·mm-1，3種主要受力情況下齒板的受剪極限強度最大值為剪-拉復合受力情況，其次為純剪受力情況，最低為剪-壓復合受力情況。

3) 當齒板種類相同時，國產日本落葉松規格材節點承載性能較同等級進口SPF更好，與常用的進口SPF和進口M20齒板連接節點相比，國產日本落葉松和國產齒板連接節點在板齒極限強度和齒板抗剪強度2方面均較高，可深入研究國產齒板與國產日本落葉松制成輕型木桁架的承載性能，為進一步完善我國木結構建筑體系提供參考。

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(責任編輯 石紅青)

BearingPerformanceofTrussPlateJointwithDomesticLarchDimensionLumber

Wang Zi1Wang Li1Wu Guofang1Ren Haiqing1Zhao Rongjun1,2
(1.ResearchInstituteofWoodIndustry，CAFBeijing100091； 2.ResearchInstituteofForestryNewTechnology，CAFBeijing100091)

【Objective】 This research aims to investigate the bearing performance of domestic dimension lumber joints connected with domestic truss plate, and to offer a reference for the development and utilization of domestic building materials.【Method】Larixkaempferidimension lumber harvested from Dagujia Forest Farm of Qingyuan Country, Liaoning Province, and domestic truss plates were selected as the experimental materials. The lateral resistance of teeth in four conditions was tested, with five repeated specimens for each condition. The shear strength in ten conditions was tested, with three specimens for each condition. The bearing capacity ofL.kaempferijoints connected by truss plates under different working conditions were investigated and compared with imported truss plates and imported SPF dimension lumbers.【Result】 The result shows that lateral resistances of teeth under conditions of AA, AE, EA, EE are 3.50, 2.53, 2.61 and 2.37 N·mm-2,respectively. The strength of imported M20 truss plate is slightly lower than that of domestic truss plate under the EA working condition.While show 10.57%, 21.34%, 9.28% higher, respectively, under circumstances of AA, AE, EE by comparing the result of the two samples, which areL.kaempferijoints connected by domestic truss plates and those by import truss plates. On the other hand, the lateral resistances of teeth tested with import M20 truss plates connected byL.kaempferiare 36.27%, 50.49%, 30.00% and 40.00% higher than those by SPF under the four working conditions of AA, AE, EA, EE,respectively. The shear strengths of plate are 132.39, 122.73, 135.66, 199.13, 92.26, 172.76, 99.81, 89.52, 79.10 and 85.68 N·mm-1respectively under working conditions ofθ=0°,θ=90°,θ=30° T,θ=60° T,θ=120° T,θ=150° T,θ=30° C,θ=60° C,θ=120° C as well asθ=150° C. The strengths of domestic truss plates connected withL.kaempferiare higher than those of imported truss plates connected with SPF except one when tested underθ=120° with shearing and tension.【Conclusion】 The failure modes are identical for lateral resistance of teeth under four conditions,which was pulling out of the teeth.For shear strength test,the failure modes are splitting of dimension members at the abutting area,pulling out of teeth at the end of truss plate and warping of truss plate.Loading direction has significant impact on the bearing capacity of the truss plate joints.Compared with the imported truss plate connected SPF joints with, the load carrying performance of domestic truss plate connectedLarixkaempferijoints with is better. Further research onL.kaempferiwood trusses connected with domestic truss plates may provide a scientific basis for development of Chinese wood structure system.

Larixkaempferi； domestic truss plate； ultimate lateral resistance of teeth； shear strength of truss plate

10.11707/j.1001-7488.20171118

2016-12-19;

2017-06-15。

“十二五”國家支撐計劃課題“結構用木質復合材料構件制造技術研究”(2015BAD14B0502)； 國家林業局林業科技成果推廣項目“新型國產材木結構墻體與桁架連接技術應用與示范”(201409)。

*趙榮軍為通訊作者。

TU366.2

A

1001-7488(2017)11-0157-07