木材和混凝土橫向釘連接效果討論分析★

蔡紹祥 程 宇 劉 航

(南通職業大學,江蘇 南通 226007)

1 釘連接在木結構中的應用特點

在木材結構中，節點的連接是最薄弱的點。設計不當時造成許多設計缺陷和其機械性能方面的缺點，特別是其硬度在結構的應力分布中起著至關重要的作用。通常木材連接比金屬連接更不易受到影響。例如，由于相對較低的嵌入強度和低強度的木材在剪切，特別是在垂直于晶粒的張力方面不易受影響。通常木材與木材之間通過木榫接頭或角撐板接頭連接，也有通過粘合劑(膠水)或推力銷型緊固件(螺栓，螺絲，釘子)。釘子代表了連接木材構件的最簡單的方法。它們的簡單的作用為緊固件，簡單連接到應用的部件上去，是其主要的優勢。連接木、鋼或人造板的側面部位，釘主要應用在單剪切方向，從不在木紋方向，因為這個方向張力比較集中。它們通常有圓形或方形，其圓形的直徑為2 mm～6 mm，方形的長度為30 mm～200 mm。多年來，釘在建筑中的使用是基于經驗法則的應用。

所以大多數的舊的設計過程中沒有考慮用釘子，甚至禁止它們在結構上的應用。如今歐洲標準是公認的橫向載荷的確定和榫型緊固件的能力測定的方法，尤其是延時破壞性能。在該理論的基礎上所得到的方程可以預測一個單一的緊固件，每剪切平面，加載垂直于它的軸線的性能，這些能力取決于木材和緊固件的材料性能和連接的幾何形狀。這些連接的變形行為是基于滑動模量和一個緊固件每剪切面，可以通過測試進行預測。主要根據歐洲標準26891:1991。或者使用表達式在歐洲規范5進行計算出來。

2 釘連接在木結構和混凝土中的應用特點

榫型緊固件其常見的應用是在復合木材和混凝土板。經常用于修復工程，尤其是當舊的木板的承載需要改善時，這個復合系統由木構件在拉伸區，薄薄的一層由緊固件或特殊的連接裝置連接在一起的壓縮區。復合木材—混凝土系統的結構產生的作用不僅對木地板的強化以及混凝土板的強度都有影響。而且在提高隔音、熱慣性和消防安全與傳統的解決方案相比，有以下復合系統的結果：比其他的控制強制混凝土系統有較低的比重；有更高的承載能力和更高的抗彎剛度；其性能在平面內更加優異；增強振動控制的地板。木材—混凝土連接，控制這種系統的結構行為，經常是通過釘子、螺絲或鋼棒，可分類為銷型緊固件。這種技術所取得的良好效果，在歐洲規范5銷型緊固件使用時，木材，混凝土的連接沒有具體的分析方法。在歐洲標準5應用時，它是假定滑動模量是和木材與木材類似系統的連接方法得出模量的雙倍。本討論的是應用在歐洲標準所得出的釘連接的橫向載荷能力的方法論的準確性，特別是在復合木材—混凝土中的應用的準確性。

3 木結構部件連接的特點

在木材結構中，節點的連接是最薄弱的點。設計不當時造成許多設計缺陷和其機械性能方面的缺點，特別是其硬度在結構的應力分布中起著至關重要的作用。在硬度作用方面，通常木材連接比金屬連接更不易受到影響。例如，在剪切方向相對較低的嵌入強度和剪切強度，特別是在垂直紋理方向的抗拉強度。通常木材與木材之間通過木榫接頭或角撐板接頭連接，也有通過粘合劑(膠水)或橫向載荷銷型緊固件(螺栓，螺絲，釘子)連接。釘子代表了連接木材構件的最簡單的方法。作為緊固件它們的簡單之處，是能簡單的連接部件，這才是其主要的優勢。

連接木材、鋼材或人造板的側面部位，釘主要應用在單剪切方向，從不應用在木紋方向，即順著紋理拉力的方向。它們通常有圓形或方形，其圓形的直徑為2 mm～6 mm，方形的長度為30 mm～200 mm。多年來，釘在建筑中的使用是基于經驗法則的應用。所以大多數的舊的設計規則中沒有考慮用釘子，甚至禁止它們在結構上的應用。如今歐洲生產模型設計的試驗，最初提出的是在歐洲標準里的發現結果，是公認的確定銷型緊固件的橫向載荷能力測定的方法，尤其是其韌性方面的破壞性能。在該理論的基礎上所得到的方程可以預測單一的緊固件，每個剪切平面，加載相互垂直于它的軸線的性能。這些性能取決于木材和緊固件的材料性能和連接的幾何形狀等。這種連接方式的變形行為可以通過滑動模量和每個緊固件的剪切面，進行試驗測試取得。試驗主要根據EN 26891:1991。或者使用歐洲標準5的表達方式進行計算出來。

4 銷型緊固件在木材和混凝土板材連接中的特點

4.1 銷型釘緊固件連接木材和混凝土的優點

銷型緊固件其常見的應用是在木材和混凝土板材連接上。經常用于修復工程，尤其是當舊的木板的承載需要改善時，在拉伸區的這個復合的木構件系統和在壓縮區一層薄混凝土層是由緊固件或特殊的連接裝置連接在一起。木材—混凝土系統的復合連接結構產生的作用不僅對木地板的強度有影響也對提高隔音、熱慣性和消防安全有影響。與傳統的解決方案相比，這個復合系統所產生的結果的特點有：比其完全是混凝土結構的要輕；比傳統的木地板系統有更高的承載能力和更高的抗彎剛度；其平面性能特點更加優異；增強木地板的震動控制性能。

在木材—混凝土連接中，控制這種連接系統結構性能，經常是通過釘子、螺絲或鋼棒等，這些都可分類為銷型緊固件。盡管這種技術取得了良好效果，但在歐洲標準5中的銷型緊固件應用于木材和混凝土結構連接沒有具體的分析方法。在應用歐洲標準5的第二部分，它是假定滑動模量是與木材和木材類似系統的連接方法所得出模量的雙倍。歐洲標準5的設計方法是通過負載能力實驗、單剪載荷能力實驗等進行。根據木材材料性質和形狀確定載荷位置，保證材料受力方向與緊固件軸線垂直。實驗方法是用銷型緊固件，木材與木材連接，應用歐洲標準5設計實驗雙剪進行試驗主要包括：雙剪銷型緊固件連接，木材與木材連接，連接件的軸線抗拉能力等。

4.2 銷型釘緊固件連接木材和混凝土結構方法討論

滑動模量實驗主要是滑移模量的確定方法和滑移模量的計算方法設計。每個連接件的每個剪切面的滑移模量計算公式與大量實驗結果吻合的很好。連接結構性能試驗評估主要用試驗數據評估載荷能力和連接的變形特點，以通過預測值為標準，確定曲線上的幾個點進行測試值評估。分別對木材與木材連接，木材和混凝土連接兩種連接樣板進行分析，試驗過程中滑移模量計算公式都在歐洲標準中有體現。

試驗的基本原理和試驗的具體設計，首先，根據常規的外推法對木材與木材的單剪(圓形和方形連接件)和雙剪(圓形連接件)進行試驗分析。然后，對木材與混凝土連接進行對比試驗。木材與木材連接的單剪試驗主要用圓形銷隼連接試驗數據分析即圓釘、木材與木材單剪連接。木材與木材雙面剪切方向連接，雙剪的載荷滑移曲線，該曲線也是非線性應用。木材與混凝土連接剪切方向測試，中間的木材樣本保留，外表面的樣品換成混凝土板，圓釘直徑：3.4，長度：70 mm，輕重量聚料混凝土板，將試驗結果與用歐洲標準5所設計的試驗所產生的結果進行對比。載荷能力試驗結果、歐洲標準5預測結果和葡萄牙國家出版社1998版中的結果進行比較，其主要區別：新的歐洲標準5考慮了銷型緊固件的收縮能力，所以串聯結構的影響要考慮。但這種改進還不是很清楚準確，因為銷型緊固件的收縮能力不能由歐洲標準5試驗簡單的確定。

4.3 銷型釘緊固件連接木材和混凝土結構的推廣價值

復合木材和混凝土結構連接的性能受木梁與混凝土板間剪力連接的剛度的控制。根據歐洲規范5的方法對這種連接進行試驗，這種方法適用于類似的木材與木材連接的滑移模量的因子測量。相對于以前的相關論文討論，對于這種承載能力沒有簡化的方法，也沒有其他建議。以研究應用歐洲標準5，對復合木材—混凝土連接性能過程中使用的方法的準確性為目的。試驗類型，實驗測試結果與根據歐洲法規5法所獲得的值進行比較。結果表明，用歐洲標準5所建立的模型，能夠預測的連接可靠性失效模式。然而，在使用歐洲標準5的過程，測試結果顯示還有重要的不同價值。大量結果表明，如果木材具體連接滑動模量有不同的參數進行考慮。一個更好的近似的力學行為可以建立起來。在翻新舊木地板時，由于經濟和建筑的原因往往是不建議改變現有的連接結構，而是以現有地板結構框架為前提，應用銷型釘緊固件連接木材和混凝土結構可推廣意義重大。在這種情況下，需要一個具體的設計方案，并應用現有的木結構和混凝土連接方式于古建筑的修復之中。

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