速生松木家具几种节点接合方式的强度比较研究

李素瑕，刘文金，孙德林

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

速生松木家具几种节点接合方式的强度比较研究

李素瑕，刘文金，孙德林

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

以南方速生脱脂马尾松松木为基材，以“L”型和“T”型构件为基本构件形式，采用力学实验方法,对理想使用状态——即在外力垂直荷载匀速加载的作用下使构件节点发生破坏或变形，测试构件节点破坏强度值及其破坏或变形形式。实验针对8种不同框架节点接合方式（贯通直角单榫接合、不贯通直角暗榫接合、双圆榫接合、倒刺螺母连接件接合、双圆榫与倒刺螺母共同接合、三件式偏心连接件接合，以及45 °双圆榫斜角接合和45 °不贯通榫斜角接合）的接合强度进行测定。实验结果表明：(1)对于直角连接构件，采用贯通直角单榫接合时的节点接合强度最大；双圆榫与倒刺螺母共同连接的节点接合强度次之；然后强度值从高到低依次为双圆榫接合、倒刺螺母螺杆连接件接合、不贯通直角单榫接合，接合强度最小的是偏心连接件接合；(2)对于45 °斜角连接构件，采用45 °不贯通榫斜角接合的节点强度大于45 °双圆榫斜角接合的节点强度；(3)在相同条件下，“T”型实木构件的节点接合强度总体上大于“L”型实木构件的节点接合强度。研究表明：节点处的基本构件形式（“L”型或“T”型）、角部构件的连接形式（直角构件或斜角构件），以及节点的接合方式等都不同程度地影响着马尾松松木家具框架节点的接合强度。

速生马尾松木材；家具；节点；强度

家具产品的结构强度是实现产品功能的基础。过去以及我国目前的家具设计基本上偏重于家具的造型设计，而对家具结构强度设计重视不够，结果往往造成两方面的失误：一方面是家具设计过程中的安全性即家具制品的强度和刚度满足不了设计要求，导致结构变形，甚至破坏，达不到设计年限，缩短了产品使用寿命；另一方面，安全系数过大，没有最大限度的节省原材料，造成资源浪费，制品粗大笨重，反过来又降低了产品的艺术魅力[1]。

随着社会的进步，人们生活和文化水平的提高，消费者变得更加理性。他们有权利要求产品有足够的强度，以保证产品在使用过程中的安全性；另一方面，随着环境恶化，森林资源相对减少，而现代家具工业不断发展壮大，这一矛盾造成的直接后果就是可加工利用的木材资源日趋紧张，生产成本相对提高。因此，通过合理的产品结构强度设计可以达到节省材料、避免浪费，降低生产成本的目的，这也使得社会各界对家具产品结构强度设计的需求更加迫切。

影响家具结构强度的因素有很多，如家具材料本身的力学性能、零部件的断面尺寸大小、连接件本身的强度、零部件之间的连接方式以及各连接节点的接合强度等。所谓“节点”， 是指在家具产品结构中，利用各种榫、胶或金属连接件等把两个或更多个零部件进行连接的部位，即家具零部件间的接合处，它是家具结构中最薄弱的环节，大多数家具的破坏，都是由于节点强度不够而引起的[1-2]。节点设计是整个设计过程中最重要的一环，家具在外力作用下，即使零部件强度都足够，如果节点强度不够，整个木制品也会遭到破坏。实际上由于节点强度低而引起家具破坏，比其它原因要多的多，所以科学地设计家具框架结构中的节点就显得特别重要[3-5]。

节点处的接合方式及接合强度决定了家具产品整体结构的强度[3]。家具结构有框式和板式之分。框式家具以各种榫接合为主要接合方式，木方通过榫接合构成承重框架，围合的板件附设于框架之上，一般不可反复拆装，其框架形式主要有直角接合框架和斜角接合框架两种[4-6]，如图1所示。板式家具是一类以人造板构成板式部件，用专用的金属连接件，如铰链、偏心连接件、螺栓、螺钉或圆棒榫将板式部件接合装配的家具，一般可以反复拆装[4-5]。

对实木框架节点强度性能的研究可以简化成对“T”型直角构件和“L”型直角构件，以及“L”型斜角构件三种基本形式的节点强度进行研究[7-10]（见图2）。

图1 实木家具基本框架结构Fig.1 Basic framework of pinewood furniture

图2 基本构件形式Fig.2 Basic component forms

我国南方人工速生松木资源丰富，其中马尾松Pinus massonianaLamb. 是我国松类中分布最广、数量最多的树种[11]，也是我国南方的主要用材树种之一[12-14]。由于马尾松资源丰富、取材方便，马尾松家具产品纹理优美、色泽亮丽、材质较软、绿色环保，深受消费者的喜爱[15-16]，现阶段广泛用于生产与制造家具，尤其以儿童和青少年家具居多。研究人工林速生松木家具结构强度性能可直接指导人工林速生松木家具的安全强度设计和零部件的尺寸设计。当前松木家具产品的结构多以可拆装结构为主，便于产品的包装、运输及组装。通常，产品部件间的连接多使用金属连接件，如倒刺螺母连接件、偏心连接件，以及各种铰链等；而对于产品部件内部结构，则主要采用不可拆装的框架结构，常见的接合方式主要有各种直角榫、圆棒榫、螺钉，以及胶接合等。

本实验以湖南产速生脱脂马尾松Pinus massonianaLamb.为基材，以“T”型和“L”型构件为主要结构形式，采用力学实验方法, 针对八种常见的松木家具框架节点接合方式（包括：双圆榫接合、贯通直角单榫接合、不贯通直角暗榫接合、倒刺螺母连接件接合、双圆榫与倒刺螺母共同接合、三件式偏心连接件接合，以及45°双圆榫斜角接合和45°不贯通榫斜角接合）的节点接合强度进行测定，对理想使用状态即在外力垂直载荷匀速加载的作下使构件节点发生破坏或变形进行研究，测得构件节点破坏的强度值及其破坏或变形形式，计算各种节点的平均接合强度，分析各种节点的破坏规律特征，最后得出结论，以期对人工林速生松木家具的开发设计和生产实践具有一定的指导作用。

1 材料与方法

1.1 实验基材

实验用脱脂马尾松Pinus massonianaLamb.木材直接取自湖南长沙某松木家具厂，已经过脱脂处理。试验测得脱脂马尾松试材平均含水率为13.9%。由于在生产实际中不可能精确选材，试验与实际生产中随机购材的实质相同，故试验使用的基材指“泛意义的”速生脱脂马尾松松木。

1.2 实验设备

实验使用的设备和仪器主要有：微机控制电子式木材万能力学实验机，山东济南思达测试技术有限公司生产，型号为MWD-50 kg；电子秤，精确至0.001 g，以及游标卡尺等。

1.3 实验用圆棒榫、胶粘剂和五金件

实验使用的圆棒榫树种为桦木，类型为螺纹型，尺寸规格选用Φ100 mm×40 mm。圆棒榫含水率控制在8%左右。圆榫与榫孔配合间隙约为0.0 mm；榫端与榫孔底部间隙约为1.0 mm。

实验用胶全部采用聚醋酸乙烯酯乳液胶，俗称乳白胶或白乳胶，pH值6.7，固体含量为48.6%，粘度为0.64 Pa·s。试件接合时榫的涂胶量大约为150～200 g/m2。

实验使用的五金件为三件式偏心连接件，偏心轮尺寸为Φ15 mm×11.5 mm、连接螺杆尺寸为0 mmΦ5 mm×32 mm、倒刺螺母规格为Φ10 mm×11 mm。

1.4 实验方法

实验采用8种不同的节点接合方式，即：双圆榫接合、直角贯通单榫接合、不贯通直角榫接合、普通倒刺螺母螺杆连接件接合、圆榫和普通倒刺螺母螺杆共同接合、三件式偏心连接件接合，以及45 °双圆榫斜角接合和45 °不贯通榫斜角接合等。这8种不同的接合方式，分别采用“L”型和“T”型构件进行连接，共组成16种不同的构件连接形式。

实验时垂直荷载P在“L”型和“T”型直角构件的横向试件上进行匀速加载[10]，加载速度为10 mm/min，在外力荷载P匀速加载的作用下使构件节点发生破坏或变形，从而测得构件节点破坏的强度值及其破坏或变形形式，如图3所示。

图3 “L”型和“T”型构件加载Fig.3 Loading of T-form and L-form components

2 结果与分析

2.1 构件节点平均强度值综合比较

为方面图表描述，在以下图表中一律用字母代号表示各种构件的接合方式。其中直角接合代号为O(Orthogonal corner joints)；斜角接合代号为M（Mitred corner joints）；“T”型构件代号为T；“L”型构件代号为L；圆榫接合，代号为D(Dowels joints)；偏心连接件接合，代号为E(Eccentric fi ttings joints)；倒刺螺母螺杆连接件接合，代号为S(Screw joints)；圆榫+倒刺螺母连接件接合，代号为DS；贯通直角单榫接合，代号为T(Trough mortise and tenon joints)；不贯通直角暗榫接合，代号为H(Hidden mortise and tenon joints)。

下面对以上8种类型的节点接合方式，14种不同的直角构件和斜角构件的加载实验强度值进行综合比较。其中，直角接合构件主要采用圆榫、倒刺螺母连接件、圆榫与倒刺螺母共同接合、偏心连接件、贯通直角单榫和不贯通直角暗榫等6种接合方式；斜角接合采用了45 °双圆榫和45 °不贯通榫两种斜角接合方式。每种接合节点的平均强度值见表1。

2.2 直角接合“T”型构件节点强度值比较与分析

6种“T”型连接直角接合构件中，以贯通直角单榫的接合强度最大，其次是双圆榫与倒刺螺母螺杆共同接合、双圆榫接合、倒刺螺母螺杆连接件接合、不贯通单榫接合，强度最小的是偏心连接件接合（见图4）。

2.3 直角接合“L”型构件节点强度值比较与分析

6种“L”型直角接合构件中，虽然“L”型连接构件在采用倒刺螺母螺杆连接件接合时，其节点的接合强度比采用双圆榫接合时的节点强度稍大，使二者的排列顺序发生了变化，但二者的节点强度值仅相差0.15%，这一数值可以忽略不计。由此可认为，“L”型直角接合构件的节点接合强度排列顺序与“T”型直角构件的接合强度排列顺序基本一致（见图5）。

表1 构件节点强度值比较Table 1 Comparison among all joints strength values

图5 “L”型构件节点平均强度值比较Fig.5 Comparison among strength values of L-form component joints

2.4 直角接合“L”型、“T”型构件节点强度值对比

在所有直角接合构件中，除了不贯通直角暗榫接合的“T”型构件比“L”型构件的接合强度稍低以外，其余5种接合方式的“T”型构件节点接合强度均大于“L”型构件的节点接合强度，其中高出值最多的是贯通直角单榫，其“T”型构件的节点强度比“L”型构件的节点强度高出1/3以上。由此可认为，“T”型构件的节点接合强度总体上比“L”型构件的节点强度要高（见图6）。

图6 “L”型与“T”型构件节点强度值比较Fig.6 Comparison between strength values of T-form and L-form component joints

2.5 斜角接合“L”型构件节点强度比较与分析

45 °不贯通榫斜角接合的构件节点强度比45 °双圆榫斜角接合的构件节点强度平均高出129 N，增强百分率为20.9%，具体如图7所示。

图7 斜角接合构件节点强度比较Fig.7 Comparison between of strength values of mitred corner joints

3 结论与讨论

以上通过对速生脱脂马尾松“T”型和“L”型构件的8种不同连接接合方式（贯通直角单榫接合、不贯通直角暗榫接合、双圆榫接合、倒刺螺母连接件接合、双圆榫与倒刺螺母共同接合、偏心连接件接合，以及45 °双圆榫斜角接合和45 °不贯通榫斜角接合）的节点接合强度性能进行研究，就单因子我们可以得出以下结论：

(1)在所有直角接合构件中，综合起来比较，以贯通直角单榫的节点接合强度最大；双圆榫与倒刺螺母共同连接的接合强度次之；然后强度值从高到低依次是双圆榫接合、倒刺螺母螺杆连接件接合、不贯通单榫接合，接合强度最小的是偏心连接件接合。由此可知，在对家具进行结构设计时，对于受力比较大、要求牢固性比较高的部位尽量使用倒刺螺母连接件或直角榫（尤其是贯通直角榫）进行连接，尽量避免使用偏心连接件。

(2)在两种45 °斜角接合构件中，采用45 °不贯通榫斜角接合的节点强度大于45 °双圆榫斜角接合的节点强度。

(3)实验结果表明，在相同条件下，“T”型实木构件的节点接合强度总体上大于“L”型实木构件的节点接合强度。这一研究结果与2002年司传领的硕士研究课题 “板式家具角部接合性能的研究”的结论——“‘T’型结合方式连接的角部结合试件的强度值大于以‘L’型结合方式连接的角部结合试件的强度值[2]”相一致。因此，当结构允许时，松木家具产品应尽可能采用“T”型结构。

(4)当采用贯通直角单榫接合时，实木构件端部木材的顺纹抗剪强度以及胶层的胶合强度是影响节点接合强度性能的关键因素。当采用不贯通直角单榫接合时，其节点接合强度性能主要受胶层的胶合强度和榫头木材抗弯强度的影响。实验证明，榫接合的强度普遍比较高，因此在进行家具结构设计时可以考虑适当外露榫接合结构，或者直接以榫卯结构形式做装饰元素进行造型设计，这样既增加了接合强度，又体现了中国家具的传统工艺。

(5)当采用双圆榫接合时，圆榫的抗弯强度和实木构件侧边部的抗拔力是影响其节点接合性能的主要因素，通过比较可知，直角构件的节点接合强度与45 °斜角构件的接合强度基本相等。

(6)当采用倒刺螺母螺杆连接件接合时，其节点的接合强度主要取决于倒刺螺母与木材之间的摩擦力即抗拔力。如果采用双圆榫与倒刺螺母螺杆连接件共同接合，实验结果表明，使用圆榫不仅起到了定位的作用，同时更增强了构件节点接合的紧密度，因而大大提高了连接件的接合强度性能。

(7)当采用偏心连接件接合时，其节点接合强度远低于其它接合方式，而且接合部位不够牢固，在实验过程中容易松动。可见，对于强度和刚度要求较高的家具部位应尽量避免单一使用偏心连接件。

[1] 柳万千.木制品结构强度[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,1994.

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Comparative study on corner joints strength of fast-growing Pinus massoniana wood furniture

LI Su-xia, LIU Wen-jin, SUN De-lin
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China )

By taking the fast-growing Pinus massoniana wood degreased and dried preferably which come from Hunan province as the base material, using T-form and L-form component as the basic pine-wood component, and employing mechanics experimental method,the damage or deformation occurred at the component nodes under the action of external vertical load uniform loaded (an ideal working condition) were studied so as to measure the strength values and the damage or deformation types. Eight kinds of frame joints bonding modes were used to determine the node joining strength, such as run-through mortise and tenon joint, hidden mortise and tenon joint,double dowels joints, screw fi ttings joints, double dowels and screw fi ttings joints, eccentric fi ttings joints, mitred double dowels joints and hidden mitred mortise and tenon joint. The results of the experiments show that the value of run-through mortise and tenon joint strength was the maximum, the double dowels and screw fi ttings joints strength was the second, the double dowels joints strength was the next, and the screw fi ttings joints strength and hidden mortise and tenon joints strength followed successively, the eccentric fi ttings joints strength was the minimum; for the 45 degree bevel join widget, the mitred double dowels joints strength was higher than hidden mitred mortise and tenon joint strength; in the same situation, the joint strength of basic component T-form was higher than that of the basic component L-form. Finally, the studying results show that the corner joints strength values with furniture framework were affected in different degrees by the basic components (T-form or L-form), joint modes of corner parts (run-straight or mitred), and the connected methods of corner joints.

fast-growing Pinus massoniana wood; furniture design; corner joints; strength

S781.3

A

1673-923X(2014)02-0122-05

2013-04-28

湖南省教育厅一般项目（11C1317）；中南林业科技大学校青年基金（QJ2020019B）

李素瑕（1979-），女，湖南洪江人，讲师，主要从事家具产品与木质工程材料研究； E-mail：lisuxia@yeah.net

刘文金（1963-），男，湖南常德人，教授，博士生导师，主要从事木制品设计与制造技术研究； E-mail：csfulwj@163.com

[本文编校：文凤鸣]