胶合木

何朝红

引言

木结构组合连接根据材料可分为以下四种：木材与木材、木材与钢材、木材与混凝土、木材与其他材料。木材的顺纹抗压强度大于其顺纹抗拉强度，是一种抗压材料，而钢材作为各向异性材料强度高，制作加工便利 ，木材与钢材组合结构能充分发挥材料性能，而螺栓连接作为现代木结构一种重要金属连接方式，具有简洁，安装和维修方便，安全可靠等优点。广泛运用于大型现代木结构中，如图1、2。在我国传统木结构中的榫卯连接逐渐被金属连接所替代，金属连接大致分为销类连接件、木结构铆钉、剪盘和裂环连接件、齿板连接件、构架连接件以及梁托等，在我国木结构设计规范中，螺栓连接属于销类连接件。从螺栓连接方式可分为单剪螺栓和双剪螺栓，胶合木-钢夹板螺栓连接结构受力性能基于大量实验结果来评价，受螺栓距离、厚径比、含水率、群组作用等因素影响，多方面深入研究影响连接受力性能的因素，不仅为我国木结构螺栓连接规范计算提供依据，而且能为优化螺栓结构设计和完善螺栓连接结构承载力性能提供参考，对促进胶合木-钢夹板螺栓连接应用具有重要意义。

螺栓连接承载力性能影响因素

1.螺栓的端距、中距及边距

在1932年，Trayer提出中距、端距和边距的概念，Wataru、Doyle 、Maik 、César分别螺栓距离对螺栓性能进行了研究并有突出贡献。采用胶合木-钢夹板螺栓连接时，钢材承压强度比胶合木承压强度大，螺栓连接的失效破坏模式直接受胶合木构件上的边距、端距及中距影响，以致影响到螺栓连接的承载力。如果边距较小，销类型连接的承载力强度通常只有主构件承载力强度的0.4-0.6倍，会产生木材撕裂破坏，而中距和端距不足会导致木材顺纹受剪破坏，这些破坏均为脆性破坏，在设计过程中应尽量避免。当中距、端距及边距增大至一定程度时，就不会对螺栓连接承载力产生影响。

2.构件厚径比

在1987年，Soltis提出了厚径比（ L/D）的概念。徐德良在木材—钢夹板螺栓连接研究中分析了木材厚度对承载力的影响，螺栓连接破坏模式与厚径比大小有关。随着主构件胶合木厚度的增大，由单纯的销槽承压破坏演变为销槽承压破坏与螺栓弯曲破坏同时发生，破坏模式由单纯的脆性破坏向延性破坏转变。对于单个螺栓，Saba对最优化的双构件木材螺栓连接进行研究，确定在节约材料的基础上的主构件最小厚度，以保证节点满足屈服载荷条件下的使用要求。Yasamura发现当 L/D 值在2～6之间时，单个螺栓连接的极限载荷受端距和 L/D 值共同影响，然而一些学者用 L/D 值和其他相关因素来确定列修正系数，但尚未得出一致的结论。

3.含水率

含水率是影响胶合木强度的重要因素，主要在于影响胶合木的承压强度，而纤维饱和点是木材性质的转折点，木材纤维饱和点因树种而异，一般为20%～30%。当含水率低于纤维饱和点时，木材强度随着含水率的降低而增大；当含水率高于纤维饱和点时，木材强度受含水率影响小。在干燥条件下，连接试样承载力强度降低且容易发生脆性破坏，在潮湿条件下，当较大厚径比连接试样主要受弯曲载荷时会发生木材的撕裂破坏和销槽承压破坏，受含水率的影响较小。

4.载荷加载方式

钢材是各向同性材料，而木材是一种各向异性且具黏弹性的材料，载荷的加载方向和持续时间均会对其强度产生影响，从而影响整个螺栓连接的承载力性能。就胶合木而言，一般充分利用顺纹承压强度，螺栓平行于木材纹理方向嵌入时，结构具有较好的刚度和强度，但易发生脆性破坏。同一个胶合木螺栓连接疲劳极限荷载和静力荷载也有所不同，荷载加载方式也是影响胶合木-钢夹板螺栓连接承载力性能的重要因素。

5.群体作用因素

根据螺栓布置原则，通常可以分为并列和错列2种排列形式。并列形式比较简单整齐，设计安装方便，所用连接板的尺寸小，广泛应用于螺栓连接中，但是螺栓孔对连接构件截面的削弱较大，错列形式可以减小螺栓孔对构件截面的削弱，但螺栓孔排列布置错开，连接板的尺寸较大。关于排列方式对螺栓连接承载力强度的影响，目前还没有一致的结论，美国木结构设计规范中规定，多行多列螺栓连接的承载强度等于每列中所有螺栓连接承载强度乘以各自的列修正系数后的总和。

6.其他因素

除了以上各种因素外，胶合木-钢夹板螺栓连接承载力性能还受环境温度、木材加工、防腐防潮防燃、试样导向孔以及安装方式等诸多因素的影响，钢板与构件间隙对载荷—变形曲线和表面屈服强度有影响，错位和导孔过大均会降低螺栓连接的承载力强度。

我国在胶合木-钢夹板螺栓连接承载力性能方面的研究较少，合理地借鉴国外的研究成果，激发我国螺栓连接结构的创新性，促进我国螺栓连接研究的发展，对加速我国现代木结构的发展和推广具有重要意义。

（作者单位：中南林业科技大学）