多榀木桁架的研究现状与发展趋势

阙泽利，高一帆，戈禧芸

(南京林业大学木结构建筑系，南京210037)

多榀木桁架的研究现状与发展趋势

阙泽利，高一帆，戈禧芸

(南京林业大学木结构建筑系，南京210037)

轻型木桁架由于其优异的性能在现代木结构建筑屋盖与楼盖系统以及城市的“平改坡”工程中得到广泛的应用。而在轻型木桁架类别中，除普通单榀木桁架外，还包括多榀木桁架，这种多榀木桁架是由多片单榀木桁架通过连接件组合而成。多榀木桁架一般用于屋盖或楼盖系统中的关键部位，其除受到上部均布荷载外，还受到其他与其搭接的普通桁架传递的集中荷载，其受力环境较普通桁架更为复杂。这种通过多个单榀木桁架组合而成的多榀木桁架也成为现代木结构屋盖、楼盖关键承力节点处最常用的结构形式，有着广泛的应用前景。笔者结合多榀木桁架的连接节点性能、轻型木桁架的承载性能及破坏机理、加载制度和模型模拟等方面的国内外研究进展，总结了该领域的研究热点，并对多榀木桁架今后的发展尤其是多榀木桁架榀与榀之间的连接方式提出了看法。

轻型木桁架；多榀组合；连接节点；静载试验

近年来海绵城市的建设得到了国家的大力支持，这主要是由于海绵城市建设是惠及民生福祉，有利于生态中国和美丽中国建设的系统工程[1]。而在海绵城市的建设中，很重要的一环就是城市老旧房屋的平改坡工程[2]。轻型木桁架体系由于其轻质高强、抗震性能好、施工简便、设计灵活等特点在平改坡工程中得到了广泛的运用[3-4]。此外，在现代木结构建筑的屋盖、楼盖也多是采用轻型木桁架系统。有调查表明，北美有超过60%的住宅采用轻型木桁架系统，尤其是在加拿大，这个比例更是高达95%[5]。随着轻型木结构建筑在我国的发展，轻型木桁架在我国现代木结构建筑中的应用前景也会越来越广阔。

在现代轻型木结构楼盖及屋盖支承系统中，除普通桁架外，在一些特殊位置处还存在一种由普通桁架组合而成的多榀桁架。这些特殊位置处的桁架除受上部均布荷载外，还受到其他与其搭接的普通桁架传递的集中荷载，其受力环境较普通桁架更为复杂，因此要求这种多榀桁架具有更大的承载能力。图1所显示的是加拿大木业协会2012版《轻型木结构施工技术指导手册》中所列举的这类情况。在2012版的《轻型木桁架技术规范》(JGJ/T 265—2012)中将其定义为组合桁架(Girder truss)，并指出这种桁架主要用于支承其他桁架。

图1 多榀木桁架工作环境示例Fig. 1 Working environment of girder truss

实际工程中通常的解决方案是通过将多榀普通的轻型木桁架组合在一起作为一个结构构件以增大构件的截面面积从而得到更大的承载能力(如图2所示)。此外这种多榀桁架的形式能够做到取材方便，符合建筑工业化、建筑模数化的发展趋势。

图2 多榀木桁架在实际工程中的运用Fig. 2 Application of girder truss in building structure

此外，目前轻型木桁架所能适应的跨度也十分有限，承载能力最高的豪威式轻型木桁架的最大跨度不超过12 m，这就大大限制了轻型木结构建筑的发展。而通过普通轻型木桁架组合而成的多榀木桁架的承载能力大大高于普通木桁架，从而使得轻型木结构可以适应更大跨度的建筑要求。多榀木桁架的这一特性也被广泛用于现代木结构桥梁当中[6]，所以大力研究与开发多榀木桁架必将大大促进轻型木结构的发展。

但目前针对这种多榀木桁架的受力性能和破坏机理的研究还很少有学者涉及，尤其是在节点的连接方式仍存在众多疑惑。

笔者对目前多榀木桁架的研究现状进行了概述，并结合单榀木桁架已经取得的研究成果，对今后多榀木桁架的发展提出几点建议。

2 多榀木桁架的连接

建筑结构一直就有“强节点弱构件”的设计理念，木结构的连接节点也关系到整个建筑日后的承载能力与正常使用等性能，所以对木结构连接节点的研究是十分有意义的[7]。多榀木桁架的连接包含了单榀木桁架杆件与杆件之间的连接以及多榀木桁架榀与榀之间的连接，目前在单榀木桁架杆件与杆件之间最常用的连接方式是齿板。

2.1 齿板连接

齿板实际上是从钉接板发展而来的，它是由镀锌或者是镀铝锌高强度钢板经过模型冲压而成的[8-9]。

在轻型木桁架的连接处应用齿板可以较为快速地对桁架中各弦杆定位，提高了桁架加工的效率。此外，使用齿板连接也最大限度地保持了木材的完整性，齿板与木材的协同工作，为结构提供了很好的延性。

齿板连接的性能也受多种因素的影响，主要有齿板的厚度与主轴方向，木材的纹理方向以及荷载的作用方向[10-11]。其中，增加齿板的厚度可以防止齿板撕裂破坏[12]，从而增大其承载力[10]；增加齿板的长宽比也可以缓解构件因齿板被拔出而破坏[13]。此外荷载与木纹间的夹角对齿板的极限承载力也有很大的影响[14-15]。

由前人的研究结果可知，齿板钉入桁架节点的位置对于控制齿板的性能至关重要。而目前轻型木桁架的加工还处于半自动化甚至手工化的操作阶段。虽然有专业的压机甚至有流水线式的滚压机，但是桁架加工中最为关键的齿板定位并钉入的工作仍靠人工完成。这就为木桁架日后的使用留下隐患。所以今后应从工艺与设备入手，使得机器能够依据每一榀桁架中每一个连接节点的受力特点，准确地判断齿板的方向以及压入位置，并压入型号最合适的齿板。这不仅有利于提高轻型木桁架加工的工业化程度，也能最大程度地提高齿板连接节点的工作性能。

2.2 多榀木桁架榀与榀的连接

现代轻型木桁架多是采用2″×4″(38 mm×89 mm)或2″×6″(38 mm×140 mm)的规格材作为加工原料，其中更是以2″×4″规格的使用最为广泛。当这种由规格材制成的单榀木桁架难以承受其所受的荷载时，就需要将普通的单榀木桁架组合成多榀木桁架运用到实际工程当中。所以研究多榀木桁架之间的连接就成为一项十分有意义的工作。

而对于多榀木桁架尤其是桁架间榀与榀之间连接的研究却鲜有涉及。但是多榀木桁架却已经在实际工程中得到了广泛的应用。目前对多榀轻型木桁架的应用主要依据《轻型木桁架技术规范》内第六章对多榀轻型木桁架钉连接所做出的技术规定。表1所展示的分别是《轻型木桁架技术规范》中对不同榀数组合桁架的钉接方式所做出的规定。但是对于这种通过钉连接的多榀木桁架的承载力与破坏机理的研究还未展开。另外，通过钉连接的多榀木桁架施工繁复，不利于工厂大规模生产，这是不符合木结构建筑的发展趋势。

表1 不同榀数组合桁架的钉接方式

除了《规范》中提及的钉连接的方式外，还有不少国外学者开发出了一系列用于单榀与多榀连接的连接件，并申请了专利[16-17](如图3所示)。许斯明[18]通过实验以及有限元分析的方法，对这种挂钩连接件展开研究，得到了挂钩件以及钉子的最终破坏形态以及钉子端部位移随承载力变化的曲线，并提出了挂钩件设计承载力的取值方法。

图3 单品与多榀连接件Fig. 3 Connection between wood girder trusses

从图4可清楚地看到，在多榀桁架的连接中所采用的方法为螺栓连接。目前对螺栓连接的研究主要集中在其承载力、破坏模式。20世纪30年代，木结构螺栓连接的设计值主要依靠经验确定[19]。尽管有学者将木材断裂力学与非线性分析的方法引入到对木螺栓的研究当中，对木结构螺栓连接设计值也不仅是依靠经验，但是对于螺栓的屈服理论在木结构螺栓连接设计中的应用还不够深入。对于不同材料制成的螺栓所表现出来不同性能的对比研究也甚少。此外，普通钢质螺栓在抗火条件下所表现出的力学下降的特性也给建筑的安全带来隐患。

图4 新型多榀木桁架示意Fig. 4 A new type of girder truss

结合目前多榀木桁架连接发展所取得的进展与所存在的问题，笔者提出如下连接方案，即用木质或竹质等材料取代钢材制成销连接件以取代传统的螺栓或钉连接(如图4所示)。采用竹木作为销连接件的材料，主要是考虑与钢材相比，竹木制连接件所表现出的良好的抗灾变性能。众所周知，在火灾发生时，高温会使钢材的力学性能迅速下降，此外钢材的锈蚀也会大大降低连接件的连接性能[20-21]，而竹木制的连接件在这方面却表现出较大的优势[22]。

根据前人[6]所做的研究，销连接的位置选在每一段弦杆的中间，这主要是由弦杆的受力特点决定的。如图5是笔者利用SM solve结构分析软件做出的平行弦桁架在上部均布荷载作用下的弯矩图与剪力图，桁架各杆件之间的连接采用铰接的方式。从图中可发现，桁架在上部均布荷载的作用下，每根杆件的中部弯矩最大，剪力最小。再结合剪应力的计算公式：=Q/A，其中，Q表示剪力的大小，A表示受剪构件的剪切净截面，A的减小就意味着构件中的剪切应力的增加。所以，应尽量在构件的剪力较小处开孔以防止构件的受剪破坏。但是轻型木桁架在实际工况中受力十分复杂，还需通过具体试验对这种新型的多榀木桁架的性能进行评价。

图5 桁架内力图Fig. 5 Inner force diagram of truss

3 轻型木桁架静载测试

从以上分析可以看出，目前对轻型木桁架的研究大多集中在桁架连接节点的部分，但也有不少学者对整榀轻型木桁架开展了研究，这些研究主要集中在轻型木桁架的静承载力、破坏机理以及试验过程中的加载制度等方面。另外,木桁架试验对加载设施、观测手段以及场地等试验条件都有很高要求，试验的成本也很高，所以在实际工程中很难对所有木桁架进行试验，有很多学者利用有限元分析软件对桁架的各项性能进行评估。

3.1 轻型木桁架破坏机理

国内较早开展整榀轻型木桁架静载研究，一般都是将研究的重点放在轻型木桁架的破坏机理上面。2006年许晓梁等[23]在对四榀跨度为6.1 m的豪威式(HOWE)木桁架进行了静力加载试验研究，分析了该种木桁架的荷载-变形关系以及破坏机理。实验结果显示轻型木桁架表现出很高的强度储备能力，其实际承载能力可达设计值的2.375倍。试验所得荷载-位移图显示，在荷载达到设计值的2倍前都表现为线性关系，2倍之后才表现出非线性受力特征，说明轻型木桁架的破坏表现出很明显的脆性。

也有学者将研究的重点放在影响轻型木桁架静承载力的因素上[8,24]，时超[8]对三榀4.8 m跨度的芬克(Fink)式齿板连接轻型木桁架进行了静载试验。试验结果显示，在影响轻型木桁架承载能力的众多影响因素(如规格材性能，齿板连接性能，桁架的加工制造等)当中，齿板连接性能尤其是支座处的齿板连接性能对轻型木桁架的承载能力影响最大。因为三角形桁架在受上部静载作用下，其支座处的受力以及变形都是最大的，可以说是轻型木桁架最薄弱的环节。此外，试验所得的荷载-位移曲线显示，轻型木桁架在将要破坏时其变形最大，增幅超过之前桁架变形的幅度，从而验证了轻型木桁架在破坏时表现出明显的脆性。

轻型木桁架在静载试验中表现出明显的脆性破坏的特征主要是由于其受力特点和构造所决定的。将轻型木桁架用作楼盖与屋盖，其受力特征类似于简支梁，上弦杆受压，下弦杆受拉，中间的腹杆其支撑稳定作用。有实验表明[23]，轻型木桁架的破坏大多发生在其弦杆以及齿板连接处，而桁架又是由各个杆件组成的一个结构体系，任何一个杆件或者齿板连接节点的破坏都会导致桁架的整体失效，所以轻型木桁架的整体失效表现出明显的脆性破坏的特征。

3.2 多榀木桁架静载试验加载制度

多榀木桁架静载试验的结果与所采用的加载制度息息相关，由不同加载制度所得到的木桁架静载试验存在着很大差别，所以选用合理的与实际工况相符合的加载方式是十分重要的。

桁架的静载试验可分为破坏性试验和非破坏性试验，这主要取决于桁架静载试验的性质。如果检验性的试验，如对一些已建成的建筑进行抽样检测就可以做非破坏性试验。而对于一些新型桁架、连接方式或者新的树种制成的木桁架就要进行验证性试验，而验证性试验必须是破坏性试验。

目前我国的轻型木桁架检测主要依据的是我国的国家标准《木结构试验方法标准》(GB/T 50329—2012)。该标准是针对普通木桁架、胶合木桁架以及钢木桁架试验的唯一依据。《木结构试验方法标准》中桁架试验方法中明确规定，该方法适用于一切平面桁架。多榀木桁架是通过将多榀普通木桁架组合成一个结构构件用于建筑结构当中，其应属于平面桁架的范畴。所以《标准》当中的桁架加载制度仍适用于多榀木桁架的静载试验。该标准是从2002版修订而来，在桁架的加载制度上已做出了很大的改变，其中最大的改变在于T2阶段的第一次持荷阶段。2002版的规范在T2阶段的第一次持荷的时间为24 h，而有学者[25]在参考欧盟标准(EN595—1995)的基础上将这一时间从24 h减小到1 h。这样既能反映出桁架在持续荷载作用下的抗蠕变性能，又可以大大缩减桁架静载试验的时间。

图6 木桁架静载试验加载制度Fig. 6 The grading loading procedure

2012版《木结构试验方法标准》中规定的木桁架加载制度如图6所示。从图中可以看出，木桁架的加载采用的是分级加载的加载方案。之所以采用此种加载方案是为了：①使桁架加载后产生的变形更加稳定；②便于观测木桁架在加载过程中所产生的裂纹及其发展过程；③便于试验人员有充分的时间观测和记录加载后的试验数据。从图6可以看出，轻型木桁架的加载方案可以分为3个阶段，其中T1为预加载阶段，此阶段的目的主要是为了检测加载装置，测量设备是否处在正常工作状态；T2为正式加载阶段，此阶段是为了检测桁架在标准荷载作用下的变形情况，通过将此阶段的试验结果与《轻型木桁架技术规范》(JGJ/T 265—2012)中的限值进行比对从而检测所测试的桁架是否合格；T3阶段为破坏阶段，此阶段的目的是为了探究所测桁架的极限承载能力，并可以通过该阶段的荷载-位移曲线判断出所测桁架的破坏形态。

3.3 轻型木桁架有限元分析

前文已述由于实验条件的限制，有许多学者通过有限元软件对轻型木桁架的各项性能进行评估，而对轻型木桁架有限元分析的最大难点就在于对齿板连接节点的模拟。通过齿板连接桁架的弦杆并不十分强调被连接的杆件必须交汇于一点，而是只要保证杆件具有足够的承压面即可，这也使得齿板连接节点的内力分析变得十分复杂，并不能采用常规的方法对其进行解析。

国内外技术人员对于轻型木桁架的研究也大多集中在齿板的工作原理上，并发表了大量的论文[26-27]。其中认同度比较高的就是齿板连接，即不属于刚接也不属于铰接，而是通过荷载和相对位移的关系将其认定为是一种介于刚接与铰接之间的一种半刚性连接[26]，并有很多学者基于这一理论对轻型木桁架进行了有限元模拟。其中，Foschi[28-29]是最早采用有限元方法研究齿板节点的学者，他提出了用于确定齿板节点整体的荷载-滑移特性、校核齿板节点中板齿-木材交界面单元的“单齿-荷载-位移”曲线方程。并基于其理论开发出相应软件SAT(structural analysis of truss)，能够对齿板连接节点在不同荷载下的荷载-滑移特性进行模拟。此外在软件模拟方面也有学者利用ANSYS对桁架进行有限元分析，由于ANSYS可以充分考虑桁架连接的结构特性与材料特性，所以对位移、刚度以及应力分布的预测与实际更为相符[30]。而目前在木桁架的有限元分析中应用最广泛的软件是Sap2000[8,23,25]，利用Sap2000对轻型木桁架进行模拟只需将建好的桁架模型导入之后，将齿板连接处视为一个非线性连接单元中的一个塑性单元plastic(wen)。Barron[31]也针对SK-20齿板提出了设置该单元的参数，如线性与非线性刚度，屈服刚度与屈服比。而Barron也是最早将Sap2000用于轻型木桁架的有限元模拟。欧加加[32]的研究也表明Sap2000较其他有限元软件，在木结构半刚性节点的模拟方面效果更好。

4 展 望

通过前面的论述，我们不难发现，轻型木桁架结构体系拥有着广泛的应用前景，不少学者也对单榀木桁架展开了很深入的研究。但是多榀木桁架作为轻型木桁架结构体系的重要组成单元，我们在其承载力、抗变形能力、最优连接方式以及大规模工业化利用等方面还存在太多问题。为了推进轻型木桁架产品的开发与产业的发展，特提出如下建议：

1)对常规的钉连接以及螺栓连接的多榀木桁架进行静载试验，将所得的多榀木桁架的承载力与单榀进行比对，为今后多榀木桁架的使用提供理论依据。此外还要对多榀木桁架的破坏机理进行研究，为多榀木桁架的结构优化设计提供参考。

2)加强新型的多榀木桁架的连接方式或者连接件开发研究。新型的连接件在保证多榀木桁架的承载力的同时还要表现出优异的抗灾变性能，此外还需便于工业化大规模生产。

3)目前已经有学者对轻型木桁架的系统效应展开研究，分析了系统效应的来源，并得到了系统效应系数[33-34]。但是其研究是基于轻型木桁架系统中的木桁架皆为单榀，这与许多运用多榀木桁架的实际工程的工况是不同的。所以今后还要在多榀木桁架对木桁架系统效应的贡献做出更深入的研究。

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A review of the research of wood girder truss

QUE Zeli, GAO Yifan, GE Xiyun

(Department of Wood Structural Construction, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

Light wood truss is widely used in roof and floor systems of modern wood structure buildings and re-roofing projects due to its lightweight, high strength, good seismic performance, simple construction, design flexibility and other excellent characteristics. In addition to the single wood truss which is the most common form of light wood truss, the light wood truss also involves girder truss. The girder truss is composed of several pieces of single light wood truss by connectors and commonly used in key parts of the roof or floor system in modern wood structure buildings and re-roofing projects. It supports even load from upside and the loads from single truss that joint with the girder truss. Since the stress environment of girder truss is more complicated than that of single wood truss, the wood girder truss needs higher bearing capacity. Being composed of several pieces of single light wood truss, the girder truss has become the most common form of structure in key parts of the roof or floor system in modern wood structure, and exhibites broad application prospects. This paper introduced the present research hotspots of wood girder truss and summarized the evolution of wood girder truss in domestic and overseas research, including studies on the connectors of girder truss (consisting of the mechanical performance of metal plat connector and the current style of connection between wood girder trusses), the research findings on the bearing capacity, failure mechanism, the loading systems of wood truss and model simulation of wood girder truss. In the end, the paper put forward some suggestions on the future development of wood girder truss, especially in the style of connection between wood girder trusses.

light wood truss; multi composite; connections; static loads test

2016-03-23

2016-08-26

“十二五”国家科技支撑资助项目(2015BAD14B05)。

阙泽利，男，副教授，研究方向木结构建筑。E-mail:zelique@163.com

TU366.2

A

2096-1359(2017)02-0138-07