日本落叶松规格材齿板节点承载性能*

王 滋 王 丽 武国芳 任海青 赵荣军,2(中国林业科学研究院木材工业研究所 北京0009； 2. 中国林业科学研究院林业新技术所 北京0009)

日本落叶松规格材齿板节点承载性能*

王 滋1王 丽1武国芳1任海青1赵荣军1,2
(中国林业科学研究院木材工业研究所 北京100091； 2. 中国林业科学研究院林业新技术所 北京100091)

【目的】 研究国产规格材与国产齿板连接节点的拉伸及抗剪承载性能，为国产建筑材料的开发利用提供参考。【方法】 以采自辽宁清原大孤家林场的日本落叶松规格材及市购国产齿板为试验材料，设计制作4种工况下的板齿极限强度试件及10种工况下的齿板抗剪强度试件，通过拉伸和剪切试验，研究不同工况下日本落叶松齿板连接节点的板齿极限强度和齿板抗剪强度，并与进口齿板和进口SPF规格材进行对比。【结果】 日本落叶松与国产齿板连接节点的板齿极限强度在AA、AE、EA和EE 4种工况下分别为3.50、2.53、2.61和2.37 N·mm-2，通过比较日本落叶松与国产齿板、进口齿板2组结果，除EA工况下进口M20齿板强度略低外，在AA、AE和EE 3种工况下分别高于国产齿板10.57%、21.34%和9.28%，对比进口M20齿板与日本落叶松、进口SPF 2组结果，在AA、AE、EA和EE 4种工况下与日本落叶松的组合分别高于与进口SPF的组合36.27%、50.49%、30.00%及40.00%； 齿板抗剪强度在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种工况下分别为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-拉复合受力情况下θ=120°时国产齿板和日本落叶松组合的齿板受剪极限强度较小外，其他工况均大于进口齿板与进口SPF的节点组合。【结论】 板齿极限强度试验在4种工况下的破坏方式均为齿拔出破坏，齿板抗剪强度试验主要破坏方式为木材接缝处开裂、齿板端部齿拔出和齿板在木材接缝处翘曲等；荷载方向对齿板连接节点承载力影响较大；国产齿板和国产日本落叶松的齿板连接性能较好，且优于常见进口齿板和进口SPF的节点组合，可进一步研究国产齿板和国产日本落叶松制成轻型木桁架的承载性能，为完善我国木结构建筑体系提供科学依据。

日本落叶松； 国产齿板； 板齿极限强度； 齿板受剪极限强度

近年来，随着我国人民居住环境不断改善，建材行业作为国民经济的基础性产业得到了巨大发展；同时，传统建材行业作为一个资源消耗大、能源消耗大、环保问题突出的产业，消耗的能源和资源分别占全社会总能耗的30%和资源用量的40%～50%(吴星， 2005)，其发展模式和方向不得不引人深思(张人为， 2003)。轻型木结构建筑是一种在北美及其他地区较为流行的建筑形式，其以可再生木材为主要材料，具有节能环保、轻质高强、抗震性好等优点(陈佛喜等， 2009)。然而，我国木结构建筑材料主要依赖进口，建造成本较高致使推广受限，开发利用国产材料是降低其建造成本的必要途径。

轻型木桁架是轻型木结构建筑的主要承重构件，一般由规格材制作桁架杆件，并由齿板在节点处将各杆件连接形成(王滋等， 2016)。轻型木桁架的承载性能主要取决于规格材与齿板连接节点处的连接性能，目前国内学者对进口齿板和进口规格材的连接性能研究较多，如在齿板方面，何桂荣等(2010)对国产正交主轴齿板的各项承载性能进行了试验分析，并与进口M20齿板进行对比，发现国产正交主轴齿板的延性及抗震性能良好； 蒋垠茏等(2013)研发了六边形齿板，与普通齿板对比发现,六边形齿板的抗拉及抗剪承载力明显提高，并且具有良好的延性和抗震性能； 王丽等(2016)研发了3种改进国产齿板并进行试验研究，发现齿刻痕、边缘齿加长以及去除连接处齿板均能较好提高齿板的承载性能。但对于构件采用国产材料的研究尚少，在规格材方面，国内相关学者研究发现国产铁杉(Tsugachinensis)(杨阳等， 2013)、兴安落叶松(Larixgmelinii)(叶虹等， 2012； 杨阳等， 2013； 郭伟等， 2010； 席佳等， 2009)及胶合竹(伍金梅等， 2016)等材料齿板节点连接性能均较好，可作为结构材开发利用。

鉴于此，本文以国产日本落叶松(Larixkaempferi)规格材和国产齿板为主要试验材料，通过板齿极限强度试验以及齿板抗剪强度试验，研究国产落叶松材料的齿板节点承载性能，以期为开发利用我国国产结构材料提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 规格材 国产日本落叶松采自辽宁清原大孤家林场，试验用规格材选用Ⅲc级，含水率约为12%，气干密度为0.62 g·cm-3，顺纹弹性模量为12.27 GPa，规格材的横截面尺寸为38 mm×89 mm，制作节点时避开节疤、开裂等缺陷。

1.1.2 齿板 国产普通齿板市购，采用Q235碳素结构钢制成，齿板厚度约1 mm，齿长约10.45 mm，齿宽约3.45 mm，齿密度106～108 dm-2。其中，齿板的主轴方向为冲孔的长轴方向(图1箭头方向)。

图1 齿板示意Fig.1 Photograph of a truss plate

1.2 试验方法

齿板连接节点强度试验按照《木结构设计规范》(GB 50005—2003)附录M和《轻型木桁架技术规范》(JGJT 265—2012)附录A进行。

1.2.1 板齿极限强度试验 板齿极限强度试件用规格材尺寸为38 mm×89 mm×300 mm，在规格材端距90 mm处钻孔，孔径为18 mm，齿板尺寸为75 mm×103 mm； 根据《木结构设计规范》附录M规定，基于荷载方向与木材纹理及齿板主轴方向不同，按图2所示4种工况进行试验： 1) 荷载平行于木纹及齿板主轴(α=0°，θ=0°，AA)； 2) 荷载平行于木纹但垂直于齿板主轴(α=0°，θ=90°, AE)； 3) 荷载垂直于木纹但平行于齿板主轴(α=90°，θ=0°, EA)； 4) 荷载垂直于木纹及齿板主轴(α=90°，θ=90°, EE)。其中α表示荷载与木纹的夹角，θ表示荷载与齿板主轴的夹角。每种工况重复试件为5个。板齿极限强度试验为拉伸试验，采用WDW-300E万能力学试验机进行(试验机不具备适合本试验的夹具，采用自制夹具进行试验，试件上下两端通过螺栓与夹具连接)； 采用YHD-100型位移引伸计记录节点连接处位移变化。试验加载速度为1～1.5 mm·min-1，每个试件试验时间为10 min左右，当荷载出现明显下降时停止试验。

图2 板齿极限强度试件示意Fig.2 The scheme of tension test specimen for lateral resistance of teeth

图3 齿板抗剪强度试件示意Fig.3 The scheme of compression test specimen for shear resistance

1.2.2 齿板抗剪强度试验 齿板抗剪强度试验采用双剪连接试件，其中主材尺寸为38 mm×184 mm×300 mm，侧材尺寸为38 mm×89 mm×300 mm，齿板尺寸为50 mm×150 mm。根据齿板受力情况不同，分为齿板纯剪、剪-拉复合受力(用字母T表示)和剪-压复合受力(用字母C表示)3类。根据《木结构设计规范》附录M规定，基于荷载与齿板主轴的夹角不同，共分为10种工况试件形式(图3，其中图3c-f均代表2种工况)，每种工况重复试件为3个。齿板抗剪强度试验采用Instron5582万能力学试验机进行，试件直接置于台座上，采取下压加载方式。试验加载速度为1～1.5 mm·min-1，每个试件试验时间为10 min左右，当荷载出现明显下降时停止试验。

为确保齿板位于节点中心以及两侧齿板对称，在齿板压入前需在对应位置绘制齿板中轴线及齿板边界线，以确定齿板压入位置。通过手动控制平压机压入齿板，当齿板与木材之间无空隙时停止操作，完成后翻转试件，压入另一侧齿板。加工完的试件在温度20 ℃、相对湿度65%的环境中养护1周。

2 结果与分析

2.1 试验现象与破坏形式

2.1.1 板齿极限强度试验 板齿极限强度的破坏形式为齿拔出破坏，如图4所示。试验过程中，随着拉力不断增大，板齿发生转动，沿拉力方向倾斜； 拉力继续增加，边缘处板齿开始拔出，最终节点破坏。由荷载-位移曲线(图5)可以看出，加载初期荷载-位移曲线基本为线性； 随着边缘齿的倾斜及拔出，节点刚度呈降低趋势； 随着位移增加，板齿持续拔出，当节点处板齿大部分拔出时，节点失去承载能力，试件破坏。

图6 主要破坏形式Fig.6 Failure mode of test specimen for shear resistance of truss plate

图4 齿拔出破坏Fig.4 Failure mode of test specimen for lateral resistance of teeth

图5 齿板极限强度试验荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement curve of tension test for lateral resistance of teeth

2.1.2 齿板抗剪强度试验 齿板抗剪试验按照齿板受力情况可分为3类： 纯剪受力(图3a、b)、剪-拉复合受力(图3c、d)和剪-压复合受力(图3e、f)。在纯剪受力情况下，主要破坏形式为齿板剪切破坏，表现为在木材接缝处齿板剪切破坏(图6a)。由荷载-位移曲线(图7a)可知，在受力初期节点刚度较大，曲线呈线性趋势增加； 随着变形增加，木材接缝处齿板开始扭曲，节点刚度明显下降，曲线依然呈上升趋势； 随着变形继续增加，木材接缝处齿板扭曲变形增加，板齿与木材发生剪切，剪切破坏处有木屑掉落； 当节点达到极限荷载时，齿板在木材接缝处开裂，荷载-位移曲线下降明显，试验结束。

在剪-拉复合受力情况下，主要破坏形式为齿板在木材接缝处开裂，部分伴有齿板端部齿拔出(图6b)。由荷载-位移曲线(图7b)可知，在受力初期节点刚度较大，曲线近似于直线； 随着变形增加，齿板端部开始翘曲，节点刚度降低； 随着变形继续增加，齿板在木材接缝处发生剪切变形，在端部发生齿拔出，节点破坏。

在剪-压复合受力情况下，主要破坏形式为木材接缝处齿板翘曲(图6c)。由荷载-位移曲线(图7c)可知，在受力初期节点刚度较大，曲线呈线性趋势增加； 随着荷载增加，齿板在木材接缝处发生扭曲变形，且随着试验进行变形逐渐增大； 到达最大荷载时，齿板在木材接缝处翘曲，并伴有齿拔出，节点强度逐渐降低，试验结束。

图7 荷载-位移曲线Fig.7 Load-displacement curves of test for shear resistance of truss plate

2.2 板齿极限强度

根据《木结构设计规范》附录M规定，板齿极限强度为试验值中3个最小值的平均值，计算可得板齿极限强度。为了更准确地分析国产齿板和国产日本落叶松的连接性能，将国产齿板和国产日本落叶松的组合与进口M20齿板和国产日本落叶松的组合(王丽等， 2016)、进口M20齿板和进口SPF的组合(何桂荣， 2010)进行对比，详见表1。

表1 不同组合齿板连接的板齿极限强度对比①Tab.1 Comparison of lateral resistance of teeth

①进口齿板由ASTM A-653、 Grade 40结构钢制作； 进口SPF等级为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给出了3种组合方式下的板齿极限强度，国产齿板和日本落叶松组合节点的板齿极限强度在AA构型下呈最大值，在EE构型情况下板齿极限强度最小，与其他2种组合相符(王丽等，2016； 何桂荣等， 2010)。当荷载与木纹的夹角α=0°时，荷载与齿板主轴的夹角θ等于0°比90°时板齿的极限强度高27.7%； 当荷载与木纹方的夹角α=90°时，荷载与齿板主轴的夹角θ等于0°比90°时板齿的极限强度低9.2%。由此可知，当荷载平行于齿板主轴方向时板齿极限强度较大，主要原因是当荷载平行于齿板主轴方向施加时为齿宽面受力，与齿窄面受力相比受力分布更均匀，表现为板齿极限强度较大。当荷载与齿板主轴的夹角θ=0°时，荷载与齿板主轴的夹角α等于0°比90°时板齿的极限强度低25.6%； 当荷载与齿板主轴的夹角θ=90°时，荷载与齿板主轴的夹角α等于0°比90°时板齿的极限强度低6.3%。由此可知，当荷载平行于木纹方向时板齿极限强度较大(刘英利等， 2007)，主要原因是当荷载垂直于木纹方向时，随着荷载增加木材易沿纹理方向出现开裂，导致板齿拔出破坏。

通过比较日本落叶松与国产齿板、进口齿板2组结果，除EA构型下进口M20齿板强度略低外，在AA、AE和EE 3种工况下分别高于国产齿板10.57%、21.34%和9.28%，由此可知国产齿板板齿极限强度低于进口M20齿板，还有待进一步研究提高。对比进口M20齿板与日本落叶松、进口SPF 2组试验结果，在AA、AE、EA和EE 4种工况下，与日本落叶松的组合分别高于与进口SPF的组合36.27%、50.49%、30.00%和40.00%，由此可知与齿板连接的规格材性能明显影响板齿极限强度，而国产日本落叶松性能较同等级进口SPF更好。对比国产齿板和日本落叶松组合及进口M20齿板和进口SPF组合2组结果，前者在4种工况下均高于后者，由此可知国产齿板和国产日本落叶松的齿板连接性能较好。

2.3 齿板受剪极限强度

根据《木结构设计规范》附录M规定，齿板受剪极限强度为3个齿板受剪极限强度试验值中2个最小值的平均值，计算可得齿板受剪极限强度。同时对国产齿板和日本落叶松组合及进口M20齿板和进口SPF规格材节点组合进行对比(何桂荣等， 2010)，详见表2。

表2 不同组合齿板受剪极限强度对比Tab.1 Comparison of shear resistance of truss plate

由表2可知，除剪-拉复合受力情况下θ=120°时国产齿板和日本落叶松组合的齿板受剪极限强度较小外，其他工况均较大，而且2种组合在剪-拉复合受力及剪-压复合受力情况下，随着角度不同变化趋势相似。在纯剪受力情况下，荷载与齿板主轴的夹角θ=0°时抗剪强度略大于θ=90°； 在剪-拉复合受力情况下，当θ=60°时抗剪强度最大、θ=120°时抗剪极限强度最小； 而在剪-压复合受力情况下，当θ=30°时出现最大值、θ=120°时抗剪极限强度最小，与罗欢等(2014)研究结论相似，主要原因可能是在θ=30°齿板净表面积(去除齿槽)较大； 同时可知，剪-拉复合受力情况下极限强度均高于纯剪受力情况，而剪-压复合受力情况下抗剪极限强度较低，原因是剪-压复合受力情况下主要为齿板面板的屈曲破坏，面板的屈曲承载力远低于抗拉破坏承载力。

3 结论

1) 板齿极限强度试验在AA、AE、EA和EE 4种工况下的破坏方式均为齿拔出破坏； 齿板抗剪强度试验按照齿板受力情况不同可分为纯剪受力、剪-拉复合受力和剪-压复合受力3类，3种受力情况下主要破坏方式分别为木材接缝处开裂、齿板端部齿拔出与齿板在木材接缝处开裂和木材接缝处齿板翘曲。

2) 荷载方向对齿板连接节点承载力影响较大。日本落叶松和国产齿板连接节点的板齿极限强度在AA、AE、EA和EE 4种工况下分别为3.50、2.53、2.61和2.37 N·mm-2，板齿极限强度在荷载平行于齿板主轴及木纹方向时最大，在荷载垂直于齿板主轴及木纹方向时最小； 齿板抗剪强度在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种工况下分别为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种主要受力情况下齿板的受剪极限强度最大值为剪-拉复合受力情况，其次为纯剪受力情况，最低为剪-压复合受力情况。

3) 当齿板种类相同时，国产日本落叶松规格材节点承载性能较同等级进口SPF更好，与常用的进口SPF和进口M20齿板连接节点相比，国产日本落叶松和国产齿板连接节点在板齿极限强度和齿板抗剪强度2方面均较高，可深入研究国产齿板与国产日本落叶松制成轻型木桁架的承载性能，为进一步完善我国木结构建筑体系提供参考。

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(责任编辑 石红青)

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”国家支撑计划课题“结构用木质复合材料构件制造技术研究”(2015BAD14B0502)； 国家林业局林业科技成果推广项目“新型国产材木结构墙体与桁架连接技术应用与示范”(201409)。

*赵荣军为通讯作者。

TU366.2

A

1001-7488(2017)11-0157-07