钢筋混凝土-木混合结构中的节点连接技术研究进展

宋博骐 尹婷婷 韩振华

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

钢筋混凝土-木混合结构于20世纪50年代在欧洲开始被应用于工程中，特别是新建房屋结构以及现有结构的改造翻新中。钢筋混凝土-木混合结构由混凝土主体结构和木质材料通过一定的节点方式连接而成，其最常见的组合形式为混凝土结构作为主体支撑结构，木结构材料作为填充构件，从而使混凝土受压、工程木材料受拉，2种材料分别发挥各自的优势。该类混合结构具有良好的强度和刚度，在地震荷载或静力荷载作用下具有较好的结构性能。

在钢筋混凝土-木混合结构体系中，节点连接至关重要。由于混合结构具有多相构成、受力复杂等特性，故节点连接影响整体结构的应力分布和变形，从而决定整体设计。原则上，从力学性能的角度出发，理想的节点连接应该为：连接足够强，可以传递截面的剪切应力；刚度足够大，截面在有限滑移范围内可以传递载荷；耐久性好，可以持久承受均布荷载并避免连接破坏[1]。此外，节点连接也应考虑到不同的需求，如连接成本、实际安装便捷性或复杂性等。

因此，国内外学者对钢筋混凝土-木混合结构连接件的抗剪承载力做过很多试验及理论研究。根据剪力连接件的变形能力，可将其分为刚性连接件和柔性连接件。柔性连接件在极限状态时，既限制木梁与混凝土板之间过大的相对滑移，又允许有一定的相对滑移值；刚性连接件则不允许发生相对滑移。

钢筋混凝土-木混合结构的节点来源于木结构连接方法，多数使用金属连接件。常见的剪力连接类型有：钉类连接件、金属板连接件、剪力键连接件及胶合连接。它们各具特点，国内外很多学者都对其进行了试验研究及受力分析。本文介绍不同节点连接类型的性能及研究进展，总结节点连接的力学性能，并介绍国外设计规范指南对混合结构节点连接的规定，为钢筋混凝土-木混合结构的节点选型及设计提供依据。

2 混合结构节点连接种类

2.1 销钉类连接件

销钉类连接件是木结构中最重要的连接方式。该连接件价格便宜、安装方便，因此在钢筋混凝土-木混合结构中依然十分常用。销钉连接件的种类主要有螺钉、直钉、螺栓等。截面的剪力传递主要通过轴向荷载完成，同时也能避免界面产生剥离。由于螺栓具有较高的轴向荷载能力，因此应用最为广泛。影响销钉连接抗剪承载力的主要因素有销钉强度、入木长度、销钉角度、布置情况及混凝土强度等。

2005年，Dias[2]通过推出试验证明，随着混凝土强度及连接件强度的增加，混合结构节点抗剪承载力增大。销钉倾斜45°放置，可形成一个虚拟的桁架，其节点抗剪承载力是垂直销钉连接的3倍[3]。销钉连接件的极限承载力随着钉入木材的长度增大而增大，且螺纹销钉的承载力高于 光钉[4]。

目前，对于销钉类连接件的抗剪承载力理论研究大多基于Johansen屈服理论。该屈服理论对于木-木连接具有很好的适用性，然而对于木-混凝土的钉类连接数值模拟存在偏差，有待进一步分析研究。

2.2 剪力键槽口连接

剪力键槽口连接多用于组合梁及楼板，实施时先在木质构件上钻孔、铣槽，然后用混凝土浇筑填满孔或槽口，使木质构件与混凝土形成一个整体。剪力键槽口连接存在脆性破坏及轴向承载力较低等缺点。为克服这些不足，剪力键槽口连接通常结合螺栓等金属连接件同时使用，以增大轴向承载力和耐久性。根据不同的槽口尺寸配置不同的螺栓，既可对剪力键连接的轴向承载力起到补充作用，同时也能提高抗剪力及连接耐久度。此外，采用栓钉加强的槽口连接件对减小由于混凝土收缩引起的混凝土与木材之间的缝隙效果较为显著[5]。

与钉类连接相比，钉类连接中滑移模量取决于连接件和木材的柔韧性，而剪力键槽口连接方式中的滑移模量主要取决于木材中槽口表面积的刚度以及槽口内混凝土的 刚度。

对于这类连接件来说，栓钉和槽口中的混凝土均提供抗剪承载力，槽口的形式、长度、深度以及不同类型的螺钉是影响组合效果的主要因素。通过推出试验可发现，槽口-栓钉连接的主要破坏形式有混凝土局部破坏和连接件弯曲。其抗剪承载力随着剪力键的长度、宽度及深度增大而增加[6]。

2.3 其他连接

除了销钉连接和剪力键槽口连接之外，还有许多其他类型的连接，如摩擦力连接、直接胶合连接、齿板连接等。其中许多连接类型还处于研究阶段，尚未应用于实际工程中。然而诸如直接胶合等连接类型仍有许多应用潜力。其中，齿板或钢板连接的应用相对广泛。

摩擦力连接是一种不使用销钉，利用不同材料之间的正压力而形成的有效连接。20年前，瑞士建筑事务所Pirmin Jung Ingenieure AG开始研发一种基于摩擦的用于木结构与混凝土组合系统的连接，称为Plus-Minus系统。该系统由高度不一的榫板单元构成，如图1所示。当榫板上的混凝土干缩时，木质榫板与混凝土之间的摩擦力增大，形成有效连接。过去20年内，这种Plus-Minus系统已应用于多个工程项目中。虽然这种系统未完全申请专利保护，但实际上只有Pirmin Jung建筑事务所提供这项技术。在上述系统的研究基础上，瑞士建筑施工公司Tschopp Holzbau AG为系统说明了详细的设计参数。根据设计指导，建筑中常见的跨度为6.5 m的楼板由厚140 mm的木质层与厚120 mm的混凝土层构成。

图1 Plus-Minus 系统

德国魏玛大学的学者对Plus-Minus系统进行了推出试验及抗弯试验研究。研究结果与Pirmin Jung公司1997年的结果相吻合。对于厚200 mm（厚120mm木质层＋厚80 mm混凝土层）、宽1 000 mm的木-混凝土组合试样，其弯矩达到178 kN·m时被破坏。为了降低界面的接触压力，设计垂直方向推出试验，得出试样平均剪切强度为0.3 N/mm2。

近年来，利用胶黏剂来使木材与混凝土形成胶合连接的方法已经成为一个较为热点的研究方向。这种方法相比于连接件节点连接来说有许多的优点。目前，关于胶合连接的研究可分为两类：使用预制的混凝土板及现场浇筑混凝土，也可称为干法作业及湿法作业。利用胶黏剂连接可以提供半刚性的节点连接，从而提高连接的劲度和强度。此外，还可以简化整体复合结构的计算。由于在全接触面上剪力均匀分布，因此可以避免局部受力。尽管有上述优点，利用胶黏剂连接也存在许多问题，例如复合结构节点的耐久性，以及未来对节点可靠性的把控将十分困难。同样，现场作业及连接脆性失效也是胶黏剂应用于复合结构连接的难题。基于上述原因，胶合连接仍在研究中，并未实际应用。

3 节点连接的力学性能

在钢筋混凝土-木混合结构中，只有在两相连接节点可靠时才会形成有效的混合结构。因此，在设计混合结构节点连接时，应充分考虑节点的刚度与强度。两相之间节点的韧性决定混合结构的承载力和极限变形承载力，因此，适当的韧性可以防止连接破坏并重新分配荷载，在计算节点的力学性能时应考虑到连接节点的韧性。在实际研究中，通常运用试验研究来估计钢筋混凝土-木混合结构的力学性能。

3.1 刚度

钢筋混凝土-木混合结构的刚度决定两相界面的变形，而组合系统的复合运动由截面形变决定。根据英国标准 EN 26891[7]规定，通常连接刚度视为连接处的滑移模量。组合连接系统的刚度影响抗弯刚度、形变、层间内应力及应力分布。

因此，节点连接刚度对极限承载力及正常使用最大承载力都十分重要。根据研究，节点连接刚度可用来对节点进行分等，也是节点连接设计的主要参数。

3.2 强度

钢筋混凝土与木材节点连接的强度即为截面的最大剪切应力。根据EN26891规定，通常认为截面滑移15 mm时的应力即为最大载荷。需要强调的是，节点的载荷与变形和刚度有关。

3.3 韧性

在钢筋混凝土-木组合节点连接方式中，金属连接件通常用于柔性连接，槽口剪力键通常用于刚性连接。节点连接类型不同，连接件不同，其连接性能也不同。利用柔性连接可以提高节点的承载能力及极限变形。

此外，根据研究[8]，除了柔性连接，钢筋混凝土-木组合连接的承载力还和其他因素有关。通常节点连接的刚度试验测得值大于理论预测值，此时木材已达到静曲强度而节点仍保持弹性有效。因此，实际上混合结构系统的承载力比预期的大，通过对大量连接节点的研究同样可以证明上述结论。

4 现有规范指南

虽然目前对于钢筋混凝土-木混合结构体系有许多学术研究及工程实践，但是对于其结构设计依然没有一个合适的通用框架或设计规范指南。许多国家制定了一些不完全的规定及指南，主要用于解决在钢筋混凝土-木混合结构桥梁，或其他构件中存在的设计问题，其中以欧洲规范5（Eurocode 5）为主。此外，还可以在一些工程及学术成果中找到关于混合结构节点连接的报告。

4.1 欧洲规范5

在欧洲规范5第1-1部分及第2部分中[9-10]，说明了一些木混结构设计的具体要求条款。此外，还有一些其他通用要求条款适用于木混结构设计。以下是专门适用于混凝土-木混合结构节点连接设计的条款：第1-1章，条款7.1，“（3）混凝土-木连接滑移”；条款2.4.1，表2.1，“材料性能推荐分项系数”；条款5.2，“复合动态桥面平面体系”；条款5.3，“（2）金属紧固件和槽口连接设计”；条款8.2，“复合系统中木-混凝土连接”。

条款7.1中说明，基于木构件连接模型并乘以系数2，可以得到木-混凝土连接的滑移模量。通过这个方法可以假设混合体系连接中，混凝土变形量忽略不计，而连接刚度是木结构连接的2倍。

由于木-混凝土混合结构连接存在不确定性，因此，计算滑移模量时同时需要承载能力极限状态和正常使用极限状态分析。在正常使用极限分析中，滑移模量平均值可由公式或者试验得到。然而在承载能力极限状态中，由于刚度较小，因此滑移模量实际值比计算值小。

在规范EN 1995-2中说明了木-混凝土组合连接计算的分项系数，用于评估荷载的不确定性与结构的可靠度。当连接正常破坏时，分项系数为1.25；当连接疲劳破坏时，分项系数为1.0。可以看出，组合节点的分项系数1.25比木结构节点连接1.30略小。

在条款5.2中，明确说明了复合动态桥面平板体系设计与计算时应考虑节点连接滑移的影响，并在条款8.2节点连接部分中详细说明了计算方法。

条款5.3（2）说明了在金属紧固件及槽口连接节点设计时，应满足复合结构之间应力充分传递的要求。此外，由于现有摩擦力连接或胶合连接研究还不足，故不可用于木材与混凝土节点连接。

第8章中详细说明了混合结构节点设计的要求。其中8.2.1（2）说明，当木结构与混凝土之间有中间非结构层时（如框架），节点连接的刚度与强度应通过特殊分析或试验获得。8.2.2（1）中规定，对于槽口连接，剪切应力可根据推出试验获得。8.8.2（2）规定节点连接应该验证混凝土与木结构之间的可靠性。8.8.2（3）规定混凝土与木材之间应紧密结合；8.2.2（4）规定节点处木材与混凝土之间的拉力应该为剪切应力的10%。

上述规定在欧洲设计规范5中分布于第1-1部分和第2部分之中。在大多数应用实践中，木结构与混凝土的节点连接设计需要借鉴木结构中的有关规定。

4.2 澳大利亚及新西兰设计指南

澳大利亚及新西兰的钢筋混凝土-木混合结构的设计指南参考欧洲规范5，并同时考虑到澳大利亚及新西兰对于木结构的要求。其中一些应用于本指南的规范条款考虑到复合楼板的长期荷载变形。设计指南中，限定了楼板跨度应不超过8m，并规定须运用指南中的2种连接形式[11]。规范假定节点连接的极限承载能力及正常使用承载能力为 线性。

图2为澳大利亚及新西兰设计指南中混凝土-木混合结构节点连接。当梁厚度≤50 mm时，要求方头木螺钉直径12 mm，钉入木构件深度80 mm或不小于螺纹长度。当梁厚度＞50 mm时，方头木螺钉直径16 mm，钉入木构件深度100 mm或不小于螺纹长度。

图2 混凝土-木混合结构节点连接

4.3 美国AASHO/AASTHO规范

1949年版美国国有公路管理员委员会（AASHO）[12]以及1983年版的美国国家高速公路和交通运输协会（AASHTO）[13]规范，对钢筋混凝土-木混合结构桥梁作出了相关规定。

在1949年AASHO规范中，规定内力时，假定木材与混凝土之间完全连接，无相对滑动。此外，基于两相之间完全贴合、无垂直方向开裂的假设，部分条款还规定了截面剪力的计算公式。在1983年AASHTO的规范中，要求混凝土-木复合连接中使用的连接件或连接方式的抗剪力应平衡整个平面内剪力，避免层间剥离，并明确允许使用钉连接及槽口连接等不同节点连接方式。

4.4 加拿大公路桥梁设计规范

加拿大公路桥梁设计规范[14]对于钢筋混凝土-木混合结构道路桥梁的连接设计有特别的规定。规范指南中的要求特指利用混凝土-木混合结构作为桥面。与澳大利亚及新西兰设计指南中的规定相似，如图3所示，该规范中允许运用不同深度的槽口层合连接以及金属连接件连接。

根据规范，其中第1种槽口连接方式自1955年以来已经成功应用，而第2种钉连接方式近来一直在深入研究中，并从20世纪80年代以来发展迅速。规范表明，基于混凝土与木材之间刚性连接，可以运用截面换算法进行节点分析。

4.5 巴西木质桥梁设计手册

图3 加拿大公路桥梁设计规范中的节点连接

巴西就混凝土-木组合连接系统进行研究始于20世纪70年代。近来研究表明，由于巴西缺少对混凝土-木连接的规范要求，故巴西的混凝土-木节点连接及具体运用基本上参照欧洲规范5[15]。

此外，在2006年巴西出版的有关桥梁设计指南中，对混凝土-木混合桥梁的设计和分析作出了相关规定[16]。规定中具体说明对于由圆木单元构成的混合结构桥面，其分析方法基于壳理论。在设计手册中同样也介绍了节点连接方式，根据不同的钢筋直径在混凝土及木构件中植入不同类型及尺寸的连接件。通过试验研究[17]，可以得到这种节点连接方式的力学性能。

5 结语

在钢筋混凝土-木混合结构中，木材与混凝土之间的节点连接十分重要，其可靠性关系到结构设计及稳定性。本文围绕钢筋混凝土-木混合结构的连接节点，研究了节点力学性能、国外现有的设计规范与手册中对节点连接的规定，以及节点连接种类。

研究表明，目前应用与研究最广的节点连接方式为金属连接件，如销钉、螺栓、预埋连接件等，但是其他连接方式，如剪力键连接等，同样具有良好的力学性能与应用前景，有待深入研究其在建筑工业化中的应用。国内外已有许多对于节点连接力学性能的理论计算研究，但是在混合结构有限元分析时尚无特定的单元用于计算。深入研究更准确、更简便的节点计算方法，制定符合安全性及使用性强的国内设计规范，有助于混合结构建筑的设计及市场推广。

许多国内外学者基于推出试验对木-混凝土混合结构节点连接的力学性能进行研究，在实际混合结构建筑中，木构件与混凝土梁柱或楼板、剪力墙等构件之间的节点连接性能受到长期荷载的影响，且木质构件的蠕变受含水率变化影响很大，需要更多的试验研究来验证节点连接耐老化性及长期荷载下的可靠性。

此外，在混合结构中，常见的木质构件与混凝土组合形成的梁柱或楼板，由于其质量、刚度不均匀，静力动力反应不一，材料温湿度响应不同，故在设计中应根据不同的应用需求充分考虑其节点连接可靠性。