轻型木结构节点连接方式研究

胡杨楠，杨宇生

（北方工业大学建筑与艺术学院，北京 100144）

0 引言

木结构建筑的发展历史已有数千年，已从传统纯木结构建筑进入钢木混合的现代木结构建筑的发展阶段。现代木结构是指通过现代的新型科技手段，将木材或板材经过层压、胶合、金属构件连接等一系列现代化的工艺处理，最后形成整体结构性能远超原木结构的现代木结构体系[1]。现代木结构依据房屋承重构件所运用的材料可分为重型木结构（胶合木结构）、轻型木结构、方木原木结构及混合木结构4种主要形式，每种结构形式的节点连接方式各有千秋。轻型木结构是其中的重要分支，对于其节点连接方式的研究影响着轻型木结构建筑能否在我国木构建筑式微阶段获得更广泛的关注。

1 轻型木结构的特点

轻型木结构起源于北美地区的部分民用住宅所采用的木结构形式，后逐渐应用到3层及3层以下的民用建筑中，在20世纪80—90年代逐渐传入我国，其主要结构体系由木构架墙、木楼盖和木屋盖系统三部分所构成[2]，每部分中的最小单元由断面较小的统一规格材经过有序地密布排列[3]。随着建筑技术的进步，又衍生出板壁式的结构体系，由剪力墙、楼盖和屋盖三大部分组成（见图1），但构件的最小单元保持不变[4]。由于其自身高度和跨度较小，所受到的水平荷载和竖向荷载及自重荷载同样较小[5]，以轻型木桁架为主要承重构件，以规格材作为建筑主材料，以剪力墙起支撑性能的新型现代木结构建筑形式轻型木结构，具有建造成本低廉、建筑材料节能环保、结构性能稳固、易于统筹设计、装配灵活、施工周期短以及便于修缮等优点，是目前市场上投放最多、技术经验较为成熟的现代木结构之一。

图1 轻型木结构体系

2 轻型木结构节点连接方式

随着材料科技的创新和建筑技术的发展，现代木结构建筑节点构造几乎不再采用通过构件本身的穿插关系搭建木构建筑骨架的传统榫卯连接方式，而是更倾向借助现代金属元件获得比过去纯木构件刚性更强的力学性能，采用间接的方式将不同结构骨架搭接在一起的连接方式（见图2）。轻型木结构主要的结构构件均采用当前市面上标准化的规格材或工程木产品，其构件连接节点主要采用刚性连接和金属连接件连接[6]。

图2 现代木结构金属连接节点

常见的刚性连接方式有齿连接、键连接、钉连接和螺栓连接等销轴类连接形式[7]，其在大众市场上的应用已较为广泛。在此基础上，还出现了齿板连接和植筋连接等适应木结构现代化的节点连接方式。其中，除对建筑外观等方面有特殊要求外，在轻型木结构中主要运用与纯木节点相比表现性能更佳的齿板连接、钉连接、螺栓连接和利用金属挂钩件进行节点加固[8]。

2.1 钉连接

钉连接属于销钉类连接，在轻型木结构中是使用最早也是最基本的连接形式。钉连接件形式多样，常见的钉连接件有圆钢钉、螺纹钉、麻花钉等形式。由钉连接件连接的木结构节点在整体结构中主要担负着传递剪力、抵抗拔力的作用，具有较好的抗震性能。

轻型木结构的抗侧力性能主要由其中剪力墙部分里的覆面板和墙内骨架之间的钉连接的受力性能决定。其保证整体结构的受力均匀及工作性能稳定，发挥抵抗强风、地震等侧向压力的作用，以期达到保持木结构整体骨架稳定的目的。钉连接件嵌入的方式有多种，一般根据受力情况选择，最常见的钉嵌入形式有平行钉入、斜向钉入、垂直钉入3种（见图3）。

图3 常见钉嵌入形式

钉连接的承载性能直接影响轻型木结构剪力墙乃至整体结构的受力性能，钉连接处的节点构造部分起到至关重要的作用。高建等[9]根据国内外相关研究总结归纳出钉连接节点性能主要受到基材、面板的密度与质量、钉材的规格型号、钉的嵌入方式、节点的几何形式、木材纹理方向及施工方式等因素的影响，如直钉连接的钉节点性能优于斜钉连接的节点性能；完全嵌入的钉节点性能优于未完全嵌入的钉节点性能等。

尽管单个钉受到本身规格的限制仅能传递较小的载荷，但因其有着紧密性高、韧性充分、受力性质明确且施工便捷的优点，极大节省了人力物力成本，成为现代轻型木结构中最常用的节点连接方式之一。

2.2 螺栓连接

螺栓连接属于销轴类连接，其原理是利用孔壁的挤压作用所形成的摩擦，达到巩固连接构件的作用[10]。较多现代木结构建筑采用螺栓连接的节点连接方式，在某种程度上螺栓和钉在轻型木结构的节点构造处承担了相似的受力条件，但因螺栓相较钉子具有更大的剪切面，因此该类连接节点的承载能力较钉连接更大，节点结构相对牢固。由于轻型木结构中最小构件的规格材的剪切破坏和破裂破坏都是脆性破坏，而螺栓连接具有抗变形能力，从安全性来看，相比其他节点连接方式，其出色的抗弯能力为连接破坏的最佳选择。因此，规范中还给出通过螺栓连接的木构件的最小厚度，从根本上保证了螺栓连接受力的安全性与稳定性。

螺栓节点的连接方式为：预先对木构件进行钻孔，再将螺栓或者销钉插入事先钻好的孔中；或直接在施工现场插入螺栓。该连接方式传力简单、安全可靠、经济性能较好，相比于钉连接安装更加灵活，符合现代装配化生产的趋势，但相较钉连接又需预钻孔，不如钉连接施工简便，也有一定的限制。

2.3 齿板连接

齿板连接是轻型木结构最常见也是现在使用范围最广的1种连接方式，主要应用于轻型木结构中的最小组成单元木桁架节点的连接（见图4）。齿板的材料一般为镀锌或是镀铝锌的高强度钢板，其制造过程为：先采用高速冲模机将整卷镀锌钢板冲切成凸出的板齿，再根据实际需要裁剪成不同尺寸的齿板，将齿板压入木材需要连接的节点中便形成了轻型木桁架的齿板连接节点。

图4 齿板

通过在桁架的连接处置入齿板，可对桁架中各条木弦进行较为快速和准确的定位。其安装方式为：在预制工厂中拼装好一榀桁架后，将轻型木桁架平放，再通过专门的加工机械将齿板直接压进桁架中所对应的各条木弦间的连接处（见图5）。

图5 木桁架节点连接

齿板连接作为轻型木桁架独有的连接方式，其连接性能也受到各种影响因素的制约，如木材的纹理方向、荷载力的作用方向、板齿的分布情况、板齿的数量及大小、木材的含水率等。虽然齿板连接在轻型木结构的节点连接中应用较广泛，但这种节点连接方式的强度相对来说还是属于比较薄弱的，故其承载能力决定整个桁架的承载性能[11]，专业人士通过“屈服理论”及相关力学荷载试验，对其构造提出了如下4点要求。

1）齿板应以成对的形式对称地置于构件连接节点的两侧且成垂直关系。

2）采用齿板连接嵌入最小构件的深度至少应为做齿板承载力试验时嵌入深度的2倍且嵌入深度不应大于构件的1/2。

3）应保持齿板连接构件完好，无缺损、木结节或孔洞等缺陷。

4）全部完成拼装后的齿板及构件应形态完整，无变形、位移等。

相较纯木连接的连接形式，齿板连接不仅可提前进行预制生产，成批制作，满足装配化生产的工业需求，其生产方式不仅使节点性能稳定可靠，更缩短了施工周期、节约了劳动成本、提高了装配效率。虽该节点方式也有其相应的弊端，如由于齿板较薄较于其他节点连接方式其强度不足，受压承载力较低、安装注意事项过于烦琐，但也不失为是1种便捷的节点连接方式，如果在齿板的承载力性能方向或自身材料强度上加以设计改善，其在轻型木结构领域将得到更广泛的应用。

2.4 挂钩件连接

挂钩件是轻型木结构体系中连接主梁与次梁、缝边梁与主梁普遍采用的金属连接件，主要用于传递竖向荷载。根据使用位置的不同分为梁柱用的“重型”挂钩件和格栅用的“轻型”挂钩件，根据传力机理的不同分为顶挂型和面挂型。应用于轻型木结构中的挂钩件质量较轻，相对应的承载力也较低[12]。根据适用情况与场景的不同又衍变出偏转型、倾斜型、组合型等不同种类的特种挂钩件，但不管是何种类的挂钩件，均由正面翼、侧面翼、底板3部分组成。挂钩件连接的节点构造由挂钩件、紧固件和被连接的结构构件构成，属于外露式的建筑节点，因此可进行外观上的美化，符合当代审美需求。相较传统的螺栓节点和钉节点，挂钩件尺寸、形状各异，美学性能更高，且作为传递竖向荷载的关键节点，挂钩件连接节点因其安全可靠、安装便捷的优势被大量使用于轻型木结构的节点连接中。相较其他连接方式，挂钩件的独有特点要求在设计节点构造时注意进行艺术性加工，作为耐火性能更差的小面积金属连接件，在设计时还需考虑增强其自身的防火性能。

3 结语

通过对轻型木结构节点构造处的主要连接方式的归纳，得出以下结论。

1）钉连接与螺栓连接作为传统的刚性连接形式，成本低廉，施工便捷，但随着轻木桁架跨度加大，若单纯靠钉和螺栓连接结构中的主要构件，则整体结构的可靠性能差，因此这两种连接方式的使用范围存在局限性。

2）齿板连接是木屋盖桁架节点的主要连接形式，齿板构件对尺寸精度的要求并不高且置入位置灵活，适应当代工厂预制化的生产模式和装配式的建设手段，而且结构可靠度高，当桁架布置间距较大时，使用齿板连接的连接形式可大幅度提高桁架的生产效率与装配化水平。

3）挂钩件作为轻型木结构中最主要的受力连接载体被广泛用于轻型木结构建筑的主要骨架构件连接处，具有良好的承载性能及塑性抗变形能力。它作为建筑外露的结构构件，可根据群体需要进行美观上的升级与定制。但因挂钩件尺寸各异、形式多样，因此难用某个恒定的公式计算其节点的承载力，所以在使用中需要耗费时间和精力去挑选合适的挂钩件。

木材作为绿色生态、可再生的建筑材料，其在实用性和美学性上表现优异。我国虽是木结构建筑艺术发展的摇篮，但由于近代受西方工业文明的影响发展以钢筋混凝土为主的新的结构体系，使我国几千年的传统木结构体系逐渐没落。近年来，随着装配式木结构建筑等现代木结构建筑理念的兴起，掀起了木结构建筑复兴的风潮，而自北美国家传入的轻型木结构在我国的大量推广，这可能是将我国木结构建筑发展推向另一高峰的契机。

轻型木结构具有良好的抗震性能，更加适应现代工厂预制的建造方式，优越的保温隔热性能及材料的绿色可再生性使其成为现代木结构中广泛应用的1种形式被大众所接受。作为轻型木结构体系中关键的组成部分，节点连接方式的选用不仅影响轻型木结构的承载力、刚度、延性及耗能水平，也对安装的便捷性、结构成本的经济性及建筑的美观性具有重要影响。因技术不断进步，轻型木结构中不同部分的节点构造必将趋于标准化、规范化、高质量化甚至是艺术化，迎合当代的高质量大规模生产需求和日益提高的美学需求。

相较欧美地区的某些国家，我国对轻型木结构节点的研究还处于发展阶段，尽管可制作和供应适应国内市场需求的金属连接材料，但其节点连接技术大多依赖进口，在一定程度上使节点技术的创新具有局限性。由于金属材料的介入，木材和金属之间不同的物理性能会产生相互作用，所以要特别注意节点构造处的防腐设计和防火设计。在发展绿色建筑与建筑装配化的背景下，我国现代木结构建筑在木质新材料、组合构件和新型节点连接技术等方面还具有很大的发展空间。