（森林工程专业论文）轻型木结构齿板连接的结构性能研究.pdf

摘要 木材，是一种建筑材料，是完全可以回收利用的可再生资源，这些都是木材所特有的 优势。令天的轻型木结构建筑是建立在建筑经验、最佳实践方法和规范要求的基础上，保 证了轻型木结构建筑的长期安全性，舒适性，耐久性和使用性能。齿板连接为轻型木结构 中最常见的也是现在最普遍使用的一种连接方式，齿板连接木桁架节点可以提前预制并可 以成批制作，这不但节约了劳动力，缩短了施工周期，而且效率高、节点性能稳定可靠， 制作简单。为了推广轻型木结构在我国的发展，应该对齿板连接方式进行详细的研究，为 齿板连接的木桁架提供一些设计、验算的试验依据。 在试验中主要测试了齿板两种不同连接方式顺纹顺齿、顺纹逆齿连接下的四个力学性 能：极限受拉承载力、板齿抗滑移承载力、承载力与滑移本构关系、齿板与规格材粘结性 能。根据试验数据拟合出了齿板滑移承载力关系式及相应曲线图。由试验结果知，木材的 材质对承载力有很大影响，尤其是加载初期的木材纤维受拉变形，但齿板与规格材间的连 接方式对齿板承载力与滑移无大的影响。规范中提供了齿板抗滑移承载力和受拉承载力设 计值的验算公式，将试验所测得的数据带入规范提供的公式中验算，规范中所规定的发生 o 8 m m 相对滑移的承载力值偏于保守。试验还成功观察到齿板连接的两种不同的破坏形 态：一种为齿板中间突然断裂，为齿板的极限受拉破坏，为脆性破坏；另一种为齿板一侧 或两侧翘起，从规格材中脱离，为齿板的屈服破坏，为延性破坏。通过贴应变片的方法测 试了规格材和齿板的应变，并得出齿板平均粘结应力与滑移基本本构关系和t s 曲线。 影响齿板与规格材粘结性能的因素有齿板的面积和齿板与规格材表面的粗糙程度。 关键词：齿板；规格材；承载力；滑移：粘结性能 分类号：t u 3 6 6 r e s e a r c ho f m e t a lp l a t ec o n n e c t e dl i g h tw o o dc o n s t r u c t i o n s s t r u c t u r e c a p a c i t y a b s 拄a c t t i m b e r i ti sak i n do fc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l ，l t1 st h er e n e w a b l er e s o u r c e st h a tc a nw e l lb e r e c y c l e d a l lt h e s ea r eo w n e db yt i m b e ro n l yt h ea d v a n t a g e n l cl i g h tw o o dt r u s s e sb u i l d i n go f t o d a yi ss e tu pe x p e r i e n c eo ft h eb u i l d i n g ，o nt h eb e s tp r a c t i c em e t h o da n dn o r m a lf o u n d a t i o n t h a tr e q u i r e ，h a v i n gg u a r a n t e e dt h el o n g - t e r ms e c u r i t yo ft h el i g h tw o o dt r u s s e sb u i l d i n g ， c o m f o r t a b l e n e s s d u r a b i l i t ya n ds e r v i c e a b i l i t y 1 1 1 et r u s sp l a t ec o n n e c t i o nu s e dt h a tt h ec o n m l o n o n ei sm o s tg e n e r a l l yn o wt o om o s ti nl i g h tw o o dt r u s s e s ，c a nb ep r e f a b r i c a t e di n a d v a n c e ，m a n u f a c t u r e di nb a t c h e sa n ds a v el a b o r s ，l e s s e f ic o n s t r u c t i o nt i m e ，b u ti se f f i c i e n ta n d p e r f o r m a n c eo fj o i n ti ss t e a d i l y , m a n u f a c t u r i n g i s s i m p l e i n o r d e rt o p o p u l a r i z e t h e d e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r yo fl i g h tw o o dt r u s s e s ，s h o u l dc a l t yo nd e t a i l e dr e s e a r c ht ot h et r u s s p l a t ec o n n e c t i o n ，o f f e rt h ee x p e r i m e n t a lb a s e so fs o m ed e s i g n s ，c h e c k i n gc o m p u t a t i o n sf o r w o o dt r u s s e st h a tt h et r u s sp l a t ec o n n e c t i o n a n a l y z e dt h a tk n o w st h et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t yo f m o i s t u r ec o n t e n t ，t e s t so f t _ h et i m b e rh a v ei n f h i e n c eo nt h es t r e n g t ho f b e a r i n gt h ew e i g h to f b y t h et h e o r y t h ef o u rt r u s sp l a t e sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa r ee s t a b l i s h e dt h r o u g ht e s t i n go fp l a t e i o i n t s o nt h eb a s i so fe x p e f m e n t a ld a t at of i tf u n c t i o no fr e l a t i o n s h i po fc a r r y i n gc a p a c i t ya n d s l i d ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gc u r v e k n o wb yt e s tr e s u l tm a t e r i a lc o n f r o n t a t i o no fd i m e n s i o n l u m b e rh a v ei n f l u e n c eg r e a t l yt oc a r r y i n gc a p a c i t y , p a r t i c u l a r l yi nw o o df i b r et op u l lo n t ot h e i n i t i a ld e f o r m a t i o n ，b u tt h ec o n n e c t i o nw a yo fm e t a lp l a t ea n dd i m e n s i o nl u m b e rh a v i n gl o u d i n f l u e n c et oc a r r y i n gc a p a c i t ya n ds l i p n o r m sp r o v i d e df o r m u l ao f r e s i s t a n c es l i d ec a p a c i t ya n d l i m i t a r yt e n s i l ef o r c e ，c h e c kf o r m u l ao fd e s i g n i n gv a l u e ，w i l lt e s tt h ed a t am e a s u r e dt ob r i n g i n t ot h ec h e e k i n gc o m p u t a t i o n si nt h en o r m a lf o r m u l at h a to f f e r , e m e r g e n c et h a ts t i p u l a t ei nt h e n o r m0 8 m mr e l a t i v et os l i pm o v eb e a rt h ew e i g h to fs t r e n g t hv a l u ep a r t i a lt og u a r d i n g t e s t s t i l ls u c c e e di no b s e r v i n gt w ok i n d so fd i f f e r e n td e s t r u c t i o ns h a p e st h a tt h em e t a ip l a t e c o n n e c t i o n ：o n er a p t u r es u d d e n l yi nt h em i d d l eo ft h eb o a r df o rt o o t h ，d e s t r o yf o rm e t a ip l a t e l i m i to ft e n s i l ef o r c e ，i ti st h ed e s t r u c t i o no ff m g i l i t y ；a n o t h e ri st i l t e df o ro n es i d eo rb o t hs i d e s o fm e t a lp l a t e ，b r e a ka w a yf r o mt h ed i m e n s i o nl a m b e r , d e s t r o yt h es u r r e n d e ro fm e t a lp l a t e ，i ti s t h ed u c t i l ed e s t r u c t i o n t e s t e dm es t r a i no fm e t a lp l a t ea n dd i m e n s i o n1 u m b e rt om e e tg a g e ， o b t a i na v e r a g eb o n d i n gs t r e s sa n ds l i pt h e o r ya n dt sc u r v e i n f l u e n c em e t a lp l a t ec o n n e c t i o n f a c t o ro fp e r f o r m a n c eh a v et h es u r f a c eo fm e t a lp l a t ea n ds u p e r f i c i a lc o a r s ei n t e n s i t yb e t w e e n s u r f a c eo f m e t a lp l a t ea n dd i m e n s i o nl u m b e r k e yw o r d s ：t r u s sp l a t e ；d i m e n s i o nl u m b e r ；c a r r y i n gc a p a c i t y ；s l i d e ；b o n dc a p a c i t y c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t u 3 6 6 y 9 0 6 5 2 5 致谢 本文的研究工作是在我的导师朱少云老师悉心指导下进行的，从师三年，朱老师治学 严谨的态度、博学务实的作风、忘我的敬业精神给我留下了深刻的印象，使我终生难忘， 这也将是我今后工作和学习的榜样。在攻读硕士学位期间，朱老师无论在生活、学习和科 研等各方面均给与了我无微不至的关怀和帮助，使本文顺利完成。在此，谨向朱老师表示 衷心的感谢! 在试验期间曾经得到本院试验室张大中老师和其他老师的极大帮助和耐心指导，在此 谨向老师表示衷心的感谢! 另外在试验期间，得到杨国平同学的大力帮助，在此向他表示谢意! 难忘三年中朝夕相处的同学们在学习上、生活上对我的帮助，祝愿大家一帆风顺! 感 谢所有关心、支持过我的老师、同学、朋友和亲人! 引言 在现代木建筑技术当中，轻型木结构的木桁架技术是一种应用广泛、具有代表性的材 料和结构技术，它的出现和成熟奠定了现代木结构的基础，使木结构完全跨越了传统的技 术界限。从二十世纪五十年代用金属板连接即齿板连接的木桁架首次f 7 世以来，木桁架保 持着良好的使用记录，己为北美洲的建筑规范所认可。随着我国建筑业的发展，这一新型 建筑模式也被引入中国。我国新的木结构设计规范2 0 0 3 年颁布，2 0 0 4 年1 月开始实 行，新规范中增加了轻型木结构的内容。但由于我国缺乏木结构的研究和工程积累，新规 范中并未增加广大设计人员所期望可操作的结构设计方法。 木结构的设计中最困难也是最重要的一个环节就是节点的设计。我国古代传统木结构 节点的设计多采用榫卯连接，但榫卯连接的木构件节点往往刚性比较低，后来发展到采用 齿连接、螺栓连接以及钉连接。齿板连接木桁架制作简单，安装快速，有利于工程的进度， 而且节点采用齿板连接使木桁架具有稳定的工程属性，因此引进和发展齿板连接的轻型木 结构对于根据我国特点建立适合我国国情的木结构建筑有很大的推动作用。但我国现在还 很少关于齿板连接性能的试验和研究工作，新规范中也只是简单介绍了齿板连接的概念， 并直接引用了北美木结构设计规范中关于齿板连接试验和计算承载力设计值等部分内容， 关于滑移与承载力关系的确定只是选取了产生o 8 m m 滑移量时的承载力值进行计算，没 有表现出整个滑移过程与承载力的关系。 本文在试验的基础上研究讨论了齿板连接节点处的承载力和滑移的关系，齿板与规格 材连接接触面的粘结性能及各方面的影响因素，试件制作及试验条件都以术结构设计规 范( g b 5 0 0 0 5 2 0 0 3 ) 附录m 规定的为标准。通过在万能试验机上进行拉伸试验得到齿板 连接节点的荷载与滑移的关系曲线，并将试验数据用s p s s l 2 0 软件进行分析拟合，得出 齿板连接节点的承载力滑移本构关系。再将试验数据带入新规范中提供的计算承载力的公 式计算，计算结果与试验结果进行比较，并根据试验结果分析影响承载力与滑移的各种因 素。通过在齿板表面和规格材侧面贴应变片的方法测得齿板和规格材的应变值，用材料力 学方法求出齿板与规格材接触面的平均粘结应力，得出齿板与规格材的基本粘结滑移本构 关系并拟合出t s 曲线。 第一章概述 1 1 1 木结构的优势化发展 1 1 研究背景 本结构房屋是中华传统建筑的精华，早在几千年前我国就基本形成了木结构框架体 系。但由于我国林木自然资源减少等原因，造成了我国木结构技术发展的滞缓，相关研究 和教学的停滞，木结构设计人员的缺乏。尤其自2 0 世纪7 0 年代以来，建筑师们纷纷将 目光投向了混凝土、钢材和合成材料，忽视了对木材的使用。近年来，随着国家相关政策 的松动，新型木质复合材料的涌现，木结构出现了新的生机，而且人们越来越需要考虑人 类行为对生态环境的影响。正是基于这种考虑，再加上木材业的创新，木质建筑又重新兴 起。木材，是一种建筑材料，是完全可以回收利用的可再生资源，是木材所特有的优势。 由于木质建筑材料的生产过程相对清洁，能耗较低，所以木结构对环境造成的影响也 较小。另外，森林可以不断更新，而且使用木材建造的房屋使用寿命较长，这些都有助于 减轻当前导致全球变暖的地球碳循环的不平衡。 作为一种建筑结构材料，木结构要与钢材或混凝土的各种建筑体系相竞争。图1 1 是 典型的木结构房屋( 1 0 0 基线) 与同等的轻规格钢结构房屋和同等的隔热混凝土结构房 屋对环境的不同影响。 图1 1 木结构与钢结构和混凝土结构比较 f i g 1 一lc o m p a r i s o n o f w o o ds t n | c m f e w i t hs t e e ls t n i c t u r ea n dc o n c r c t cs t r u c t u r e 【 2 对比结果显示木结构房屋的能量消耗比钢结构房屋少5 3 ，比混凝土房屋少1 2 0 ： 木结构房屋的全球变暖潜能比钢结构房屋少2 3 ，眈混凝土房屋少5 0 ：术结构房屋的 空气毒性指数比钢结构房屋少7 4 ，比混凝土房屋少1 1 5 ：木结构房屋的水体毒性指数 比钢结构房屋少7 4 ，比混凝土房屋少11 4 ：木结构房屋的资源利用比钢结构房屋少 14 ，比混凝土房屋少9 3 。 木结构建筑主要有普通木结构、胶合木结构和轻型木结构，其中轻型木结构住宅建筑 在我国有着较为广泛的应用前景。轻型木结构开始于1 0 0 多年前的北美，长期以来，无 论在建筑物性能表现上还是在装配它的行业技艺上，其已得到公认。今天的轻型木结构建 筑是建立在建筑经验、最佳实践方法和规范要求的基础上。各种规范要求是依据多年的性 能记录和广泛的研究成果制定的，包括湿度控制，防火安全，隔音控制，室内空气质量， 采暖，制冷，能效，材料性能，抗御大风和地震的能力，劳动力和材料成本效益。建筑规 范和建造技术所依据的科研及开发，保证了轻型木结构建筑的长期安全性，舒适性，耐久 性和使用性能，而且其成本也具有竞争性，因此将继续为人们所青睐f 2 “。 1 1 2 木结构节点连接方式的研究和发展 任何建筑结构的强度、刚度、稳定性在很大程度上取决于它各个部分构件之间的连接， 木结构的一个特点就是作为一种建筑材料，木材能以多种不同的方式进行连接，如齿连接、 螺栓连接、钉连接和金属板连接等。而木结构的设计中最困难也是最重要的一个环节就是 节点设计。传统木结构建筑利用榫卯结构进行连接，这是一种优秀的结构手法，它巧妙地 将各个方向的构件穿插起来，同时保证外形简洁，不留痕迹。榫卯结构一般不使用金属杆 件，结合部具有一定的强度、韧性和变形能力。现在我们仍然可以见到几百年前的木建筑， 如挪威的木条教堂，我国山西省的应县木塔。但这种节点方式往往把更多的重点放在如何 保证外观造型的完整之上，因此这种连接方式的特点往往表现为节点处刚性较低【5 “j 。 西安赵均海教授提出了将中国古代传统的棒卯连接简化为变刚度刚性连接，从而得出 西安东安门城楼固有频率的一种新的分析模型。赵均海教授通过对中国古代木结构的结构 特性分析，得出了合理的力学模型，采用变刚度单元模拟真实木结构梁柱的榫卯连接用虚 拟单元的不同刚度条件反映真实的半刚性连接，将变刚度单元加入有限元程序，对西安东门 城楼进行了弹塑性有限元分析，得出了不同刚度系数下的力学性能，为古代木结构建筑研究 提供了有用的资料。通过试验和计算他得出弯扭刚度系数对结构内力的影响很大，故应当 合理设计榫卯接头和斗拱刚度以确保结构的安全可靠。结构是由弹性进入塑性，此时结构 的内力仍然很小，产生结构塑性的是结构豹节点，而不是构件。继续加载，使结构的塑性范围 继续扩大，结构内力重新分配，构件的内力仍然很小，而产生塑性的仍然是节点。通过弹塑性 分析计算，可知古代木结构建筑的弹塑性破坏不是构件破坏，而是结构节点的破坏h “。 随着现代建筑技术的发展，越来越多的木建筑需要大跨度、大空间，因此传统的榫卯 连接方式无法满足现代结构的需要。现代的木结构设计更多引入钢结构的设计理念，节点 处不可避免地使用金属构件来满足结构需要，最早开始使用各种类型的钉子来进行节点连 接。图1 ，2 为几种典型的钉连接件。有学者对钉连接构件进行承载力位移试验研究，得到 承载力位移曲线1 - 3 ，并得公式尸= 肋j 3 ，式中d 为钉的直径，k 为系数，k 的取值见表1 1 ， 在不同的荷载范围里根据不同类型的钉连接件和木材材质得到不同的k 值。 翻卜2 钉连接类型f j j ) f 嘻1 2n a i lc o n n e c t i o nt y p e i 表l - f系数丘的取值1 1 ” t a b l e1 1d a t ao f c o e f f i c i e n tk 【1 3 0 3 3 - 04 7 5 00 4 1 , 4 4 0 ) 2 31 7 3 3 6 0 ) 2 6 3 4 3 8 2 0 0 4 6 - - 0 5 66 95 0 ( 2 叩0 ) 3 1 姻n 6 4 0 ) 2 9 5 1 【4 , 2 8 0 ) o5 7 - - 9 3 49 4 5 2f 2 7 2 0 ) 4 4 1 3 6 ，4 0 0 ) 3 4 1 3i 4 9 5 0 ) 轶未 6 2 9 - 0 a 2s o ，0 4i 1 , 4 4 0 ) 2 3 盯f 3 3 6 0 ) 2 3 3 0 3 0 8 。) o 枷4 76 25 5 ( , e o o ) 2 9 7 9h 3 2 0 ) 笳3 4 ( 3 脚 o4 鲫鸵7 64 5 2 , 2 0 0 ) 3 6 4 0 ( 5 2 8 0 ) 2 9 5 1c 4 , 2 8 0 ) 滑# fr a m ) 固1 - 3 钉连接承载力揖移曲线雎 f i g 1 3 c a r r y i n gc a p a c i t y a n ds l i d e c u r v eo f n a i lc o n n e c t i o n 图1 - 4 常用螺栓类型【“1 f i g 1 - 4 t y p e o f c o m m o nb o l t 1 4 】 与钉连接比较相似的是螺栓连接，螺栓连接与钉连接的作用原理是相同的，图1 - 4 为 常用的螺栓类型，其中a 为扁头型螺栓，b 为圆头型螺栓，c 为椭圆头型螺栓。扁头型 螺栓最常用于比较平整的木材表面连接，圆头型和椭圆头型螺栓常用于外露装饰用的连 接。螺栓比钉的直径大，因此增加了嵌入木材的接触面积，图i - 5 为螺栓连接的承载力与 滑移曲线，由图可以看出螺栓连接件的承载能力比钉连接的承载能力提高很多。螺栓连接 的承载力加拿大木结构设计手册也给出了计算公式：p = 1 2 5 4 1 ) jg i 厶其中d 为螺栓直径， 4 l 为螺栓嵌入木材的长度16 1 。螺栓连接构件的承载力与螺栓的直径和嵌入长度有着直接的 关系，表1 - 2 为平行与木纹和垂直与木纹两种情况下软木与硬木根据不同的螺栓长度与直 径比值得出的抗拉强度。 图1 - 5 螺栓连接承载力滑移曲线i ”i f i g 1 5c a r r y i n gc a p a c i t ya n ds l i d ec u r v e o f b o l tc o n n e c t i o n ( 15 f 表1 - 2 螺栓抗拉强度i ”l t a b l e1 2t e n s i l es t r e n g t ho f b o l t i 7 在钉与螺栓连接件的基础上又发展了多种复合形式的钉与螺栓连接，起到叠加钉与螺 栓连接效果的作用。如图1 6 所示。 图1 ，6 复合连接形式 f i g 1 - 6c o m p l e xc o n n e c t i o nt y p e 随着轻型木结构的发展，越来越多的屋顶体系都采用预制屋顶桁架体系( 在楼板体系， 常用平行弦桁架代替木搁栅) ，桁架节点较多，在木桁架节点处采用什么样的连接形式很 重要。在长时间试验研究和实际工程的应用中，发展了许多新的节点连接形式，如图l 一7 所示。在桁架节点的各种连接中，齿板连接与传统的木结构连接形式相比有着无可比拟的 优势，它不但节约了大量时间，从而缩短了施工周期，而且效率高、节点性能稳定可靠， 制作简单，在北美等地区，齿板连接设计的发展已经相当成熟。关于齿板连接性能的研究 发展在后面有详细介绍，这里就不再赘述。 1 1 3 研究木桁架中齿板连接的意义 木桁架是由齿板将规格材连接而成的三角形单元组成的工程结构框架。二十世纪五十 年代，用金属板连接的屋顶桁架技术首次被引进北美市场。今天，多数住宅屋顶采用齿板 连接的木桁架。木桁架广泛应用于独户、多户住宅及机构，农业和商业建筑。木桁架较高 的承载力与重量比允许其采用较长的跨度，且在平面布局上提供了很大的灵活性，木桁架 可以设计成几乎所有的形状和尺寸。最早的轻型木结构桁架是在施工现场用钉子和胶合 板把木构件连接而成的，这些桁架满足了对跨度的要求，但费时费工。二十世纪五十年代， 金属连接板改变了桁架工业，从此可以高效地预制各种跨度的桁架。在北美洲，木桁架工 业的发展已达到相当高的程度，现在超过6 0 的住宅屋顶采用木桁架。在加拿大，大约9 5 的新住宅屋顶采用木桁架建造。”。了解木桁架的优点，就不会对桁架日渐风靡全球而感到 奇怪了2 2 。“1 。 承载力：桁架提供了个坚固而有效的木结构系统，满足各种用途。 经济性：通过有效的使用木材和一套可以快速在现场安装的系统，木桁架提供了 一种经济的建筑方案。 通用性：采用木桁架，可以很容易地满足各种复杂形状和不同寻常的设计。木桁 架的通用性使得其成为混合结构中一个出色的屋顶系统。在混合结构中， 木桁架通常和钢结构、混凝土结构或砖石结构一起构成复合结构。 环境保护：木材是唯的可再生建筑材料，在环保上拥有很多优点。通过优化木 材在各种专门应用场合的使用，木桁架提升了木材的环保优点。原料、 设计和制造技术的改进增强了木桁架的竞争力。 科研促进了木桁架的原料、设计过程和制造技术的改良。 优化了连接木构件的桁架金属板的承载力和造价。 木材加工和分级技术的改进使得木材资源的利用更为有效。 计算机已被广泛应用于桁架的优化设计，并使桁架制造过程更加有效。 目前连接轻型框架木桁架节点所用的各种各样金属板可分为两种类型，一类是钉接 板，另一类是齿板，图1 - 7 为现在常用的金属板类型。钉连接板中钉子( 应有螺纹) 作为 扣件紧钉于木材中，钉子形状应标于板面或是经冲压而成，板形状和厚度是厂家专有而钢 板质量和制作要求由齿板协会控制。钉钉子过程较慢，因而钉接板常用于结构现场修补木 桁架节点。齿板连接( m e t a lp l a t ec o n n e c t e r s ) 实际上是从钉接板发展而来的，为目前 轻型木结构常见的一种连接形式，一般用于规格材桁架的节点及受拉杆件的接长。齿板是 由镀锌或是镀铝锌高强度钢板经模型冲压而成，板齿垂直板平面。齿板镀层可以通过热浸 或是电镀来完成，钢板可以在镀锌前后冲压成齿，而镀铝锌钢板只能在热浸镀层后冲压。 齿板可根据传递荷载的需要做成不同的尺寸和形状，有1 6 规格、1 8 规格、2 0 规格的， 最常见的是2 0 规格的齿板，一般来说一个齿孔有两个齿，出厂的齿板宽度在2 5 m m 到 3 0 0 m m 之间，齿板长度通常大于6 0 0 m m ，板齿长在6 胁到2 5 m m 之间不等，齿板的最小 厚度随着齿板规格的不同而不同。齿板的设计值按照相关标准通过试验和分析而制定的， 设计值的标准是在全国认证组织的监督下进行的1 ”。齿板的力学特性是通过板和板节点 的试验建立的，每一齿板制造商根据齿板协会的标准来狈5 试其产品，并确定它的抗力强度。 齿板由薄钢板制成，受压承载力低，故不能用于传递压力m 。 图1 7 常用齿板类型“。 美国一位学者做了一个对比试验，相同荷载条件下的齿板连接木桁架与榫卵连接木梁 产生的挠度进行对比。跨度为7 5 m 的木桁架采用8 9 x 3 8 r f l f i l 的齿板连接，如图卜8 所示， 在1 0 0 0 k g 的荷载下产生了4 m m 的挠度。而榫卯连接的木梁在1 0 0 0 k g 的荷载下产生了1 2 m m 的挠度。齿板连接的木桁架造价约为7 0 美元，榫卯连接的木粱造价约为2 0 0 美元。3 1 ”。 由试验结果得出，齿板连接的木桁架相对于榫卯连接的木梁造价小了，在同荷载下产生的 挠度小了。图卜9 是两块相同截面尺寸的木材在齿板连接和螺栓连接两种不同连接方式下 的承载力试验，两个直径为1 2 衄的螺栓连接承受的极限荷载为1 2 0 0 k g ，而两块1 0 2 x ? 0 2 咖 的齿板连接承受的极限荷载可达2 3 0 0 k g ”1 。由此可见，齿板连接比螺栓连接承受更大的 荷载。 图l - 8 木桁架承受1 0 0 0 k g 力 f i g 1 - 8w o o d f l a m eb e a r i n g1 0 0 0 k g 嘞一谁哼蛐 图i - 9 齿板连接与螺栓连接比较 f i g 1 9c o m p a r i s o no f m e t a lp l a t ec o n n e c t i o n a n db o l tc o n n e c t i o n 1 2 齿板连接性能研究在国内外的发展概况 1 2 1 齿板连接性能研究在国外的发展 木结构与钢结构、混凝土结构不同，木结构的连接方式繁多，且连接部分的物理性能 和木结构本身的材质又有较大区别，这给这方面的研究工作带来了较大的困难，而规范的 空白，给木结构研究留下了较大的空间。连接性能是结构受力性能研究的重要组成部分， 但近年来木结构建筑的发展缓慢，使得木结构连接问题的研究与钢结构、混凝土结构相比， 起步较晚，发展较为滞后”“j 。 最早的轻型框架木桁架在施工现场是用钉连接板或是三合板楔形板在节点处连接，但 现场连接浪费时间和劳动力且不利于大规模地预制生产。1 9 5 2 年，美国学者c a r r o r s a n f o r d 经过用三合板楔形板、u 形钉、钉和螺栓的混合连接木节点的一系列试验以后， 建立了用齿板连接的轻型框架术桁架并申请专利，这不但标志着木桁架工业的开始，而且 它影响了全世界的木建筑结构。加拿大和美国关于齿板连接的轻型木结构的研究和发展都 已经比较成熟。在加拿大，齿板连接木桁架工业有两个代表协会：t p i c t r u s sp l a t e i n s t i t u t eo fc a n a d a ( 加拿大齿板协会，建于1 9 7 2 年) ，它主要负责木桁架设计、制作以 及质量控制标准的研究和建立；w t c o w o o dt r u s sc o u n c i lo f c a n a d a ( 加拿大木桁架协 会) ，国家性质的组织机构，是木桁架制造商的代表。在美国，齿板连接木桁架工业也有 两个代表协会：t p 卜一t r u s sp l a t e i n s t i t u t e ( 齿板协会，建于1 9 6 0 年) ，是美国国家标准编 写组织的成员之一，主要的成员是结构工程师、建筑规范人员、大学教授、专业的设计人 员以及木桁架制造商；w t c a w j o dt r u s sc o u n c i lo f a m e r i c a ( 美国木桁架委员会) ，是 代表齿板制造商的一个协会，也是代表美国木桁架制造商的协会，负责齿板连接木桁架的 设计和测试方法的建立和公布，它也建立和公布一些关于金属连接件的制作、组装桁架、 桁架安装和支撑布置推荐的质量控制标准。t p i 和w t c a 共同工作以提高木桁架工作性 能，以保证木桁架满足当前的设计标准和人们对木桁架工作性能的信任度 3 3 1 。 图卜l o 两种齿板连接承载力滑移曲线1 f i g 1 1 0c a r r y i n gc a p a c i t ya n ds l i d ec u r v eo f t w ok i f i do f m e t a lp l a t ec o n n e c t i o n 关于齿板连接的木桁架受力性能在国外已经进行了很多的试验和研究。图1 1 0 为 1 9 9 6 年美国学者l a w r e n c e a s o l t i s 通过试验绘出了拉力作用下两种齿板连接的力一滑移曲 线图。由图可以看出粗糙面的齿板比光滑面的齿板能承受更大的荷载，滑移量也比较小， 这是因为粗糙的齿板与规格材间存在较强的摩擦力产生较强的粘结强度可以承担一部分 的荷载。 连善井周长f m m j 图卜i i 齿板连接的不同木材在不同条件下的比较“” f i g 卜1 1c o m p a r i s o no fd i f f e r e n to fw o o d i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n 【 5 1 图卜1 l 为齿板连接的不同木材根据不同的连接件尺寸和不同的连接件面积进行的承 载力试验。1 5 为木材种类，1 - 白冷杉( a b i e sf a b r i c ( m a s t ) c r a i b ) ；2 - 西部铁杉( t s u g ac a r t ) ； 1 0 -2q目jt长土曲哥磊至_i 3 花旗松( p s e u d o t s u g am e n z i e s i i ( m i r b e l ) f r a n c o ) ；4 - 南方松( p i n u ss 订o b e sl ) ：5 - 红栎木 ( o u e r c u sl ) 。由试验结果可以看出随着连接件周长和面积的增加，试件承受的荷载也增 加，不同的树种承载能力也不同，这些都是影响齿板连接构件承载力的因素。 法国学者m p l u o n g 给出了用红外线测得的齿板力一滑移曲线图卜1 2 ，他采用散点图 的表示方法。他的试验结果中完整的表示出了齿板受力的整个过程，曲线有上升段和下降 段，他所得出的齿板极限荷载比美国学者l a w r e n c e a s o l t i s 所得出的极限荷载大，而且 齿板与规格材间的相对滑移也大。可以看出不同条件下进行的齿板节点受力性能试验之间 会有较大的误差，主要是因为不同地区的木材材质会有很大不同，即使相同地区的木材材 质也有不同，而且木材易受外部环境的影响，或试件加工方式的不同都会对试验结果有影 响。 图卜1 2 红外线测得齿板连接力与滑移关系曲线图“5 f i g 卜1 2c a r r y i n gc a p a c i t ya n ds l i d ec u r v eo fm e t a lp l a t ec o n n e c t i o nw i t hi n f r a r e d l ”1 美国研究证明板齿不适当的嵌入木构件在效果上是不同的，因此规范要求齿板应以 同一种方法压入木材。m cm a r t i n e t a l 研究指出对于单个板，最大应力是平均应力的2 4 倍。美国t p i 要求板的长度应使得板齿破坏而板不会撕裂，但是在板的长度上没什么限 制。但t r i c h e 的试验表明当板的长度增加三倍时，板齿的承载力会降低3 9 。q u a i l ea n d k e e n a n 指出测试板齿承载力的试验中为了使板齿破坏要求板的长度尽可能的长或是尽可 能的宽，目的是尽可能产生最低的板齿承载力值。他们还建议板的长度应使得板齿破坏而 板不会撕裂，在板的长度上没什么限制“”“。 1 2 2 齿板连接性能研究在国内研究的现状 我国现尚未有齿板连接这方面的实际工程经验和大量的试验研究，在0 4 年颁布的新 的木结构设计规范( g b 5 0 0 0 5 2 0 0 3 ) 中首次引入了齿板连接的轻型木结构的概念、试 验、承载力计算公式和一些关于进口木材的若干规定、进口规格材的取值规定以及对其识 别要点和主要材性。木结构工程施工质量验收规范( g b 3 5 0 2 0 6 - - 2 0 0 2 ) 、木结构试验 方法标准( g b 5 0 3 2 9 2 0 0 2 ) 于0 2 年7 月1 日已实施，这表明我国开始关注木结构建 筑。但木结构设计规范中关于齿板连接承载力的计算方法等各方面均参考的是加拿大 的设计方法，采用的是以概率理论为基础的极限状态分析方法。附录m 为齿板试验要点 及承载力设计值的确定，给出了材料要求、试验要求、极限承载力的校正和齿板承载力设 计值的确定，m 4 4 给出了齿抗滑移承载力的计算公式【5 2 5 引。 1 ) 荷载平行于板轴( 口= 0 0 ) 胁= 丙薪鲁 ( 1 ) 2 ) 荷载垂直于板轴( 口= 9 0 。) 协。2 丽p 口s + l p 只s 2 丽 ( 2 ) ，囊、鸭、r ，。、尼为木材连接处产生相对位移0 8 m m 时1 0 个板齿极限承载力试验 值的平均值除以系数也，确定只，、忍、只，、忍时采用的口与口的取值如下： 只，： a = o o疗= 0 0 ；j ： 口= 9 0 0口= 0 0 ： 只，： 口= o o 口= 9 0 0 ：艮：口= 9 0 0 口= 9 0 0 ；( 3 ) 对含水率小于或等于1 5 的规格材好1 4 0 ：对含水率大于1 5 且小于2 0 的规格材 k - - 1 7 5 。 规范还给出了板齿抗滑移承载力的计算公式： m = ，州 ( 4 ) 式中佑一齿抗滑移承载力( n m m 2 ) ，按公式( i ) ( 2 ) 确定： 弁齿板表面净面积( m m 2 ) 。指用齿板覆盖的构件面积减去相应端距a 及边距e 内 的面积。端距a 应平行于木纹测量，并取1 2 m m 或1 2 齿长的较大者。边距e 应垂直于木 纹测量，并取6 r o a 或1 4 齿长的较大者。 新规范中还给出了板齿设计承载力计算公式，如为桁架支座节点弯矩影响系数： m = 瓜叫 ( 5 ) 缸2 0 8 5 一o 0 5 0 2 t g a 一2 0 ) ( 6 ) 齿板受拉设计承载力计算公式： 正= 舟6 t( 7 ) 式中6 【_ 垂直于拉力方向的齿板截面宽度( 唧) ； 0 齿板受拉承载力设计值( n 咖) ，为3 个受拉极限承载力矫正试验值中2 个最 小值的平均值除以1 7 5 。 齿板受剪设计承载力计算公式： = 加r( 8 ) 式中6 平行于剪力方向的齿板受剪截面宽度( 哪) ； r ，一齿板受剪承载力设计值( n m m ) ，为试验所得齿板极限受剪承载力乘讲修正系 数。 新规范所给出的这些计算公式多是直接引用了加拿大的木结构设计规范，只是在萆位 上进行了换算调整，但新规范中关于齿板连接滑移承载力关系中只是根据齿板和规格材之 间产生0 8 m m 的滑移量时的承载力进行抗滑移计算，没有将滑移量作为一个变量引入只是 选取了一个固定滑移值，即没有体现出滑移与承载力的变化关系。且选取的0 8 m m 的滑移 量也是直接引用的加拿大的木结构设计规范中的取值。 1 3 小结 木结构建筑由于着眼于人居环境循环体系的创造、注重能源效益、环境保护以及其独 特的建筑风格、美学价值等各种优点使得其在我国的应用前景被许多人士看好，我国可以 借鉴北美木结构房屋百年发展的经验，建立适合我国国情的木结构房屋技术。 我国现在主要推广轻型木结构住宅，轻型木结构房屋在中国未来的发展趋势看好，我 国在新的规范中已经引入木桁架、齿板、规格材等有关轻型木结构的内容。在轻型木结构 中，用来连接木构件的连接件性能好坏关系着整个建筑物的性能好坏，由于轻型框架木桁 架是轻型木结构中屋顶和楼板体系常用的构件，桁架节点较多，所以木桁架节点采用哪种 类型的连接件是很重要的，经过多年的发展、研制开发以及经验的总结，齿板连接产生并 广泛用于连接木桁架节点。齿板连接与传统的木结构连接形式相比有着无可比拟的优势， 它不但节约了大量时间，从而缩短了施工周期，而且效率高、节点性能稳定可靠，制作简 单，它不但影响了全世界的木结构建筑，而且标志着木桁架工业的开始，因此研究这种连 接方式对我国木节点连接的设计发展和引进轻型木结构以及根据我国特点建立适合我国 国情的轻型木结构建筑有很大的推动作用。在美国、加拿大等地区，齿板连接设计的研究 已经相当成熟，但在我国只是刚起步阶段，在0 4 年颁布的关于齿板连接的试验和计算方 法等各方面均参考的是加拿大的设计方法，我国现尚未有齿板连接这方面的工程经验和研 究，齿板连接木桁架在我国推广轻型木结构住宅中是一项值得研究的技术。 2 1 1 试件设计 第二章木结构齿板连接滑移承载力试验 2 1 试验方案 本试验所用试件是北美木屋南京公司提供的材料，试件制作过程也是由该公司专业 机械制作加工。齿板由大型冲压机压入规格材内以保证齿板与规格材接触的均匀性， 而且满足“木结构设计规范) ，中关于齿板试验的要求。即安装齿板时，应将齿全部压入 木材，齿扳与木材间无空隙，压入木材的齿板厚度不超过其厚度的二分之一。 滑移承载力试验设计了七组( a g ) 共7 0 个拉伸试件，每组l o 个。但因考虑到试 验中试件可能出现的意外损坏或其他可能影响试验数据的因素，在实际制作试件时每组 实际试件数为1 2 个。在选取数据时选取1 0 个最理想的试验数据作为最后用于s p s s 分 析的数据。试件a - c 为顺纹顺齿试件，即荷载平行于木纹及齿板的主轴，图2 - 1 所示为 a c 试件外形及拼接方式；d g 为顺纹逆齿试件，即荷载平行于木纹但垂直于齿板主轴， 图2 2 所示为d g 试件外形及拼接方式。 图2 一l 顺纹顺齿试件实例照片 图2 - 2 顺纹逆齿试件实例照片 表2 1 为试验所用的七组试件的规格材和齿板尺寸，顺纹顺齿与顺纹逆齿两种不同连 接情况下选用的规格材及相应齿板尺寸不相同。在实际轻型木桁架工程中齿板和规格材类 型很多，实际搭配时方式也很多，同一种尺寸的齿板可以与不同尺寸的规格材有多种方式 的连接。在进行本试验时因考虑到万能试验机的试验量距，如规格材长