蔡紹祥 程 宇 劉 航

(南通職業(yè)大學(xué),江蘇 南通 226007)

1 釘連接在木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用特點(diǎn)

在木材結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)的連接是最薄弱的點(diǎn)。設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)造成許多設(shè)計(jì)缺陷和其機(jī)械性能方面的缺點(diǎn)，特別是其硬度在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布中起著至關(guān)重要的作用。通常木材連接比金屬連接更不易受到影響。例如，由于相對(duì)較低的嵌入強(qiáng)度和低強(qiáng)度的木材在剪切，特別是在垂直于晶粒的張力方面不易受影響。通常木材與木材之間通過木榫接頭或角撐板接頭連接，也有通過粘合劑(膠水)或推力銷型緊固件(螺栓，螺絲，釘子)。釘子代表了連接木材構(gòu)件的最簡(jiǎn)單的方法。它們的簡(jiǎn)單的作用為緊固件，簡(jiǎn)單連接到應(yīng)用的部件上去，是其主要的優(yōu)勢(shì)。連接木、鋼或人造板的側(cè)面部位，釘主要應(yīng)用在單剪切方向，從不在木紋方向，因?yàn)檫@個(gè)方向張力比較集中。它們通常有圓形或方形，其圓形的直徑為2 mm～6 mm，方形的長(zhǎng)度為30 mm～200 mm。多年來，釘在建筑中的使用是基于經(jīng)驗(yàn)法則的應(yīng)用。

所以大多數(shù)的舊的設(shè)計(jì)過程中沒有考慮用釘子，甚至禁止它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。如今歐洲標(biāo)準(zhǔn)是公認(rèn)的橫向載荷的確定和榫型緊固件的能力測(cè)定的方法，尤其是延時(shí)破壞性能。在該理論的基礎(chǔ)上所得到的方程可以預(yù)測(cè)一個(gè)單一的緊固件，每剪切平面，加載垂直于它的軸線的性能，這些能力取決于木材和緊固件的材料性能和連接的幾何形狀。這些連接的變形行為是基于滑動(dòng)模量和一個(gè)緊固件每剪切面，可以通過測(cè)試進(jìn)行預(yù)測(cè)。主要根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)26891:1991。或者使用表達(dá)式在歐洲規(guī)范5進(jìn)行計(jì)算出來。

2 釘連接在木結(jié)構(gòu)和混凝土中的應(yīng)用特點(diǎn)

榫型緊固件其常見的應(yīng)用是在復(fù)合木材和混凝土板。經(jīng)常用于修復(fù)工程，尤其是當(dāng)舊的木板的承載需要改善時(shí)，這個(gè)復(fù)合系統(tǒng)由木構(gòu)件在拉伸區(qū)，薄薄的一層由緊固件或特殊的連接裝置連接在一起的壓縮區(qū)。復(fù)合木材—混凝土系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用不僅對(duì)木地板的強(qiáng)化以及混凝土板的強(qiáng)度都有影響。而且在提高隔音、熱慣性和消防安全與傳統(tǒng)的解決方案相比，有以下復(fù)合系統(tǒng)的結(jié)果：比其他的控制強(qiáng)制混凝土系統(tǒng)有較低的比重；有更高的承載能力和更高的抗彎剛度；其性能在平面內(nèi)更加優(yōu)異；增強(qiáng)振動(dòng)控制的地板。木材—混凝土連接，控制這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)行為，經(jīng)常是通過釘子、螺絲或鋼棒，可分類為銷型緊固件。這種技術(shù)所取得的良好效果，在歐洲規(guī)范5銷型緊固件使用時(shí)，木材，混凝土的連接沒有具體的分析方法。在歐洲標(biāo)準(zhǔn)5應(yīng)用時(shí)，它是假定滑動(dòng)模量是和木材與木材類似系統(tǒng)的連接方法得出模量的雙倍。本討論的是應(yīng)用在歐洲標(biāo)準(zhǔn)所得出的釘連接的橫向載荷能力的方法論的準(zhǔn)確性，特別是在復(fù)合木材—混凝土中的應(yīng)用的準(zhǔn)確性。

3 木結(jié)構(gòu)部件連接的特點(diǎn)

在木材結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)的連接是最薄弱的點(diǎn)。設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)造成許多設(shè)計(jì)缺陷和其機(jī)械性能方面的缺點(diǎn)，特別是其硬度在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布中起著至關(guān)重要的作用。在硬度作用方面，通常木材連接比金屬連接更不易受到影響。例如，在剪切方向相對(duì)較低的嵌入強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，特別是在垂直紋理方向的抗拉強(qiáng)度。通常木材與木材之間通過木榫接頭或角撐板接頭連接，也有通過粘合劑(膠水)或橫向載荷銷型緊固件(螺栓，螺絲，釘子)連接。釘子代表了連接木材構(gòu)件的最簡(jiǎn)單的方法。作為緊固件它們的簡(jiǎn)單之處，是能簡(jiǎn)單的連接部件，這才是其主要的優(yōu)勢(shì)。

連接木材、鋼材或人造板的側(cè)面部位，釘主要應(yīng)用在單剪切方向，從不應(yīng)用在木紋方向，即順著紋理拉力的方向。它們通常有圓形或方形，其圓形的直徑為2 mm～6 mm，方形的長(zhǎng)度為30 mm～200 mm。多年來，釘在建筑中的使用是基于經(jīng)驗(yàn)法則的應(yīng)用。所以大多數(shù)的舊的設(shè)計(jì)規(guī)則中沒有考慮用釘子，甚至禁止它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。如今歐洲生產(chǎn)模型設(shè)計(jì)的試驗(yàn)，最初提出的是在歐洲標(biāo)準(zhǔn)里的發(fā)現(xiàn)結(jié)果，是公認(rèn)的確定銷型緊固件的橫向載荷能力測(cè)定的方法，尤其是其韌性方面的破壞性能。在該理論的基礎(chǔ)上所得到的方程可以預(yù)測(cè)單一的緊固件，每個(gè)剪切平面，加載相互垂直于它的軸線的性能。這些性能取決于木材和緊固件的材料性能和連接的幾何形狀等。這種連接方式的變形行為可以通過滑動(dòng)模量和每個(gè)緊固件的剪切面，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試取得。試驗(yàn)主要根據(jù)EN 26891:1991?；蛘呤褂脷W洲標(biāo)準(zhǔn)5的表達(dá)方式進(jìn)行計(jì)算出來。

4 銷型緊固件在木材和混凝土板材連接中的特點(diǎn)

4.1 銷型釘緊固件連接木材和混凝土的優(yōu)點(diǎn)

銷型緊固件其常見的應(yīng)用是在木材和混凝土板材連接上。經(jīng)常用于修復(fù)工程，尤其是當(dāng)舊的木板的承載需要改善時(shí)，在拉伸區(qū)的這個(gè)復(fù)合的木構(gòu)件系統(tǒng)和在壓縮區(qū)一層薄混凝土層是由緊固件或特殊的連接裝置連接在一起。木材—混凝土系統(tǒng)的復(fù)合連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用不僅對(duì)木地板的強(qiáng)度有影響也對(duì)提高隔音、熱慣性和消防安全有影響。與傳統(tǒng)的解決方案相比，這個(gè)復(fù)合系統(tǒng)所產(chǎn)生的結(jié)果的特點(diǎn)有：比其完全是混凝土結(jié)構(gòu)的要輕；比傳統(tǒng)的木地板系統(tǒng)有更高的承載能力和更高的抗彎剛度；其平面性能特點(diǎn)更加優(yōu)異；增強(qiáng)木地板的震動(dòng)控制性能。

在木材—混凝土連接中，控制這種連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能，經(jīng)常是通過釘子、螺絲或鋼棒等，這些都可分類為銷型緊固件。盡管這種技術(shù)取得了良好效果，但在歐洲標(biāo)準(zhǔn)5中的銷型緊固件應(yīng)用于木材和混凝土結(jié)構(gòu)連接沒有具體的分析方法。在應(yīng)用歐洲標(biāo)準(zhǔn)5的第二部分，它是假定滑動(dòng)模量是與木材和木材類似系統(tǒng)的連接方法所得出模量的雙倍。歐洲標(biāo)準(zhǔn)5的設(shè)計(jì)方法是通過負(fù)載能力實(shí)驗(yàn)、單剪載荷能力實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行。根據(jù)木材材料性質(zhì)和形狀確定載荷位置，保證材料受力方向與緊固件軸線垂直。實(shí)驗(yàn)方法是用銷型緊固件，木材與木材連接，應(yīng)用歐洲標(biāo)準(zhǔn)5設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)雙剪進(jìn)行試驗(yàn)主要包括：雙剪銷型緊固件連接，木材與木材連接，連接件的軸線抗拉能力等。

4.2 銷型釘緊固件連接木材和混凝土結(jié)構(gòu)方法討論

滑動(dòng)模量實(shí)驗(yàn)主要是滑移模量的確定方法和滑移模量的計(jì)算方法設(shè)計(jì)。每個(gè)連接件的每個(gè)剪切面的滑移模量計(jì)算公式與大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的很好。連接結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)評(píng)估主要用試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估載荷能力和連接的變形特點(diǎn)，以通過預(yù)測(cè)值為標(biāo)準(zhǔn)，確定曲線上的幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試值評(píng)估。分別對(duì)木材與木材連接，木材和混凝土連接兩種連接樣板進(jìn)行分析，試驗(yàn)過程中滑移模量計(jì)算公式都在歐洲標(biāo)準(zhǔn)中有體現(xiàn)。

試驗(yàn)的基本原理和試驗(yàn)的具體設(shè)計(jì)，首先，根據(jù)常規(guī)的外推法對(duì)木材與木材的單剪(圓形和方形連接件)和雙剪(圓形連接件)進(jìn)行試驗(yàn)分析。然后，對(duì)木材與混凝土連接進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。木材與木材連接的單剪試驗(yàn)主要用圓形銷隼連接試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析即圓釘、木材與木材單剪連接。木材與木材雙面剪切方向連接，雙剪的載荷滑移曲線，該曲線也是非線性應(yīng)用。木材與混凝土連接剪切方向測(cè)試，中間的木材樣本保留，外表面的樣品換成混凝土板，圓釘直徑：3.4，長(zhǎng)度：70 mm，輕重量聚料混凝土板，將試驗(yàn)結(jié)果與用歐洲標(biāo)準(zhǔn)5所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)所產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。載荷能力試驗(yàn)結(jié)果、歐洲標(biāo)準(zhǔn)5預(yù)測(cè)結(jié)果和葡萄牙國(guó)家出版社1998版中的結(jié)果進(jìn)行比較，其主要區(qū)別：新的歐洲標(biāo)準(zhǔn)5考慮了銷型緊固件的收縮能力，所以串聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響要考慮。但這種改進(jìn)還不是很清楚準(zhǔn)確，因?yàn)殇N型緊固件的收縮能力不能由歐洲標(biāo)準(zhǔn)5試驗(yàn)簡(jiǎn)單的確定。

4.3 銷型釘緊固件連接木材和混凝土結(jié)構(gòu)的推廣價(jià)值

復(fù)合木材和混凝土結(jié)構(gòu)連接的性能受木梁與混凝土板間剪力連接的剛度的控制。根據(jù)歐洲規(guī)范5的方法對(duì)這種連接進(jìn)行試驗(yàn)，這種方法適用于類似的木材與木材連接的滑移模量的因子測(cè)量。相對(duì)于以前的相關(guān)論文討論，對(duì)于這種承載能力沒有簡(jiǎn)化的方法，也沒有其他建議。以研究應(yīng)用歐洲標(biāo)準(zhǔn)5，對(duì)復(fù)合木材—混凝土連接性能過程中使用的方法的準(zhǔn)確性為目的。試驗(yàn)類型，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與根據(jù)歐洲法規(guī)5法所獲得的值進(jìn)行比較。結(jié)果表明，用歐洲標(biāo)準(zhǔn)5所建立的模型，能夠預(yù)測(cè)的連接可靠性失效模式。然而，在使用歐洲標(biāo)準(zhǔn)5的過程，測(cè)試結(jié)果顯示還有重要的不同價(jià)值。大量結(jié)果表明，如果木材具體連接滑動(dòng)模量有不同的參數(shù)進(jìn)行考慮。一個(gè)更好的近似的力學(xué)行為可以建立起來。在翻新舊木地板時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)和建筑的原因往往是不建議改變現(xiàn)有的連接結(jié)構(gòu)，而是以現(xiàn)有地板結(jié)構(gòu)框架為前提，應(yīng)用銷型釘緊固件連接木材和混凝土結(jié)構(gòu)可推廣意義重大。在這種情況下，需要一個(gè)具體的設(shè)計(jì)方案，并應(yīng)用現(xiàn)有的木結(jié)構(gòu)和混凝土連接方式于古建筑的修復(fù)之中。

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