木材作为结构构件时的连接方法

木结构建筑有着久远的历史,从利用树干、枝杈搭建遮风避雨的原始窝棚,到利用原木建造住房和庙宇宫殿,再到利用规格化的木材或木材产品建造现代木结构住宅、体育场馆等大型公共建筑,人类开发利用木材作为建筑材料经过了一个漫长的历史发展过程。

木材作为结构材料可以形成梁柱体系、抬梁式结构体系、井干式结构、穿斗式结构、桁架结构、拱式结构、刚架结构、薄壁空间结构等不同的结构体系。木材还可以担当大部分的受力部位的结构构件,如墙体、屋架、柱子、梁、楼板等。同时,也因为木材的良好的特性,其形成的结构构件形式是丰富多彩的。

木材的结构体系及构件形式

不仅木材能够形成的结构体系和结构构件的形式是多种的,其作为结构构件的连接方法也是多样的。

1:绑扎与编织

绑扎与编织是一种比较古老的连接方法。绑扎方法采用绳索等扎缚,将一定量的木材结合成为具有一定承载能力的结构体。蒙古包就是一种典型绑扎的建筑。蒙古包的外部、顶部骨架全部以轻质沙柳做成,围墙是直径约2厘米的沙柳编成的可以收拢、可以张开的活动网片。屋顶是绑扎的细椽子形成直径为1.2米范围的活动伞盖,都是用驼绳绑扎固定。

图1蒙古包骨架外观及内景

编织主要是依靠木材的韧性,将其互相交错搭接,依靠木材之间的摩擦力,使材料形成整体共同实现结构功能。编织方法下的木结构可以形成多变的曲面空间结构,结构形体轻巧柔美(如图2)。

图2编织结构

2:榫卯连接

榫卯连接是我国传统木结构最典型的连接方法,即在相连接的两构件上采用一种凹凸处理的接合方式。凸出部分叫榫头,凹进部分叫卯眼。榫卯连接方法能够不借助其他构件,通过能工巧匠的刻凿,就能将多个构件牢固的连接在一起。榫卯连接,在不同部位可以有不同的榫卯方式。如果是单梁与柱连接,则采用透榫(如图3),如果是多梁与柱连接,则采用半榫(如图3)。

图3透榫与半榫

3:用结构胶连接

木材的胶合连接已有悠久的历史,但所采用的皆为冷凝的动物胶。在这里所说的结构胶连接是在2个或多个构件之间起粘附及传递荷载作用的连接(如图4)。目前所用的胶常采用结构胶包括酚醛树脂胶粘剂、间苯二酚甲醛胶粘剂等。

图4木材的结构胶连接

4:齿连接

齿连接是在一个构件的端头做成齿榫,一个构件上加工成齿槽,齿槽承受齿榫的压力,通过齿槽的承压面传递作用力,但齿连接只能传递压力。齿连接部位外露,易于检查,是普通木结构桁架节点中最常用的连接形式。其最大的缺点是因在一个构件上开齿槽而削弱了该构件的截面,从而增加了木材用量。

另一缺点是齿槽承压使构件木材顺纹受剪,具有脆性破坏的特征,需有保险螺栓设防。齿连接有单齿、双齿两种形式(如图5)。单齿承载力较低,但制作简单,应优先采用。当内力较大时,采用单齿连接需构件过大截面时,可采用双齿连接。

图5齿连接的构造

5:齿板连接

齿板是用厚度1-2mm薄钢板冲压出与钢板垂直的齿,根据冲压工具的装置,每个孔可冲压成一个或二个齿(如图6)。使用时将其成对地压入被连接构件接缝处两个侧面(如图6)。齿板连接的承载力不大,且不能传递压力作用,故主要用于规格材制作的桁架节点连接中(称为齿板桁架)。

图6齿板及齿板连接木材

6:钉、螺钉、螺栓等构件销接

这类方法是用金属钉、螺钉和螺栓作连接件,将木构件彼此连接在一起,通过连接件的抗弯、抗剪来传递被连接件间的拉力或压力。钉连接已经有上千年的历史,多数钉子需要用锤子敲击,现在出现了各种机械驱动装置来钉钉子(图7)。钉连接是钉子穿过一个木构件进入需连接的构件,钉连接的承载力是由钉子在第二个构件上的嵌入长度决定的(图7)。螺钉、螺栓的钉杆表面有螺纹(图7),能提高与木材的接触面积,能改进普通钉子在木材里会有松动的问题。这些金属构件子在实际应用时会因为作用不同而有些变异(如图8),并且会在应用时辅以金属加强件来增强连接(如图8)。

图7:钉、螺钉、螺栓及其连接形式木螺钉与方肩螺钉

图8:金属连接件的形式

7:裂环与剪板连接

裂环和剪板都是用钢质或木质的块状或环状物连接件,嵌入两木构件的接触面之间,阻止它们相对滑移,从而传递构件间的拉力或压力。裂环连接件是圆环状钢环,截面是呈腰鼓形,中间粗,两端细,这样的形状使得裂环可以和木构件紧密连接(图9)。剪板是圆盘状的,中心有螺栓孔。剪板连接两个木构件时需要成对的使用剪板,而用钢夹板时用一块剪板(如图9)。二者均需螺栓或方头螺钉将被连接构件彼此夹紧(图9)。

图9裂环和剪板及其连接形式图

8:胶入钢筋连接

胶入钢筋在各国名称有所不同,欧洲称为Glued—inBolts,北美称之为Glued—inRods。胶入钢筋源于丹麦、瑞典等北欧诸国,至今已有20多年的历史。其做法是将螺纹钢筋插入层板胶合木构件端头与木纹平行的孔中,用耐水的合成树脂胶合。后来,这种方法传入前苏联,为了增加层板胶合木结构的抗剪承载力,采用了与构件轴线成30度交角的斜钢筋。

图10木构件的胶入钢筋节点

文章来源:《连接的技术研究》--于文砚

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