北美轻型木结构金属连接件简述

摘要：针对北美轻型体系的特点，简要阐述结构中金属连接件的种类及各自作用。对不同受力构件及主次构件中金属连接件的不同应用及各自优势、特点等作简要分析。

关键词：金属连接件，轻型体系，
 
Brief Introduction of Metal Fasteners in North American Light
Wood Frame Structure
 
Abstract: Focusing on the feature of North American Light Wood frame structure, the variety of metal fasteners in the structure and separate functions are introduced. A Brief analysis is given about the advantages and features of different fasteners under various bearing conditions and in members of diverse importance grade.
Keywords: metal connection; light wood frame structure system; advantage and disadvantage; timber structure

1 引  言

当前，我国的建筑结构主材混凝土、钢材、砖砌体等都属于高耗能材料，形势迫使我们寻找更加节能和环保的建材，既古老而又现代的木材进入了选择的视线。在西方发达国家，已是居住住宅的主要建筑形式。到2003年，木材已占北美建筑市场份额的88％以上。对木材的大量需求也同时刺激了林业的发展[1]。现在，北美在满足自身需要的同时，还大量向其它国家出口木材，这为我国发展现代轻型体系建筑创造了良好条件。
轻型体系[2]，是将小截面构件按一定的间距等距离平行排列形成框架，然后在框架外根据受力需要，包上结构面板，形成建筑物的墙体，楼盖和屋盖等基本构件。整个结构体系就是由这些墙体，楼盖和屋盖构成的箱形建筑体系。作为一种高次超静定的结构体系，轻型的结构强度通过主要结构构件（框架）和次要结构构件（墙面板，楼面板和屋面板）的共同作用得到。

的连接形式很多，有特定的木与木的连接，如斗拱、榫卯、齿和销等[3]；而现代尤其是轻型中更多的则是通过钢板及螺栓、钉、销等将连系起来。北美中常常用到的主要是金属材质连接件。

2 连接件

2.1框架体系

轻型分成两种，即全高框架式与平台框架式两种。目前主要用到的是平台框架式轻型。此结构施工简便，安全系数高。

2.2连接件种类

i. 螺栓连接和钉连接

在中，最常用到的连接形式即为钉连接和螺栓连接。其作用原理是相同的。都是利用孔壁的挤压作用造成的摩擦原理，巩固住连接构件[4]。而这两种连接件主要承受剪力作用。由于此两种连接件已得到广泛应用，在此不做过多介绍。
轻型中，面板与墙骨柱、面板与次梁等的连接中均用到了钉连接。而在主梁与柱等主要构件的连接中，则用到了螺栓连接等。

ii. 齿板连接

齿板主要用于轻型建筑中规格材制成的轻型木桁架节点连接。轻型木桁架是北美轻型体系中屋架体系的主要结构形式。其特点是支撑形式灵活，桁架间距较密，通常小于600mm。在桁架连接处应用齿板，可以较快的进行桁架中各弦的定位。即在工厂中拼装好一品桁架后，将桁架平放，同时用专门的压力机将齿板直接压入桁架中各条弦之间的连接处。
其最大的优点是提高了施工效率，保持了木材的完整性。同时齿板作为连接件，与木材之间表现较好的协同作用，塑性性能良好。而缺点表现为齿板材料很薄，如果处于腐蚀环境等极易腐蚀，从而导致连接件性能丧失。所以齿板多应用于干燥通风环境，同时齿板不得传递压力。

iii. 剪盘与裂环连接

裂环连接用于木构件之间的抗剪连接。相连的木构件表面挖成深度为裂环高度一半的环形槽齿，然后将裂环嵌入两边的环槽中，用螺栓或方头螺钉等将两个木构件连接成整体。其原理为：扩大了木材的承压面，同时裂环连接点对木材受力面积削弱较小，充分利用了木材的承载能力[3]。受力时作用机理主要是靠裂环和螺栓抗剪、木材承压或者受剪来传力。
裂环件主要用于胶合木施工或重体系中。其抗剪承载力大大超过钉连接及螺栓连接。但裂环和螺栓的强度都较高，构件端部木材抗剪撕裂的几率较大。节点处脆性破坏的概率也较上两种连接形式大。
剪盘连接与裂环连接机理相同。有两种，一种为用钢板冷压而成，另一种为用铸铁铸造而成[3]。剪盘具有与裂环相同的优缺点。

ⅳ. 挂钩件（格栅吊）

挂钩件是北美轻型体系中，主梁与次梁，缝边梁与主梁连接所普遍采用的金属连接件。其正面用钉与主梁连接，侧面用钉与次梁连接。可以实现对竖向荷载的传递。挂钩件主要有顶部有钉和顶部无钉两种形式[5]。
其作用机理为：挂钩件正面一侧与主梁连接，侧面与次梁连接。连接形式多为钉连接。受力时，荷载通过次梁上的面板均匀传给次梁，次梁通过挂钩件钢板，将力传给与主梁相连的钉，钉再将荷载传给主梁。这样即完成了一次受理过程。挂钩件中受力构件主要是钉与挂钩件钉孔的挤压，钉与主梁之间的剪力与拔力。而挂钩件与次梁之间的钉连接不作为主要受力连接考虑。
通过试验可以得到挂钩件作为轻型中新型的连接形式，具有很好的承载性能及变形性能。其施工安装简单，可靠度高。其破坏形式多为塑性破坏，主要是主梁中的钉子由于收到拉剪左右被拔出。其缺点主要是此种连接形式对结构规格材尺寸要求较高，多用于北美规格材中。由于国内木材尚未形成规格制，限制了连接件在国内的普遍推广。

3 结论

本文通过对北美轻型体系中，平台框架式结构体系内各种常用连接件的介绍，突出阐述了钉与螺栓连接、齿板连接、裂环与剪盘连接及挂钩件连接等对此种新型承载能力及可靠性能等的影响。其中：
（1）钉子与螺栓连接作为传统的连接形式，施工简单。但是单纯的钉连接如果用于结构中主要构件的连接，可靠性能差。多用于板材与骨柱或次梁的连接。
（2）齿板连接是屋盖桁架的主要连接形式，屋架中齿板的安装位置灵活，施工方便而且可靠度高。即对尺寸精度的要求并不高。当桁架密布时，此种连接形式对于桁架的生产效率起到了很大的提高作用。
（3）裂环与剪盘多用于胶合木中，对于较大型建筑有较好的剪切承载能力。而在轻型当中，由于较多使用规格材，此两种连接件用处较少。
（4）挂钩件是北美轻型中最主要的受力连接载体。其具有很好的承载性能及塑性变形能力。但由于广泛用于结构主要构件连接处，所以对挂钩件的承载力性能及可靠度分析是关键。
 
参考文献：
[1] 周丽娜. 高木剪力墙抗侧性能研究.
[2] 许方. 轻型介绍[J]. 美国林业及纸业协会.2003.
[3] 何敏娟 Frank LAM 杨军 张盛东. 设计[M]. 中国建筑工业出版社. 2008.
[4] Donald E. Breyer, Kenneth J. Fridley, Kelly E. Cobeen, David G. Pollock. Design of Wood Structures[M]. McGraw-Hill. 2007
[5] Canadian Wood Council. Wood Design Manual[M]. Friesens. Altona. MB. 2001.