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（西南林业大学 云南 昆明 650224）
【摘 要】轻型木结构在低层建筑与别墅建筑中应用广泛，此类结构不仅具有良好的抗震性能同时能够充分发挥木材的轻质、高强、节能环保等优点。轻型木结构中剪力墙的刚度、延性与覆面板的材料及钉的布置密不可分。为了充分发挥钉连接节点的承载能力，本文采用有限元模型对比不同钉间距时覆面板中应力分布以及覆面板破坏时连接的承载能力，给出钉布置的合理数值，充分发挥了钉连接节点的承载能力，为实际结构设计提供参考依据。
【关键词】木结构，钉链接，连接节点
A Study on the Nail-Plate Connection Performance of Light Wood-Frame Structure
Bai Ya-shuang
(Southwest forestry university Kunming Yunnan650224)
【Abstract】Light wood-frame structure, as not only has good seismic performance, but also can give full play to its ligneous advantages such as light mass, high tenacity, energy saving and environment protection, is widely applied to low-rise buildings and villas. The rigidity and ductility of shear wall structured by wood-frame are closely related to its sheathing material and the nail layout. In order to give full play to the carrying capacity of the nailed connection nodes, the article adopts the finite element model to compare the stress distributions of sheathings with different nail spacing, and the carrying capacity of the connection at the point of the sheathing is destructed, and also to provide the reasonable value of nail layout and a reference for the actual structural design.
【Key words】Wood-frame;Nailed connection;Connection nodes
1. 前言
木材是一种天然材料具有轻质高强、节能、环保以及可再生等优点，采用木材建成的房屋具有良好的抗震性能和使用舒适性，是人们居住房屋的首选。在我国古代建筑中，木结构的应用十分广泛，由木材作为结构的主受力构件，通过榫卯等手段进行连接和固定，如山西省应县木塔、故宫宫殿、祈年殿以及常见的庙宇楼阁等等。由于最近几十年建筑的发展方向是如何建成大跨结构和高层结构，木结构受着材料本身条件的限制，只能应用于民宅、简易住宅或者小型公用建筑。
随着现代木材制造业的迅猛发展，通过胶合、压制等手段处理后木材具有强度更高耐久性更好的优点，欧美和日本等发达国家将木结构拓展应用于体育场馆、展厅建筑以及办公建筑。同时，木结构在民用建筑中应用越来越广泛，北欧与北美两地区城市的郊区大多数住宅为轻型木结构房屋，即由规格材与木基结构覆面板通过钉子连接而成的墙体和楼盖，以及木桁架组成的木框架结构。随着我国经济的发展，木材的大量进口，沿海发达地区陆续建成从北美进口的轻型木结构房屋，木结构在我国建筑行业中得到复苏。
图1 覆面板材料本构关系图
图2 钢材本构关系图轻型木结构中主梁主要采用LSL结构复合木材，屋面板、楼面板及墙面板采用定向刨花板为主，目前常用胶合板、木质定向刨花板和竹质定向刨花板三种覆面板。木剪力墙由墙骨框架与覆面板通过钉的连接组成整体构件，是轻型木结构中抵抗风荷载和地震荷载侧向作用的主要受力构件。木剪力墙抗侧移性能与制作墙板的许多因素有关，如:有无横撑、覆面板布置形式、覆面板厚度、钉子直径、覆面板中间排钉子间距、墙骨柱间距和墙体尺寸等等。其中，钉连接的承载能力是控制木剪力墙甚至整个结构受力性能的关键。对于理想的钉连接，认为破坏时其上的每一个连接均达到极限承载力，但在实际结构中由于“群体效应”，导致连接破坏时没有充分发挥每个钉节点的承载力。因此，如何选择钉的间距和端距对承载力的影响需要进一步的研究。通过有限元模型进行对比，优化钉子布置，为实际应用提供参考数据。
2. 分析模型
轻型木结构中墙骨柱与覆面材料通过钉子进行连接，施工时按照规范要求确保钉子钉入墙骨柱一定深度，墙骨柱不会出现钉与墙骨柱的连接破坏，本文在模型分析时认为墙骨柱截面尺寸对覆面板钉子布置影响很小，可以不考虑。《木结构设计规范》GB50005-2003确定木剪力墙抗剪承载力时，选用的钉子直径有2.8mm、3.1mm和3.7mm，为了与规范中选用钉子一致，本文在分析中分别采用上述三种钉建立分析模型。钉子的材料为q235钢材，钢材的应力应变本构关系如图1所示。在选用覆面板厚度时，分别采用厚度为7mm、9mm、11mm和15mm。在模型中，覆面板按照材料分为胶合板、木质定向刨花板和竹质定向刨花板，材料的本构关系按照规范方法(GB/T 17657-1999)确定静曲强度和弹性模量，为了计算方便，本文进行简化采用折线模型，其材料本构关系如图2所示。
考虑覆面板在结构中的受力状态，本文在算例分析时选取力的作用方向平行于钉子的连接方向、力的作用方向垂直于钉子连接方向和力的作用方向与钉子连接方向45°夹角。
3. 算例对比
图3 三个方向的应力应变分布图由于篇幅有限，对应受力状态不同时，模型的分析结果中的应力分布图不能全部给出。本文仅以每一种受力状态下分析结果图中的一幅作为代表给出，如图3所示。为了确定不同直径钉子的合理间距与边距充分发挥钉节点连接承载能力，根据不同的板厚、材料特性、钉子间距和钉子直径，建立分析模型，并对结果进行对比。
3.1 确定钉子边距时从下面两个方面进行分析：
3.1.1 应力分布；对比不同模型中应力分布图时，仅考虑力的作用方向垂直于连接方向和力的作用方向与连接方向存在夹角两种情况。从不同的模型中均可以看出，靠近钉子区域的高应力区面积很小，低应力区面积较大。两钉子形成的应力区在边距范围内没有叠加。
3.1.2 应力峰值；与钉子接触区域，面板材料发生屈服甚至破坏，但边距内材料边缘应力很小，只有材料屈服强度的1/3左右。因此，本文建议在选取钉子合理边距时，可以忽略覆面板材料不同的因素，边距在1.2d～1.5d之间。
3.2 确定钉子的间距时从三个方面进行分析：
3.2.1 承载力；对比不同的钉间距模型，在相同外荷载作用下，对比连接承载力的极限值，确定其极限值与钉间距之间关系。从分析结果可以看出，间距变化对力方向垂直于连接的影响最小，对力方向平行于连接的影响最大，当距离较小时常出现荷载较小时连接，板件材料很快出现塑性屈服。
3.2.2 应力叠加区；面板内应力叠加区随距离减小而增大。叠加区内的应力在较小的钉子间距情况下，会出现钉与板的接触区应力增大幅度高于低应力区。在控制钉子间距时，使钉子的间距范围内仅出现较低应力区的叠加。
3.2.3 应力峰值；应力峰值达到材料极限值时，分布区域很小，应力峰值出现以后并未出现连接的承载力迅速下降。因此，本文建议在选取钉子合理间距时可参考表1中数值。
4总结
本文采用有限元软件建立钉板连接节点的分析模型，对比不同钉间距与边距设置下钉连接的承载力、连接中应力分布，为轻型木结构中覆面板中钉的设置提供参考。通过分析给出了不同材质覆面材料的钉布置合理建议值。
参考文献
［1］ Dolan J D, Madsen B. Canadian Journal of Civil Engineering, 19(1)(1997), p.104.
［2］ Dujic B, et al. In: WCTE 2004 8th World Conference on Timber Engineering, (2004), Ⅱ: p. 407～412.
［3］ Nakajima S, Okabe M. In: WCTE 2004 8th World Coeference on Timber Engineering, (2004),Ⅰ: p. 117～122.
［4］ Douglas R R, Donald A B, David G P. In: 5th World Conference on Timber Engineering, (1998), p. 238～245.
【摘 要】轻型木结构在低层建筑与别墅建筑中应用广泛，此类结构不仅具有良好的抗震性能同时能够充分发挥木材的轻质、高强、节能环保等优点。轻型木结构中剪力墙的刚度、延性与覆面板的材料及钉的布置密不可分。为了充分发挥钉连接节点的承载能力，本文采用有限元模型对比不同钉间距时覆面板中应力分布以及覆面板破坏时连接的承载能力，给出钉布置的合理数值，充分发挥了钉连接节点的承载能力，为实际结构设计提供参考依据。
【关键词】木结构，钉链接，连接节点
A Study on the Nail-Plate Connection Performance of Light Wood-Frame Structure
Bai Ya-shuang
(Southwest forestry university Kunming Yunnan650224)
【Abstract】Light wood-frame structure, as not only has good seismic performance, but also can give full play to its ligneous advantages such as light mass, high tenacity, energy saving and environment protection, is widely applied to low-rise buildings and villas. The rigidity and ductility of shear wall structured by wood-frame are closely related to its sheathing material and the nail layout. In order to give full play to the carrying capacity of the nailed connection nodes, the article adopts the finite element model to compare the stress distributions of sheathings with different nail spacing, and the carrying capacity of the connection at the point of the sheathing is destructed, and also to provide the reasonable value of nail layout and a reference for the actual structural design.
【Key words】Wood-frame;Nailed connection;Connection nodes
1. 前言
木材是一种天然材料具有轻质高强、节能、环保以及可再生等优点，采用木材建成的房屋具有良好的抗震性能和使用舒适性，是人们居住房屋的首选。在我国古代建筑中，木结构的应用十分广泛，由木材作为结构的主受力构件，通过榫卯等手段进行连接和固定，如山西省应县木塔、故宫宫殿、祈年殿以及常见的庙宇楼阁等等。由于最近几十年建筑的发展方向是如何建成大跨结构和高层结构，木结构受着材料本身条件的限制，只能应用于民宅、简易住宅或者小型公用建筑。
随着现代木材制造业的迅猛发展，通过胶合、压制等手段处理后木材具有强度更高耐久性更好的优点，欧美和日本等发达国家将木结构拓展应用于体育场馆、展厅建筑以及办公建筑。同时，木结构在民用建筑中应用越来越广泛，北欧与北美两地区城市的郊区大多数住宅为轻型木结构房屋，即由规格材与木基结构覆面板通过钉子连接而成的墙体和楼盖，以及木桁架组成的木框架结构。随着我国经济的发展，木材的大量进口，沿海发达地区陆续建成从北美进口的轻型木结构房屋，木结构在我国建筑行业中得到复苏。
图1 覆面板材料本构关系图
图2 钢材本构关系图轻型木结构中主梁主要采用LSL结构复合木材，屋面板、楼面板及墙面板采用定向刨花板为主，目前常用胶合板、木质定向刨花板和竹质定向刨花板三种覆面板。木剪力墙由墙骨框架与覆面板通过钉的连接组成整体构件，是轻型木结构中抵抗风荷载和地震荷载侧向作用的主要受力构件。木剪力墙抗侧移性能与制作墙板的许多因素有关，如:有无横撑、覆面板布置形式、覆面板厚度、钉子直径、覆面板中间排钉子间距、墙骨柱间距和墙体尺寸等等。其中，钉连接的承载能力是控制木剪力墙甚至整个结构受力性能的关键。对于理想的钉连接，认为破坏时其上的每一个连接均达到极限承载力，但在实际结构中由于“群体效应”，导致连接破坏时没有充分发挥每个钉节点的承载力。因此，如何选择钉的间距和端距对承载力的影响需要进一步的研究。通过有限元模型进行对比，优化钉子布置，为实际应用提供参考数据。
2. 分析模型
轻型木结构中墙骨柱与覆面材料通过钉子进行连接，施工时按照规范要求确保钉子钉入墙骨柱一定深度，墙骨柱不会出现钉与墙骨柱的连接破坏，本文在模型分析时认为墙骨柱截面尺寸对覆面板钉子布置影响很小，可以不考虑。《木结构设计规范》GB50005-2003确定木剪力墙抗剪承载力时，选用的钉子直径有2.8mm、3.1mm和3.7mm，为了与规范中选用钉子一致，本文在分析中分别采用上述三种钉建立分析模型。钉子的材料为q235钢材，钢材的应力应变本构关系如图1所示。在选用覆面板厚度时，分别采用厚度为7mm、9mm、11mm和15mm。在模型中，覆面板按照材料分为胶合板、木质定向刨花板和竹质定向刨花板，材料的本构关系按照规范方法(GB/T 17657-1999)确定静曲强度和弹性模量，为了计算方便，本文进行简化采用折线模型，其材料本构关系如图2所示。
考虑覆面板在结构中的受力状态，本文在算例分析时选取力的作用方向平行于钉子的连接方向、力的作用方向垂直于钉子连接方向和力的作用方向与钉子连接方向45°夹角。
3. 算例对比
图3 三个方向的应力应变分布图由于篇幅有限，对应受力状态不同时，模型的分析结果中的应力分布图不能全部给出。本文仅以每一种受力状态下分析结果图中的一幅作为代表给出，如图3所示。为了确定不同直径钉子的合理间距与边距充分发挥钉节点连接承载能力，根据不同的板厚、材料特性、钉子间距和钉子直径，建立分析模型，并对结果进行对比。
3.1 确定钉子边距时从下面两个方面进行分析：
3.1.1 应力分布；对比不同模型中应力分布图时，仅考虑力的作用方向垂直于连接方向和力的作用方向与连接方向存在夹角两种情况。从不同的模型中均可以看出，靠近钉子区域的高应力区面积很小，低应力区面积较大。两钉子形成的应力区在边距范围内没有叠加。
3.1.2 应力峰值；与钉子接触区域，面板材料发生屈服甚至破坏，但边距内材料边缘应力很小，只有材料屈服强度的1/3左右。因此，本文建议在选取钉子合理边距时，可以忽略覆面板材料不同的因素，边距在1.2d～1.5d之间。
3.2 确定钉子的间距时从三个方面进行分析：
3.2.1 承载力；对比不同的钉间距模型，在相同外荷载作用下，对比连接承载力的极限值，确定其极限值与钉间距之间关系。从分析结果可以看出，间距变化对力方向垂直于连接的影响最小，对力方向平行于连接的影响最大，当距离较小时常出现荷载较小时连接，板件材料很快出现塑性屈服。
3.2.2 应力叠加区；面板内应力叠加区随距离减小而增大。叠加区内的应力在较小的钉子间距情况下，会出现钉与板的接触区应力增大幅度高于低应力区。在控制钉子间距时，使钉子的间距范围内仅出现较低应力区的叠加。
3.2.3 应力峰值；应力峰值达到材料极限值时，分布区域很小，应力峰值出现以后并未出现连接的承载力迅速下降。因此，本文建议在选取钉子合理间距时可参考表1中数值。
4总结
本文采用有限元软件建立钉板连接节点的分析模型，对比不同钉间距与边距设置下钉连接的承载力、连接中应力分布，为轻型木结构中覆面板中钉的设置提供参考。通过分析给出了不同材质覆面材料的钉布置合理建议值。
参考文献
［1］ Dolan J D, Madsen B. Canadian Journal of Civil Engineering, 19(1)(1997), p.104.
［2］ Dujic B, et al. In: WCTE 2004 8th World Conference on Timber Engineering, (2004), Ⅱ: p. 407～412.
［3］ Nakajima S, Okabe M. In: WCTE 2004 8th World Coeference on Timber Engineering, (2004),Ⅰ: p. 117～122.
［4］ Douglas R R, Donald A B, David G P. In: 5th World Conference on Timber Engineering, (1998), p. 238～245.