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大跨度胶合木网格(壳)结构设计:现状与研究成果

【摘要】:对于木结构而言,“节点”为关键。图1.8自攻螺钉连接节点因此,能够预测,在大跨度木空间结构中,将会越来越多地采用自攻螺钉、销轴等新型连接件,其工业化程度也会越来越成熟。同时,在结构分析中,从现有的研究成果来看,在计算模型中考虑半刚性节点特征成为可能。随着空间结构的形态越来越复杂,在同时满足结构受力及建筑效果的条件下,往往常规节点不能满足,需要不断研究、开发新型连接节点。

对于木结构而言,“节点”为关键。而木空间结构杆件跨度大,且木材变异性显著、各向异性、蠕变收缩对力学性能影响大等特点,故节点分析更为复杂。一般来说,从连接形式上划分,木空间结构的节点形式主要包含“钢板销式节点”“植筋节点”“叠合式节点”等。其中,“钢板销式节点”最常见,研究成果也最丰富;其他的新型节点形式多在特定工程实例中出现,应用与研究均较少。

“钢板销式节点”在钢板位置上可以细分为“填板”与“夹板”,在销式连接件的选择上可以采用“螺栓”“螺钉”“销轴”等不同紧固件。目前研究相对成熟的是“钢填板-螺栓节点”。国内对这种节点的研究多集中于2010 年前后至今,学者们针对不同的侧重点进行了大量研究。

在长期的工程实践过程中,螺栓类节点的不足之处逐渐受到关注,主要在于节点初始刚度和节点延性方面。首先,鉴于螺栓的安装要求,螺栓孔径通常比螺栓直径大约1~2mm,故节点受力初期,节点具有空隙,连接件与构件无法紧密接触,导致节点初始刚度不足,对结构产生不利影响。另外,普通的螺栓节点常出现脆性的劈裂破坏,其延性受到木材横纹受力性能薄弱的限制。

针对上述问题,学者们提出了多种改进方式,丰富了木结构“钢板销式节点”的类型。例如同济大学的何敏娟等提出了钢填板预应力套管连接的节点形式(图1.7),还曾提出过采用自攻螺钉对普通螺栓类节点进行横纹加强的方式改善节点延性及刚度。

图1.7 钢填板预应力套管连接节点(www.chuimin.cn)

同时,国内外工程技术人员及研究学者正逐渐认识到,除了螺栓,还有力学性能更加优异的其他连接件,其中越来越受到青睐的便是自攻螺钉,当然,光圆销轴连接件也不一而足。自攻螺钉等新型连接件能够很好地解决螺栓连接“空荡段”的问题,从而提高节点的初始刚度。同时,节点在延性、抗震性能中表现出的优势也通过近年来的研究不断得到证实。何敏娟等针对一种螺钉连接胶合木节点[图1.8(a)]进行了试验探究,并与普通螺栓连接对比,得到了初始刚度大、延性良好的结论。Li Hongmin 等在一种胶合木的搭接节点[图1.8(b)]中,使用自攻螺钉进行连接,并在必要处用自攻螺钉进行恒温加强,构造美观,无钢材外露,非常适合用于木杆件的接长,对木空间结构中杆件的拼接具有较好的借鉴意义。

图1.8 自攻螺钉连接节点

因此,能够预测,在大跨度木空间结构中,将会越来越多地采用自攻螺钉、销轴等新型连接件,其工业化程度也会越来越成熟。同时,在结构分析中,从现有的研究成果来看,在计算模型中考虑半刚性节点特征成为可能。

随着空间结构的形态越来越复杂,在同时满足结构受力及建筑效果的条件下,往往常规节点不能满足,需要不断研究、开发新型连接节点。