竹木结构连接简述(图文分析)

竹木结构连接简述（图文分析）竹木材料是屈指可数的负碳排建筑材料，竹木结构建筑集绿色环保、轻质高强、耐火抗震、易加工建造等优势于一身，是当代建筑行业的新趋势。现代竹木结构技术发展日新月异，除常见的低层建筑和园林小品外，越来越向大跨、多高层等建筑方向发展。完全装配式的建造方式使得连接节点成为实现高度和跨越跨度的关键。本文主要介绍竹木结构常用的节点类型。01绑扎连接在古代，人类对工具的使用尚不成熟，但这并不影响他们创造出舒适的庇所。他们选用柔韧性极好的藤条，将原木/原竹搭接后绑扎，这便是竹木结构最原始的连接形式——绑扎连接。绑扎连接在人类早期建筑中应用极广，例如著名画作《清明上河图》中建于北宋时期的汴河虹桥，桥面系采用短木互承的结构形式实现大跨度跨越（后称编木拱、叠梁拱或贯木拱）。其中互承的节点便是采用榫卯连接与绑扎连接结合的方式。同一时期江浙一带闻名于世的廊桥，多数也采用这种连接方式，至今仍有数座保存完好。现如今，绑扎连接依然被广泛应用，例如以原竹为主要结构构件的建筑。▲原竹绑扎节点▲绑扎连接的原竹结构02榫卯连接榫卯连接是木结构连接中的经典之作，更是中国古建筑的重要结构特色，它一般是指在木料上分别开榫头和卯眼/口，通过构件相互咬合形成结构的连接形式。▲常见榫卯类型▲中国古建中的榫卯▲榫卯连接在现代木结构中的应用谈及榫卯连接，不得不提位于山西应县的佛宫寺释迦塔(应县木塔)，它竣工于1056年，主要连接方式为榫卯连接，历经千年多次遭遇强震甚至战乱炮轰，仍然屹立不倒，常被称作“斗拱博物馆”。缥缈层檐凤翼张，南山相望郁苍苍，七重宝树围金界，十色雯华拥画梁。金元时期大诗人元好问曾以此诗句盛赞。▲应县木塔整体及细部构造榫卯连接是一种半刚性节点，节点刚度介于铰接和刚接之间。无论是拉压、剪切还是转动工况下，节点均有一定变形能力，因此以榫卯连接的结构是不同于当代建筑排架、刚架或框架的一种柔性结构体。榫卯结构不仅可承受较大的竖向荷载，而且在地震作用下可以通过自身连接所产生的变形耗散大量能量，有效降低地震响应。▲古建榫卯结构的振动响应03齿连接齿连接是方木/竹结构常用的连接方式之一，它是将受压构件的端头加工成齿榫，在另一与其连接的构件上开设齿槽，使得齿榫可以直接抵承在齿槽内，通过抵承面承压的方式进行传力。因此，齿连接的受力特点是：主要传递压力，可以传递少量剪力，齿连接一般分为单齿连接和双齿连接。▲单齿连接▲双齿连接轻型木结构中对齿连接的使用较多，齿连接构造简单，传力明确，加工方便，而且由于齿连接的构造部分外露，方便后期检查施工质量和监控工作情况。04销类连接销类连接安全可靠、韧性和紧密性优异、造型多样且美观，计算理论成熟，是现代竹木结构最常用的连接方式。销类紧固件一般是用钢材制成的圆棒状或其他特定形状的用来阻止被连接构件之间发生相对滑移的连接物，根据此连接物类型的不同，销类连接可分为以下四类：(1)钉连接钉连接是指采用圆钉直接钉入被连接竹木构件的连接方式。为了防止钉入导致木材劈裂，一般会对钉子尖端钝化处理或预钻小于0.8倍钉直径的孔。钉连接施工便捷，工序简单，在轻木结构中应用最为普遍，例如墙体龙骨、楼盖格栅等构件间的连接。▲钉连接(2)螺钉连接钉连接在受力较大或往复荷载频繁的位置，容易发生失效或拔出等问题，这种情况下螺钉链接成为它的不二替代。螺钉直径较小时（一般≤6mm），无需预钻孔，直接钻入构件，反之则需要预钻孔以防构件劈裂。螺钉连接延性好，紧密性高，在竹木结构连接中应用非常普遍，尤其是时下流行的CLT结构，螺钉连接在此大放异彩。▲螺钉连接(3)销连接销是由硬木、钢或碳纤维等高强材料制成的圆棒，直径最小为6毫米。销连接是使用销直接穿过被连接构件，销轴抗剪以抵抗构件相对滑移的连接方式，适用于重木结构的连接，尤其在钢填板-销轴节点这种隐式连接中应用极为广泛。连接中竹木构件预开孔直径通常比销轴直径小1-2mm，因此可通过销轴与孔壁间的摩擦力防止销轴滑脱，某些工程中为进一步增强连接可靠性，设计人员会要求销轴表面预刻花纹以提高摩擦力。▲钢填板-销栓节点(4)螺栓连接螺栓连接一般采用六角头螺栓，由螺杆、垫圈及螺母组成，在某些环境较差部位，为了防止螺栓锈蚀亦会增加防锈螺帽。螺栓连接与销连接应用范围和受力特点均相似，但采用钢夹板（钢板位于竹木构件侧边）节点时，销连接不再适用，只能采用螺栓连接。螺栓通常比所连构件预开孔直径小1-2mm，与木材直接接触的垫圈应采用大垫圈，在某些环境湿度变化较大的地区施工时，螺母应进行二次紧固，以防止材料胀缩产生松动。▲钢夹板-螺栓节点销类连接主要用于传递剪力荷载，并且可以抵抗一定的弯矩和轴力。影响销类连接承载力的因素有很多，例如：销轴的直径、数量、间距和边距，连接件的尺寸，竹木材的密度和含水率等等。05键连接当销类连接不能满足承载力且连接区域无法布置更多的销轴时，通常会用到键连接对销轴进行增强，以提高单销抗剪承载力。竹木结构常用的键连接有两种：裂环和剪板。▲裂环及连接大样▲剪盘及连接大样▲带齿剪板及连接大样06齿板连接齿板指表面经过冲压处理而成的镀锌钢板或不锈钢板，厚度通常为0.9mm-2.5mm。齿板连接多用于轻型桁架节点连接或受拉构件的接长，这种方式无需预先开槽打孔，可以快速便捷的进行桁架中各弦杆和腹杆的定位。工厂中拼装好一榀桁架后，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个节点连接处。由于齿板是由薄钢板制成，受压承载力较低，故一般不能用于传递压力。▲齿板及连接大样07植筋连接植筋连接是将植筋杆用胶粘剂植入竹木构件上预钻的孔中的连接方式。植筋连接中构件预钻孔直径比植筋杆稍大，因此连接完成后，植筋杆和竹木构件孔洞之间会形成一层整体胶合层。构件受轴向拉压力时，主要由构件和植筋杆之间的胶合层承担剪切力；构件受剪时，主要由植筋杆承担剪切力。植筋杆必须带肋，常用刻痕钢筋或螺纹钢筋，以增强植筋杆与胶层的机械咬合力。▲植筋连接▲植筋连接木结构案例08胶连接胶连接是采用结构胶直接将竹木构件粘接形成复合构件或结构体的连接方式。胶连接刚度一般大于常见的金属件连接形式（可视作现浇混凝土节点之于装配式混凝土节点），且采用特殊胶粘剂时，在抵抗火灾和腐蚀性环境方面，比金属连接性能更加优异。但由于这种连接方式耗时长，对操作要求较高，通常仅在工厂构件/部品预制中采用，如工字型木梁等。▲工字型木梁小结(1)竹木结构增材制造，减材加工，完全装配式施工。好的节点设计对一个项目来说，绝不仅仅是节点本身性能何其优异，更多的是对生产建造的每一个环节的积极影响。(2)竹木结构可供选择的节点类型众多，设计者可根据建筑/结构需求或个人审美理念进行个性化设计。因此一个竹木结构项目的精美之处往往可以从节点构造窥见一斑。(3)竹木结构节点转动刚度介于铰接和刚接之间，现行规范中尚未收录成熟的节点刚度计算理论。未来建筑结构优化设计是大势所趋，节点转动刚度是结构优化的重要参数，不失为一个可深入挖掘的研究领域。