宋博騏 尹婷婷 韓振華

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

鋼筋混凝土-木混合結構于20世紀50年代在歐洲開始被應用于工程中，特別是新建房屋結構以及現有結構的改造翻新中。鋼筋混凝土-木混合結構由混凝土主體結構和木質材料通過一定的節(jié)點方式連接而成，其最常見的組合形式為混凝土結構作為主體支撐結構，木結構材料作為填充構件，從而使混凝土受壓、工程木材料受拉，2種材料分別發(fā)揮各自的優(yōu)勢。該類混合結構具有良好的強度和剛度，在地震荷載或靜力荷載作用下具有較好的結構性能。

在鋼筋混凝土-木混合結構體系中，節(jié)點連接至關重要。由于混合結構具有多相構成、受力復雜等特性，故節(jié)點連接影響整體結構的應力分布和變形，從而決定整體設計。原則上，從力學性能的角度出發(fā)，理想的節(jié)點連接應該為：連接足夠強，可以傳遞截面的剪切應力；剛度足夠大，截面在有限滑移范圍內可以傳遞載荷；耐久性好，可以持久承受均布荷載并避免連接破壞[1]。此外，節(jié)點連接也應考慮到不同的需求，如連接成本、實際安裝便捷性或復雜性等。

因此，國內外學者對鋼筋混凝土-木混合結構連接件的抗剪承載力做過很多試驗及理論研究。根據剪力連接件的變形能力，可將其分為剛性連接件和柔性連接件。柔性連接件在極限狀態(tài)時，既限制木梁與混凝土板之間過大的相對滑移，又允許有一定的相對滑移值；剛性連接件則不允許發(fā)生相對滑移。

鋼筋混凝土-木混合結構的節(jié)點來源于木結構連接方法，多數使用金屬連接件。常見的剪力連接類型有：釘類連接件、金屬板連接件、剪力鍵連接件及膠合連接。它們各具特點，國內外很多學者都對其進行了試驗研究及受力分析。本文介紹不同節(jié)點連接類型的性能及研究進展，總結節(jié)點連接的力學性能，并介紹國外設計規(guī)范指南對混合結構節(jié)點連接的規(guī)定，為鋼筋混凝土-木混合結構的節(jié)點選型及設計提供依據。

2 混合結構節(jié)點連接種類

2.1 銷釘類連接件

銷釘類連接件是木結構中最重要的連接方式。該連接件價格便宜、安裝方便，因此在鋼筋混凝土-木混合結構中依然十分常用。銷釘連接件的種類主要有螺釘、直釘、螺栓等。截面的剪力傳遞主要通過軸向荷載完成，同時也能避免界面產生剝離。由于螺栓具有較高的軸向荷載能力，因此應用最為廣泛。影響銷釘連接抗剪承載力的主要因素有銷釘強度、入木長度、銷釘角度、布置情況及混凝土強度等。

2005年，Dias[2]通過推出試驗證明，隨著混凝土強度及連接件強度的增加，混合結構節(jié)點抗剪承載力增大。銷釘傾斜45°放置，可形成一個虛擬的桁架，其節(jié)點抗剪承載力是垂直銷釘連接的3倍[3]。銷釘連接件的極限承載力隨著釘入木材的長度增大而增大，且螺紋銷釘的承載力高于 光釘[4]。

目前，對于銷釘類連接件的抗剪承載力理論研究大多基于Johansen屈服理論。該屈服理論對于木-木連接具有很好的適用性，然而對于木-混凝土的釘類連接數值模擬存在偏差，有待進一步分析研究。

2.2 剪力鍵槽口連接

剪力鍵槽口連接多用于組合梁及樓板，實施時先在木質構件上鉆孔、銑槽，然后用混凝土澆筑填滿孔或槽口，使木質構件與混凝土形成一個整體。剪力鍵槽口連接存在脆性破壞及軸向承載力較低等缺點。為克服這些不足，剪力鍵槽口連接通常結合螺栓等金屬連接件同時使用，以增大軸向承載力和耐久性。根據不同的槽口尺寸配置不同的螺栓，既可對剪力鍵連接的軸向承載力起到補充作用，同時也能提高抗剪力及連接耐久度。此外，采用栓釘加強的槽口連接件對減小由于混凝土收縮引起的混凝土與木材之間的縫隙效果較為顯著[5]。

與釘類連接相比，釘類連接中滑移模量取決于連接件和木材的柔韌性，而剪力鍵槽口連接方式中的滑移模量主要取決于木材中槽口表面積的剛度以及槽口內混凝土的 剛度。

對于這類連接件來說，栓釘和槽口中的混凝土均提供抗剪承載力，槽口的形式、長度、深度以及不同類型的螺釘是影響組合效果的主要因素。通過推出試驗可發(fā)現，槽口-栓釘連接的主要破壞形式有混凝土局部破壞和連接件彎曲。其抗剪承載力隨著剪力鍵的長度、寬度及深度增大而增加[6]。

2.3 其他連接

除了銷釘連接和剪力鍵槽口連接之外，還有許多其他類型的連接，如摩擦力連接、直接膠合連接、齒板連接等。其中許多連接類型還處于研究階段，尚未應用于實際工程中。然而諸如直接膠合等連接類型仍有許多應用潛力。其中，齒板或鋼板連接的應用相對廣泛。

摩擦力連接是一種不使用銷釘，利用不同材料之間的正壓力而形成的有效連接。20年前，瑞士建筑事務所Pirmin Jung Ingenieure AG開始研發(fā)一種基于摩擦的用于木結構與混凝土組合系統的連接，稱為Plus-Minus系統。該系統由高度不一的榫板單元構成，如圖1所示。當榫板上的混凝土干縮時，木質榫板與混凝土之間的摩擦力增大，形成有效連接。過去20年內，這種Plus-Minus系統已應用于多個工程項目中。雖然這種系統未完全申請專利保護，但實際上只有Pirmin Jung建筑事務所提供這項技術。在上述系統的研究基礎上，瑞士建筑施工公司Tschopp Holzbau AG為系統說明了詳細的設計參數。根據設計指導，建筑中常見的跨度為6.5 m的樓板由厚140 mm的木質層與厚120 mm的混凝土層構成。

圖1 Plus-Minus 系統

德國魏瑪大學的學者對Plus-Minus系統進行了推出試驗及抗彎試驗研究。研究結果與Pirmin Jung公司1997年的結果相吻合。對于厚200 mm（厚120mm木質層＋厚80 mm混凝土層）、寬1 000 mm的木-混凝土組合試樣，其彎矩達到178 kN·m時被破壞。為了降低界面的接觸壓力，設計垂直方向推出試驗，得出試樣平均剪切強度為0.3 N/mm2。

近年來，利用膠黏劑來使木材與混凝土形成膠合連接的方法已經成為一個較為熱點的研究方向。這種方法相比于連接件節(jié)點連接來說有許多的優(yōu)點。目前，關于膠合連接的研究可分為兩類：使用預制的混凝土板及現場澆筑混凝土，也可稱為干法作業(yè)及濕法作業(yè)。利用膠黏劑連接可以提供半剛性的節(jié)點連接，從而提高連接的勁度和強度。此外，還可以簡化整體復合結構的計算。由于在全接觸面上剪力均勻分布，因此可以避免局部受力。盡管有上述優(yōu)點，利用膠黏劑連接也存在許多問題，例如復合結構節(jié)點的耐久性，以及未來對節(jié)點可靠性的把控將十分困難。同樣，現場作業(yè)及連接脆性失效也是膠黏劑應用于復合結構連接的難題?；谏鲜鲈?，膠合連接仍在研究中，并未實際應用。

3 節(jié)點連接的力學性能

在鋼筋混凝土-木混合結構中，只有在兩相連接節(jié)點可靠時才會形成有效的混合結構。因此，在設計混合結構節(jié)點連接時，應充分考慮節(jié)點的剛度與強度。兩相之間節(jié)點的韌性決定混合結構的承載力和極限變形承載力，因此，適當的韌性可以防止連接破壞并重新分配荷載，在計算節(jié)點的力學性能時應考慮到連接節(jié)點的韌性。在實際研究中，通常運用試驗研究來估計鋼筋混凝土-木混合結構的力學性能。

3.1 剛度

鋼筋混凝土-木混合結構的剛度決定兩相界面的變形，而組合系統的復合運動由截面形變決定。根據英國標準 EN 26891[7]規(guī)定，通常連接剛度視為連接處的滑移模量。組合連接系統的剛度影響抗彎剛度、形變、層間內應力及應力分布。

因此，節(jié)點連接剛度對極限承載力及正常使用最大承載力都十分重要。根據研究，節(jié)點連接剛度可用來對節(jié)點進行分等，也是節(jié)點連接設計的主要參數。

3.2 強度

鋼筋混凝土與木材節(jié)點連接的強度即為截面的最大剪切應力。根據EN26891規(guī)定，通常認為截面滑移15 mm時的應力即為最大載荷。需要強調的是，節(jié)點的載荷與變形和剛度有關。

3.3 韌性

在鋼筋混凝土-木組合節(jié)點連接方式中，金屬連接件通常用于柔性連接，槽口剪力鍵通常用于剛性連接。節(jié)點連接類型不同，連接件不同，其連接性能也不同。利用柔性連接可以提高節(jié)點的承載能力及極限變形。

此外，根據研究[8]，除了柔性連接，鋼筋混凝土-木組合連接的承載力還和其他因素有關。通常節(jié)點連接的剛度試驗測得值大于理論預測值，此時木材已達到靜曲強度而節(jié)點仍保持彈性有效。因此，實際上混合結構系統的承載力比預期的大，通過對大量連接節(jié)點的研究同樣可以證明上述結論。

4 現有規(guī)范指南

雖然目前對于鋼筋混凝土-木混合結構體系有許多學術研究及工程實踐，但是對于其結構設計依然沒有一個合適的通用框架或設計規(guī)范指南。許多國家制定了一些不完全的規(guī)定及指南，主要用于解決在鋼筋混凝土-木混合結構橋梁，或其他構件中存在的設計問題，其中以歐洲規(guī)范5（Eurocode 5）為主。此外，還可以在一些工程及學術成果中找到關于混合結構節(jié)點連接的報告。

4.1 歐洲規(guī)范5

在歐洲規(guī)范5第1-1部分及第2部分中[9-10]，說明了一些木混結構設計的具體要求條款。此外，還有一些其他通用要求條款適用于木混結構設計。以下是專門適用于混凝土-木混合結構節(jié)點連接設計的條款：第1-1章，條款7.1，“（3）混凝土-木連接滑移”；條款2.4.1，表2.1，“材料性能推薦分項系數”；條款5.2，“復合動態(tài)橋面平面體系”；條款5.3，“（2）金屬緊固件和槽口連接設計”；條款8.2，“復合系統中木-混凝土連接”。

條款7.1中說明，基于木構件連接模型并乘以系數2，可以得到木-混凝土連接的滑移模量。通過這個方法可以假設混合體系連接中，混凝土變形量忽略不計，而連接剛度是木結構連接的2倍。

由于木-混凝土混合結構連接存在不確定性，因此，計算滑移模量時同時需要承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分析。在正常使用極限分析中，滑移模量平均值可由公式或者試驗得到。然而在承載能力極限狀態(tài)中，由于剛度較小，因此滑移模量實際值比計算值小。

在規(guī)范EN 1995-2中說明了木-混凝土組合連接計算的分項系數，用于評估荷載的不確定性與結構的可靠度。當連接正常破壞時，分項系數為1.25；當連接疲勞破壞時，分項系數為1.0?？梢钥闯?，組合節(jié)點的分項系數1.25比木結構節(jié)點連接1.30略小。

在條款5.2中，明確說明了復合動態(tài)橋面平板體系設計與計算時應考慮節(jié)點連接滑移的影響，并在條款8.2節(jié)點連接部分中詳細說明了計算方法。

條款5.3（2）說明了在金屬緊固件及槽口連接節(jié)點設計時，應滿足復合結構之間應力充分傳遞的要求。此外，由于現有摩擦力連接或膠合連接研究還不足，故不可用于木材與混凝土節(jié)點連接。

第8章中詳細說明了混合結構節(jié)點設計的要求。其中8.2.1（2）說明，當木結構與混凝土之間有中間非結構層時（如框架），節(jié)點連接的剛度與強度應通過特殊分析或試驗獲得。8.2.2（1）中規(guī)定，對于槽口連接，剪切應力可根據推出試驗獲得。8.8.2（2）規(guī)定節(jié)點連接應該驗證混凝土與木結構之間的可靠性。8.8.2（3）規(guī)定混凝土與木材之間應緊密結合；8.2.2（4）規(guī)定節(jié)點處木材與混凝土之間的拉力應該為剪切應力的10%。

上述規(guī)定在歐洲設計規(guī)范5中分布于第1-1部分和第2部分之中。在大多數應用實踐中，木結構與混凝土的節(jié)點連接設計需要借鑒木結構中的有關規(guī)定。

4.2 澳大利亞及新西蘭設計指南

澳大利亞及新西蘭的鋼筋混凝土-木混合結構的設計指南參考歐洲規(guī)范5，并同時考慮到澳大利亞及新西蘭對于木結構的要求。其中一些應用于本指南的規(guī)范條款考慮到復合樓板的長期荷載變形。設計指南中，限定了樓板跨度應不超過8m，并規(guī)定須運用指南中的2種連接形式[11]。規(guī)范假定節(jié)點連接的極限承載能力及正常使用承載能力為 線性。

圖2為澳大利亞及新西蘭設計指南中混凝土-木混合結構節(jié)點連接。當梁厚度≤50 mm時，要求方頭木螺釘直徑12 mm，釘入木構件深度80 mm或不小于螺紋長度。當梁厚度＞50 mm時，方頭木螺釘直徑16 mm，釘入木構件深度100 mm或不小于螺紋長度。

圖2 混凝土-木混合結構節(jié)點連接

4.3 美國AASHO/AASTHO規(guī)范

1949年版美國國有公路管理員委員會（AASHO）[12]以及1983年版的美國國家高速公路和交通運輸協會（AASHTO）[13]規(guī)范，對鋼筋混凝土-木混合結構橋梁作出了相關規(guī)定。

在1949年AASHO規(guī)范中，規(guī)定內力時，假定木材與混凝土之間完全連接，無相對滑動。此外，基于兩相之間完全貼合、無垂直方向開裂的假設，部分條款還規(guī)定了截面剪力的計算公式。在1983年AASHTO的規(guī)范中，要求混凝土-木復合連接中使用的連接件或連接方式的抗剪力應平衡整個平面內剪力，避免層間剝離，并明確允許使用釘連接及槽口連接等不同節(jié)點連接方式。

4.4 加拿大公路橋梁設計規(guī)范

加拿大公路橋梁設計規(guī)范[14]對于鋼筋混凝土-木混合結構道路橋梁的連接設計有特別的規(guī)定。規(guī)范指南中的要求特指利用混凝土-木混合結構作為橋面。與澳大利亞及新西蘭設計指南中的規(guī)定相似，如圖3所示，該規(guī)范中允許運用不同深度的槽口層合連接以及金屬連接件連接。

根據規(guī)范，其中第1種槽口連接方式自1955年以來已經成功應用，而第2種釘連接方式近來一直在深入研究中，并從20世紀80年代以來發(fā)展迅速。規(guī)范表明，基于混凝土與木材之間剛性連接，可以運用截面換算法進行節(jié)點分析。

4.5 巴西木質橋梁設計手冊

圖3 加拿大公路橋梁設計規(guī)范中的節(jié)點連接

巴西就混凝土-木組合連接系統進行研究始于20世紀70年代。近來研究表明，由于巴西缺少對混凝土-木連接的規(guī)范要求，故巴西的混凝土-木節(jié)點連接及具體運用基本上參照歐洲規(guī)范5[15]。

此外，在2006年巴西出版的有關橋梁設計指南中，對混凝土-木混合橋梁的設計和分析作出了相關規(guī)定[16]。規(guī)定中具體說明對于由圓木單元構成的混合結構橋面，其分析方法基于殼理論。在設計手冊中同樣也介紹了節(jié)點連接方式，根據不同的鋼筋直徑在混凝土及木構件中植入不同類型及尺寸的連接件。通過試驗研究[17]，可以得到這種節(jié)點連接方式的力學性能。

5 結語

在鋼筋混凝土-木混合結構中，木材與混凝土之間的節(jié)點連接十分重要，其可靠性關系到結構設計及穩(wěn)定性。本文圍繞鋼筋混凝土-木混合結構的連接節(jié)點，研究了節(jié)點力學性能、國外現有的設計規(guī)范與手冊中對節(jié)點連接的規(guī)定，以及節(jié)點連接種類。

研究表明，目前應用與研究最廣的節(jié)點連接方式為金屬連接件，如銷釘、螺栓、預埋連接件等，但是其他連接方式，如剪力鍵連接等，同樣具有良好的力學性能與應用前景，有待深入研究其在建筑工業(yè)化中的應用。國內外已有許多對于節(jié)點連接力學性能的理論計算研究，但是在混合結構有限元分析時尚無特定的單元用于計算。深入研究更準確、更簡便的節(jié)點計算方法，制定符合安全性及使用性強的國內設計規(guī)范，有助于混合結構建筑的設計及市場推廣。

許多國內外學者基于推出試驗對木-混凝土混合結構節(jié)點連接的力學性能進行研究，在實際混合結構建筑中，木構件與混凝土梁柱或樓板、剪力墻等構件之間的節(jié)點連接性能受到長期荷載的影響，且木質構件的蠕變受含水率變化影響很大，需要更多的試驗研究來驗證節(jié)點連接耐老化性及長期荷載下的可靠性。

此外，在混合結構中，常見的木質構件與混凝土組合形成的梁柱或樓板，由于其質量、剛度不均勻，靜力動力反應不一，材料溫濕度響應不同，故在設計中應根據不同的應用需求充分考慮其節(jié)點連接可靠性。