姚 悦， 张敬婷， 周甲林， 程 堃， 杨晓林， 王志强*

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.上海美固澄梵紧固件有限公司，上海 201419；3.郑州大学建筑学院，河南 郑州 450001)

综 述

正交胶合木建筑连接形式及新型自攻螺钉的发展

姚 悦1， 张敬婷1， 周甲林1， 程 堃2， 杨晓林3， 王志强1*

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.上海美固澄梵紧固件有限公司，上海 201419；3.郑州大学建筑学院，河南 郑州 450001)

介绍了正交胶合木(Cross-laminated timber，CLT)建筑的两种结构形式、该建筑常见的连接形式及其新型连接件自攻螺钉(Self-tapping screw，STS)的性能特点及在CLT建筑中的应用。

正交胶合木；CLT建筑结构形式；CLT建筑连接；新型自攻螺钉

正交胶合木(Cross-laminated timber，CLT)具有强重比大、尺寸稳定、保温隔热、双向力学性能优越、防火及抗震性能良好等优点[1]，其使用和发展为中高层木结构建筑提供了良好的解决方案，而且该材料非常适合使用在装配式木结构建筑上。近年来国外CLT建筑发展迅猛，特别是在欧洲、北美、澳大利亚等地区，在高度和体量方面都有所突破，如加拿大UBC大学的18层CLT学生公寓。另外，国外对CLT材料性能评价也有相关标准，如美国、加拿大等国家出版了CLT手册[2]和产品检测(ANSI/APA PRG 320-2012)标准[3]。与此同时，CLT建筑连接形式越来越多样化，各类连接件层出不穷，其中自攻螺钉以其安装方便快捷、经济、力学性能良好等优点被广泛使用。CLT在国内的发展还处于起步阶段，2014年CLT木结构展示房在河北迁安竣工[4]，2016年浙江宁波中加低碳新技术研究院有限公司在国内率先建立了CLT生产线，国内相关学者也对CLT的生产工艺、混合结构CLT等方面进行了研究[5-8]，但总体来说，国内CLT相关标准还不完善，各项技术还不成熟[9-11]。

1 CLT建筑的结构形式

根据承重构件布置方式、各构件之间连接形式、所使用木质构件或非木质构件材料种类的不同，可对CLT建筑结构形式进行分类[12]，最常见的有以下两种类型。

(1)平台式结构(Platform construction)：这种形式是直接将楼面板放置在墙体顶部，并以此作为平台进行接下来楼层的建设。平台式建造类似于北美轻型木结构的施工方法，不同之处在于用CLT板代替了轻型木结构中的柱墙体系和楼板体系，这也是在欧洲最为普遍的CLT建筑建造方式，特别是在多层建筑中。这种建造方式具有施工方便、连接形式简单且传力路径明确等特点。

(2)连续墙体式结构(Balloon construction)：这种形式是CLT墙体直接连续达几层楼的高度，中间的楼面板连接在CLT墙体上，类似于轻型木结构中采用连续墙骨柱的施工方法。由于受CLT板的长度限制，以及受其他设计、建造因素的影响，这种结构形式常用于底层、商业或工业建筑中。这种建造方法可以混合使用CLT和其他木质材料、非木质材料，但比平台式结构连接复杂，在实际使用中不常见。

2 CLT建筑常见的连接形式

Roberto Tomasi等对 CLT建筑的连接方式进行了分类，如图1所示。其将CLT建筑构件的连接分为三大系统[13]：①垂直面板与水平面板之间的连接(图1中1、2和3)；②垂直面板之间的连接(图1中4、5和6)；③水平面中面板之间的连接(图1中7)。

北美CLT手册根据不同部位的连接方式，对CLT建筑的连接形式分类更为详细，如图2所示。其主要分为楼面板、墙体平面内接长(图2中A)；墙体转角连接(T型墙体转角、L型墙体转角，图2中B)；墙体与楼面板连接(图2中C)；墙体与屋面板连接(图2中D)；墙体与基础连接(图2中E)。

本文主要介绍CLT建筑常见的连接形式。

图1 Roberto Tomasi的连接分类

图2 北美CLT手册中的连接分类

(1)A处连接：平面内接长，通常用于墙体与墙体、楼面板与楼面板之间的连接，连接位置在CLT板材纵向边缘处。①内部塞缝片(Internal splines)连接，如图3所示，这种连接的优点是提供了一个双剪切连接，但对加工精度有一定的要求，在连接部位使用结构胶黏剂，以提高整体连接的刚性；②单一、双侧表面塞缝片(Single surface spline、Double surface splines)连接，如图4所示，这种连接的优势在于不需要预先加工，直接在现场加工即可，但整体连接效果比内部塞缝片连接要差；③搭接连接(Half-lapped joint)，将CLT板纵向铣削、半叠在一起并使用自攻螺钉连接，常用于墙体之间、楼面板之间的部位，如图5所示；④套筒连接(Tube connection system)，套筒连接为奥地利G.Traetta开发的新型连接系统，该系统包括带有孔洞的钢制套筒、胶合或螺纹杆，在CLT板上钻孔将螺纹杆钉入或将胶合杆与CLT板进行胶合，另一端插入套筒中并用金属螺母进行拧紧固定，这种连接方式的性能主要依赖于螺杆或胶合杆的抗拔力，如图6所示。

塞缝片材料可以为木材、结构复合材，如单板层积材、较薄的CLT或胶合板等，传统的紧固件，如钉子、木螺钉等都可和塞缝片配合使用。

图3 内部塞缝片连接

图4 表面塞缝片连接

图5 搭接连接

图6 套筒连接

(2)B处连接：墙体转角连接，分为L型墙体转角连接和T型墙体转角连接。最简单的连接方式为将自攻螺钉90°垂直或者斜向钉入，如图7、图8所示。其次，可在CLT板中间开槽，并塞入木质垫块，木质垫块材料可为硬木、单板层积材、胶合板等，再

图7 自攻螺钉垂直连接

图8 自攻螺钉斜向连接

用自攻螺钉连接，同时使用胶黏剂，如图9所示。也可以使用金属支架、螺钉连接，但需增加保护层(如石膏板)，以提高连接部位的耐火性能，如图10所示。如果使用隐藏金属板连接，隐藏金属板厚度为6～12 mm，这种连接的耐火性能有很大的提高，但加工精度要求高，如图11所示。

图9 木质垫块连接

图10 金属支架连接

图11 隐藏金属板连接

(3)C处连接：墙体与楼面板连接，连接方法取决于结构系统的形式(平台式或连续墙体式)、紧固件的性能与预制化程度。当结构形式为平台式结构时，可采用自攻螺钉、金属支架、隐藏金属板连接，如图12、图13所示；当结构形式为连续墙体式时，由于这种结构常用于非住宅建设，如农场和工业建筑，这类建筑墙体高大且在主要楼层之间常有夹层，连接时需要使用结构复合材或金属支架作为CLT楼面板的支撑，如图14、图15所示。

图12 平台式金属支架连接

图13 平台式隐藏金属板连接

图14 连续墙体式垫块连接

图15 连续墙体式金属支架连接

(4)D处连接：墙体与屋盖的连接因屋顶形式不同连接也不同。对于平屋盖和墙体连接，类似于楼面板与墙体的连接，而坡屋盖和墙体的连接，通常是采用自攻螺钉和金属托架紧固件，如图16、图17所示。

图16 自攻螺钉连接屋盖

图17 金属支架连接屋盖

(5)E处连接：墙体与基础连接，CLT墙体与混凝土基础、钢梁连接时可直接使用暴露在外的金属板连接，如图18所示；也可采用隐藏金属板进行连接，如图19所示。暴露在外的五金件需进行镀锌处理或使用不锈钢材料以防止紧固件的腐蚀，在CLT墙体与混凝土基础之间应采用防腐木或结构复合材垫块隔开，连接处应保持干燥，以提高CLT材料的耐久性。

图18 金属板连接基础

图19 隐藏金属板连接基础

3 自攻螺钉在CLT建筑连接中的应用及发展

目前多种紧固件可用于CLT板之间、CLT板与其他木质材料、混凝土、钢结构的连接，同时一些创新型紧固件也越来越受欢迎，如粘棒(glued-in rods)、KNAPP系列连接件等。自攻螺钉以其良好的力学性能、经济、安装方便等优势在CLT建筑及其他形式的木结构建筑中得到广泛的应用。

自攻螺钉具有自攻头，切削螺纹和表面覆层使其不需要预先钻孔，使用电动工具即可方便、快捷地进行安装[14-15]。与普通螺钉相比，自攻螺钉具有如下优点：① 螺纹区域的特殊形状使其能将荷载传递到周围的木材中去，木材不易劈裂；② 滚压的螺纹经过硬化处理，可极大地提高自攻螺钉的抗弯强度、抗扭强度和抗拉强度；③ 连接刚度的增加减小了滑移的可能性。自攻螺钉有很高的轴向承载能力，其根本原因是由于自攻螺钉带螺纹区域长度较长，使用材料为淬火钢，其抗拉强度高达1 200 N/mm2[16]。自攻螺钉提供了一个极好的连续连接纽带，类似于在混凝土建筑中钢筋的作用，不同于混凝土的地方是木材这种建筑材料具有各相异性，横纹抗压和抗拉、顺纹抗剪性能都相对较差，使用自攻螺钉可以促使荷载集中或强化薄弱部位，提高整个木结构的强度和刚度。

目前，国外市场上自攻螺钉在重型木结构中应用非常普遍，最大的直径可达16 mm，长度能达到2 m。不同类型的自攻螺钉具有不同的直径、长度、螺纹长度和头型。自攻螺钉的直径又分为头部直径(dHead)、螺杆直径(dShank)、螺纹直径(dThead)，如图20所示[17]。影响自攻螺钉性能的因素如下：① 螺钉本身参数，直径、长细比、螺纹部分嵌入深度；② 连接参数，螺钉与木纹所成的角度、螺钉间距、边距；③ 环境参数，含水率、温度等。研究表明，不同的气候条件及不同的动荷载下，自攻螺钉都有优异的表现，其提供了一种延性破坏模式，这对木结构建筑抗震有着巨大的意义。

图20 自攻螺钉示意图

国外对自攻螺钉用于胶合木或CLT材料研究较多，国内针对自攻螺钉用于CLT建筑的研究则相对较少。自攻螺钉的握钉力是一个基本参数，在欧洲相关规范中，根据螺钉钉入深度(lef)、螺钉公称直径(d)、木材密度(ρk)和螺钉与木材纹理所成的角度(α)等参数来计算“木-螺钉”复合模型中的握钉力(fax，k)。为量化自攻螺钉钉入CLT板材的握钉力，Catarina Sliva等进行了大量的实验研究，主要研究了在相对湿度单调变化(相应的含水率分别为8%、12%、18%)和6个月以上的循环变化(相对湿度为30%～90%)，以及CLT材料中的缝隙数量(0、1、2、3、4条)和宽度(0 mm、4 mm)对自攻螺钉握钉力的影响。试验结果表明，当CLT试件含水率达到18%时，试件的握钉力开始降低。但在以下两种情况或经过处理后，如对于缝隙宽度为0 mm、缝隙数量增加时，普通组试件在经过相对湿度循环处理后，试件的握钉力出现了意料之外的增加。

国外研究者针对CLT楼面板以及CLT墙体的平面内接长两种常见形式提出了校核方法，对不同材质的单一表面塞缝片(如胶合板)使用自攻螺钉时的抗剪设计值、最小钉入深度、最小间距及边缘距离进行校核；对半叠连接时用自攻螺钉在垂直钉入、交叉45°斜向钉入、双排交叉45°斜向钉入时对抗剪承载力设计值等提出了计算方法。 Afrin Hossain等研究了全螺纹自攻螺钉双向倾斜连接CLT板平面内受剪时的表现，实验设置为近似纯剪切荷载，并采用准静态加载和循环加载两种方式，评价这种连接形式的屈服荷载、屈服位移、延性比、刚度和阻尼等性能参数。结果表明，在准静态、循环加载条件下的平均屈服荷载分别为每根6.0 kN、每根5.9 kN，延性比分别为7.7和4.1，在准静态加载和循环加载状态下自攻螺钉分别表现出高延性和中等延性，连接的性能可以通过握钉力来估计。CLT板使用这种自攻螺钉双向倾斜连接(对接)是可行的，自攻螺钉不仅在承载力和刚度方面展现了优异性能，而且连接时还提供了较大的延性，这对于应对地震有重要意义。Martin Trautz等实验表明，自攻螺钉组成一个内部构架系统地提高了胶合木梁的剪切强度。用自攻螺钉将钢板钉在框架的弯曲应力集中区域可以有效地提高其弯曲刚度和极限荷载；用自攻螺钉连接木材框架结构转角，与传统用木钉、销子连接或胶水指接相比具有更高的承载能力。Masoud 、Sadeghi、 Sheikhtabaghi等在两块CLT板边缘使用自攻螺钉搭接连接、单一塞缝片连接并进行面内受剪、拉伸试验，结果表明：CLT板边缘使用搭接连接时，强度和刚度要优于单一表面塞缝片连接；在自攻螺钉下放置垫片可以有效地提高其承载力；搭接连接被认为是一种有效的边缘连接方式，但这种连接在CLT板受平面外的力时表现不尽人意，特别是搭接连接导致平面外模态频率集中，在一定程度上放大了振动，对CLT楼板的动态适用性有不利影响。这说明评价CLT板之间的连接性能应从广义的角度，应联系上层建筑系统的性能表现，而不应简单地集中在一个孤立的问题上，如平面内剪切强度、拉伸强度和刚度等，进一步的研究应集中在CLT板边缘连接对平面外的力学要求方面。

4 展望

近年来，CLT在欧美国家发展迅速，CLT作为一种轻质建筑材料，其强度和刚度与钢筋混凝土相当，为现代木结构建筑向中、高层发展提供了解决途径。我国目前最新修订的《木结构设计规范》(GB 50005-2017)拟补充 CLT的相关设计与构造要求，针对 CLT 建筑和产品的专项规范正在修订中。新型自攻螺钉在国外已广泛使用在木结构建筑中，不仅拓宽了传统螺钉的应用领域，而且极大地提高了传统木螺钉的性能。新型自攻螺钉的出现衍生出了一种新的加固和连接方法，也为木结构建筑施工和修复开辟了新的领域。国内自攻螺钉用于木结构领域的研究还处于起步阶段，自攻螺钉本身性能以及用于木结构连接的各项标准还不健全，这在一定程度上限制了它的发展。自攻螺钉以其良好的力学性能，快捷的施工方法在木结构建筑领域得到使用和重视，发展前景广阔。

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(责任编辑 王琦)

Connection Forms of Cross-Laminated Timber Architectureand Development of Self-Tapping Screws

YAO Yue1， ZHANG Jing-ting1， ZHOU Jia-lin1，CHENG Kun2， YANG Xiao-lin3， WANG Zhi-qiang1*

(1.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing Jiangsu 210037，China；2.Shanghai Moregood C&F Fastener Co.，Ltd.，Shanghai 201419，China；3.School of Architecture，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001，China)

Two structural forms of cross-laminated timber(CLT)architecture are introduced connection forms.The common connection forms of such architecture and the performance features of self-tapping screws for its new connecting pieces and the application in CLT architecture are used.

cross-laminated timber；structural form of cross-laminated timber architecture；connections of cross-laminated timber architecture；self-tapping screw

2017-07-04

“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAL03B03)

姚 悦(1993-)，男，江苏南京人，工学学士，主要从事木结构建筑的研究，E-mail：18362980297@163.com。

*通讯作者：王志强(1978-)，男，湖南衡阳人，副教授，博士，主要从事新型工程木和木结构建筑方面的研究，E-mail：wangzhiqiang@njfu.edu.cn。

TS612

A

2095-2953(2017)09-0004-06