GB/T 40048-2021 木质结构材螺栓连接力学性能测试方法

　　ICS 9 1 . 080 . 20 P 23

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40048—2021

　　木质结构材螺栓连接力学性能测试方法

　　Testmethodsforboltedconnectionsinstructural

　　woodandwood-basedmaterials

　　2021-04-30 发布 2021-1 1-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40048—202 1

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由国家林业和草原局提出。

　　本标准由全国木材标准化技术委员会 (SAC/TC 41)归口 。

　　本标准起草单位：中国林业科学研究院木材工业研究所、南京工业大学、四川林业科学研究院、厦门明红堂工艺品有限公司、德华兔宝装饰新材股份有限公司、中国林业科学研究院林业新技术研究所、东莞华科东尼仪器有限公司、深圳市造源景观旅游规划设计有限公司、广东润成创展木业有限公司。

　　本标准主要起草人：王朝晖、黄仲华、王金平、杨会峰、武国芳、周海宾、葛蓓清、吕洋波、龚迎春、苏冠男、娄万里、张忠利、田昭鹏、刘柯珍、张刚、程明娟、许金飞、李准、曾鼎承、关润开。

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　　木质结构材螺栓连接力学性能测试方法

　　1 范围

　　本标准规定了木质结构材螺栓连接力学性能以及螺栓孔销槽承压强度等测试方法。

　　本标准适用于通过单个螺栓紧固件将至少一个木质结构材构件和另外至少一个任意材料构件连成一体的螺栓连接节点试件，在侧向荷载作用下进行连接强度和刚度的测试。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 1931 木材含水率测定方法

　　GB/T 1933 木材密度测定方法

　　GB 50005 木结构设计标准

　　GB/T 50329 木结构试验方法标准

　　GB/T 50708 胶合木结构技术规范

　　LY/T 3041 木结构金属紧固件连接循环荷载性能测试方法

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　木质结构材 structuralwoodandwood-basedmaterials

　　又称结构用木质材料，以作为结构构件承受荷载为目的，可满足工程设计要求的木材或木质材料。

　　3.2

　　螺栓连接 boltedjoints

　　通过单个螺栓紧固件将至少一个木质结构材构件和另外至少一个任意材料(通常是木质结构材或钢板或混凝土)构件连成一体的连接方式。

　　3.3

　　单剪连接 singleshearjoints

　　单剪连接是两个构件通过单个紧固件相连，只形成单个受剪面的连接。

　　3.4

　　双剪或多剪连接 doubleshearormultishearjoints

　　双剪测试是两个构件通过单个紧固件相连，形成两个或多个受剪面的连接。

　　3.5

　　销槽承压强度 embedmentstrength

　　木质结构材螺栓孔投影单位面积承受螺栓紧固件压缩荷载。

　　3.6

　　抗侧向荷载性能 lateralcapacitytoresistcompressiveortensileforces

　　当螺栓紧固件连接至少两个构件时，连接部位抵抗与紧固件轴向相垂直的短期侧向荷载(压缩或拉

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　　伸荷载)的力学性能，主要包括强度和刚度。

　　4 符号

　　4 . 1 几何参数

　　l —构件长度，mm

　　∞ —构件宽度，mm

　　t —构件厚度，mm

　　d —螺栓紧固件直径，mm

　　e1 —在平行于木质构件表层木材顺纹方向，距离端头最近的紧固件中心到端头的距离，简称端

　　距，mm

　　e2 —在垂直于木质构件表层木材顺纹方向，距离边缘最近的紧固件中心到边缘的距离，简称边

　　距，mm

　　4 . 2 力学性能

　　fe —销槽承压强度，N/mm2

　　F — 施加荷载，N

　　Fmax — 最大荷载，N

　　Fy —屈服荷载，N

　　S —相对位移或滑移，mm

　　Ki —初始刚度，N/mm

　　5 基本要求

　　5 . 1 试件

　　5 . 1 . 1 木质结构材

　　5 . 1 . 1 . 1 按照测试目标的要求选取有代表性的木质结构材产品加工试件，并且在紧固件附近不应有影响测试性能的明显缺陷，通常选择直纹理、无节木材产品作为试件，而木质材料产品试件宜根据加工特性选取;如果需要研究缺陷对连接性能的影响，可有目的选择包含缺陷的试件。

　　5 . 1 . 1 . 2 在进行测试之前，构件平衡含水率至少应满足下列条件之一 。

　　a) 木构件应在温度为(20±2)℃ 和相对湿度(65±5) % 的条件下保持质量相对稳定。

　　b ) 达到最终使用地点或施工地点的平衡含水率。

　　c) 在研究含水率和温度对连接性能影响时，通过恒温恒湿箱调节达到研究要求的稳定含水率和温度并在测试过程中始终保持。

　　5 . 1 . 1 . 3 在测试之前，在代表性等级规格尺寸的木质结构材产品中随机选取试件或密度范围进行分组选取试件。

　　5 . 1 . 2 螺栓紧固件和钢板构件

　　螺栓紧固件应包括螺杆、及其配套的螺母和垫圈，螺栓应符合 GB 50005 以及 GB/T 50708 等标准规范要求的非全螺纹螺杆，和构件接触的螺杆中间部位应为无螺纹的光杆，螺杆两端为螺纹或一端螺栓头、一端螺纹，所有螺母或螺栓头与构件表面之间应安装垫圈。 采用钢垫圈时，垫圈的厚度不应小于直径或者边长的 1/10,且不应小于螺栓直径的 30%。 方形垫圈的边长不应小于螺杆直径的 3 . 5 倍，圆

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　　形垫片的直径不应小于螺杆直径的 4 倍 。每个测试试件中螺栓紧固件和钢板构件不得重复使用。

　　5 . 1 . 3 试件数量

　　螺栓连接和销槽承压强度测试，应考虑螺栓长径比、纹理角度、端距、边距、含水率、温度等不同影响条件变量，可根据结构材连接性能变异系数确定合理的试件抽样重复数，相同配置条件试件重复数至少5 个 ~10 个，通常至少 10 个，条件许可时试件重复数尽可能多。

　　5 . 2 测试设备

　　5 . 2 . 1 力学试验机或其他加载设备应能满足测试加载要求，测定荷载示值精度到 ±1%。

　　5 . 2 . 2 试件压缩荷载加压头宜配置相应的球铰支座。

　　5 . 2 . 3 试件拉伸荷载时配置的加载头能夹紧试件且配备万向节以便加载过程中保持沿试件轴向进行拉伸加载。

　　5 . 2 . 4 位移测量设备，加载过程中能够实时准确测量螺栓连接构件之间相对位移或滑移，应在销轴两端部位分别使用一个以上的位移测量设备，位移测量示值精度 ±1%。

　　5 . 2 . 5 木构件试件尺寸量具测量精度 1 mm,螺栓紧固件直径的测量精度为 0 . 02 mm,长度测量精度为1 mm。

　　5 . 2 . 6 GB/T 1933 规定的测定木材密度的试验设备和 GB/T 1931 规定的测定含水率的试验设备。

　　6 螺栓孔销槽承压强度测试

　　6 . 1 螺栓孔销槽承压强度试件应和螺栓连接采用性质相同或相近的木结构材试件。 为保证在加工及测试过程尽可能不发生劈裂，半孔法试件(如图 1 所示)最小尺寸应为：试件厚度(t)不小于 38 mm 和2d两者中较小值，试件宽度(狑)和试件长度(l)均不小于 50 mm 和 4d两者中较大值，实际试件采用尺寸应尽可能大于上述最小尺寸以避免测试中销槽承压部位发生开裂。

　　图 1 半孔法销槽承压试件

　　6 . 2 半孔法试件的销槽孔径应不小于紧固件直径，且相差不应大于 1 . 6 mm。试件加工过程如下，如

　　图 2所示。

　　a) 沿着锯切线将试件在标注的螺栓孔处切开;

　　b) 一定压力夹紧两块试件使之不会发生松动;

　　c) 在标注螺栓孔的位置钻出引导孔;

　　d) 将紧固件插入引导孔;

　　e) 取下夹具和小试块，保留紧固件插入半孔的试件。

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　　图 2 半孔法试件加工

　　6 . 3 可采取如图 3 所示装置进行测试。 测试时，应确保试件放置于平整的台面，加载过程中必须确保螺栓紧固件不发生弯曲，2 个位移计分别测量紧固件两端的位移变化。

　　图 3 半孔法测试图

　　6 . 4 推荐位移加载速度为 1 mm/min±50 %,加载程序为匀速连续加载进行加载，加载通常应在达到最大荷载后下降到最大荷载 80%以下或位移达到 0 . 5 倍螺栓孔直径时停止加载，施加荷载后开始测量沿加载方向紧固件两端的位移变化，连续记录完整的荷载和位移数据，绘制荷载-位移曲线。

　　6 . 5 依据实测数据绘制获得荷载-位移曲线初始直线段，平行于初始值线段沿横坐标向右偏移距离为5%紧固件直径，取该平行偏移直线与荷载-位移曲线交点处对应的荷载作为销槽承压屈服荷载 Fy 。如果该直线未与荷载-位移曲线相交，则取曲线最大荷载 Fmax 作为 Fy 。测试荷载-位移曲线图见图 4 。按式(1)计算螺栓孔销槽承压强度，计算结果保留 3 位有效数字。

　　f …………………………( 1 )

　　式中：

　　fe —销槽承压强度，单位为牛每平方毫米(N/mm2 ) ;

　　Fy —销槽承压屈服荷载，单位为牛(N) ;

　　d —螺栓直径，单位为毫米(mm) ;

　　t —销槽承压试件厚度，单位为毫米(mm)。

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　　图 4 销槽承压屈服荷载取值示例

　　6 . 6 按照 GB/T 50329 统计方法分析测试数据，也可按 8 . 2 计算 5%下限分位值作为销槽承压强度的标准值。 测试后，立即从测定销槽承压试件靠近螺孔部位截取全断面 20 mm 长的木块 1 个，按照GB/T 1931测定试件含水率，另外截取全断面 20 mm 长的木块 1 个，按照 GB/T 1933 测定试件气干密度或全干密度，使用显微镜和目视测量试件的年轮宽度。 测试报告应包括但不限于以下内容：试件密度、含水率及制作试件的木材树种或木质材料的来源等级、抗压强度等信息;螺栓紧固件的材料、强度和表面处理情况;连接试件尺寸、紧固件数量及相关细节特征;制作环境与测试环境等;加载设备及程序等;详细的测试数据和测试最终破坏形式等信息。

　　7 螺栓连接测试

　　7 . 1 通用要求

　　7 . 1 . 1 按照受剪面数量不同，螺栓连接测试分为单剪、双剪和多剪测试;根据连接构件试件材质不同，通常全部使用木质结构材构件的为木-木连接测试，使用木质结构材和钢材构件的称为木-钢连接测试，常见连接方式及其相应的屈服破坏模式见附录 A( 图 A. 1~图 A. 4) 。 连接测试主要考虑螺栓孔承载面积、螺栓长度与直径比、主材或侧材构件厚度、木材纹理角度、各种规格螺栓的最小端距和端距变化、最小边距和边距变化、木结构材含水率、螺栓和金属夹板的性能等任何可能对连接力学性能造成影响的因素，设计合理测试方案。

　　7 . 1 . 2 木材结构材试件尺寸、螺栓的端距、边距通常应符合 GB 50005 和 GB/T 50708 等规范要求并和实际工程使用的连接状态保持一致具有代表性。 在木构件全部螺栓节点部位螺孔处不应出现裂缝，使用钢板、木质结构板等板材时，应合理设计主侧构件厚度，以免发生过早破坏。 木-木连接测试中，侧材厚度至少为主材的一半，主、侧材的长度和宽度选择应考虑端距和边距的影响。 木-钢连接时，钢板型号和厚度应和实际工程使用的保持一致，当钢板厚度小于或等于螺栓直径 0 . 5 倍时为薄钢板类型，而厚度大于或等于螺栓直径时为厚钢板类型。 沿顺纹荷载作用时，受力端和非受力端最小端距分别为紧固件直径的 7 倍和 4 倍;沿横纹荷载作用时，受力端和非受力端最小端距分别为紧固件直径的 4 倍和1 . 5 倍 。为了研究端距和边距尺寸参数对连接性能的影响，可不考虑上述要求。

　　7 . 1 . 3 对于螺栓直径小于 12 mm 的螺栓孔直径宜大于螺栓直径不超过 0 . 8 mm, 对于螺栓直径大于 12 mm的螺栓孔直径大于螺栓直径不超过 1 . 6 mm。安装螺栓时先用手拧紧后使用扭力扳手将所有螺栓连接的螺帽拧紧到预先设置的同一批次扭矩值即可停止。 安装圆钢销时，将木孔和钢板孔位置调节到基本一致时用木棰敲入。 构件接触的螺栓中间部位应为无螺纹的光杆，螺母拧紧后螺栓外露长度不应小于螺杆直径的 80%,且外露丝扣不应少于 2 扣 。螺栓连接试件安装完成后通常在 1 h 内完成测试，除非特意设定时间延迟测试。

　　7 . 1 . 4 双剪及多剪测试的试件外形应对称。 对于单剪测试等不对称试件，施加荷载时，试件可能会横

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　　向偏移，使用一个无摩擦的滚轮横向支撑进行限位。 位移计应固定在合适位置能够实时准确测量加载过程中螺栓连接构件之间相对滑移且固定部位自身变形尽可能小。

　　7 . 1 . 5 为了与 GB/T 50329 规定的两端不紧固的圆钢销连接试验保持可比性，在螺栓连接测试前取相同配置和数量的木质结构材试件按照 GB/T 50329 做相同直径圆钢销连接对照测试，并按照 7 . 5 . 2 规定的 5%直径偏移值确定圆钢销屈服荷载值。 特别对于钢-木-钢螺栓连接时由于螺栓紧固增强效应导致在荷载-位移曲线中初始屈服点不明显，通过解析螺栓连接荷载-位移曲线获得屈服荷载通常比相同配置的圆钢销连接屈服荷载高很多。

　　7 . 1 . 6 条件许可时尽可能采用受拉方式进行木质构件螺栓连接承载力测试，更具有代表性，也可按照受压方式进行螺栓测试，在进行受拉方式测试时，应使用万向节或其他类似装置保持沿试件轴向加载，同时试件夹紧部位应远离螺栓测试破坏处;在进行压缩方式测试时，应使用球面支座或其他类似装置。本标准主要采用单向单调加载，也可按照 LY/T 3041 标准中规定的单向往复或双向(拉-压)循环往复加载的方式进行测试。

　　7 . 1 . 7 同一连接配置条件重复试件数量不应小于 5 个 ~10 个，通常不小于 10 个，宜采用相同类型和相同等级尺寸的螺栓紧固件和钢板，且每个测试试件中螺栓紧固件和钢板构件不得重复使用。 可用于单调加载或循环加载，当按照 LY/T 3041 标准进行往复加载时，可另取 1 个对照重复试件用于单调加载以获得极限位移(滑移)和屈服位移(滑移)。

　　7 . 1 . 8 本标准主要适用于单个螺栓构成连接节点，当需要测试两个以上螺栓构成连接节点力学性能时，除了考虑螺栓长径比、纹理角度、端距、边距、含水率、温度等不同影响条件变量外，还要更多地考虑多个螺栓的整体块剪效应和群栓组合折减系数。

　　7 . 2 单剪连接

　　7 . 2 . 1 根据使用构件的不同，分为木-木单剪测试和木-钢单剪测试。 木-木单剪测试，通常由两个木构件和紧固件组装而成，根据荷载作用方向与木材纹理夹角不同分为顺纹、横纹及任意角度的木-木单剪连接;木-钢单剪测试是使用钢板作为侧材构件进行的测试。

　　7 . 2 . 2 顺纹单剪测试试件组装，首先将两木构件在顺纹方向上部分重叠，其重叠长度至少是 2 倍端距;然后在木构件重叠部分中心安装紧固件，形成螺栓连接节点试件，如图 5 所示。

　　7 . 2 . 3 横纹单剪测试试件组装，首先将两木构件形成 T形，然后在木构件重叠部分中心安装紧固件，横纹构件两支撑点或夹紧点外侧间距至少为横纹构件高度 3 倍，加载方向与主材构件木纹理方向保持垂直，如图 6 所示。

　　7 . 2 . 4 带纹理角度的单剪测试试件组装需垫高水平试件一侧，使两试件呈现测试所需夹角即可，推荐测试的夹角角度为 30°、45°和 60°,也可根据实际需求。 如图 7 所示。

　　7 . 2 . 5 选择合适的加载速度匀速加载，加载方向如图所示(实线箭头表示压缩测试，虚线箭头表示受拉测试)，应在 5 min 到 20 min 以内，通常约 10 min左右达到最大荷载(推荐位移加载速度为 1 mm/min ± 50 %),对于压缩荷载，测试可以在加载方向木构件间的总相对位移值达到 15 mm 时停止加载，记录完整的荷载和位移数据，绘制荷载-位移曲线，记录最大荷载。

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　　说明：

　　表示木材顺纹方向;

　　斜纹表示钢板。

　　图 5 木-木(顺纹)、木(顺纹)-钢单剪连接测试示意图

　　图 6 木(横纹)-木(顺纹)、木(横纹)-钢单剪连接测试示意图

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　　图 7 带纹理角度横纹单剪连接测试示意图

　　7 . 3 双剪连接

　　7 . 3 . 1 双剪测试根据主、侧材材料不同，分为木-木-木双剪测试、木-钢-木双剪测试(简称钢填板测试)及钢-木-钢双剪测试(简称钢夹板测试)等。

　　7 . 3 . 2 双剪测试试件组装如图 8~图 11,按照 7 . 2 . 2~7 . 2 . 4 单剪测试对于试件的各项规定。

　　7 . 3 . 3 选择合适的加载速度匀速加载，应大于 5 min,小于 20 min达到最大荷载，通常约 10 min达到最大荷载(推荐位移加载速度为 1 mm/min±50 %),对于压缩荷载，可以在加载方向木构件间的相对位移值达到 15 mm 时停止加载;记录加载过程中的荷载和对应的位移值，绘制荷载-位移曲线，记录最大荷载。

　　图 8 木-木-木(顺纹)构件、钢-木(顺纹)-钢双剪连接测试示意图

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　　图 9 木(顺纹)-木(横纹)-木(顺纹)构件、钢-木(横纹)-钢双剪连接测试示意图

　　图 10 木(横纹)-木(顺纹)-木(横纹)构件、木(横纹)-钢-木(横纹)双剪连接测试示意图

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　　图 1 1 木(顺纹)-钢-木(顺纹)钢填板双剪连接测试示意图

　　7 . 4 测试完成后，立即从连接节点木材或木质材料试件靠近螺孔部位截取全断面 20 mm 长的木块 1个，按照 GB/T 1931 测定试件含水率，另外截取全断面 20 mm 长的木块 1 个，按照 GB/T 1933 测定试件气干密度或全干密度，木材试件使用显微镜和目视测量年轮宽度。

　　7 . 5 测试结果分析与处理

　　7 . 5 . 1 在荷载-位移曲线上可以得到连接屈服时屈服荷载 Fy 及其对应的屈服相对滑移 sy、最大荷载Fmax及其对应的最大相对滑移 smax、2 / 3 最大荷载 2 / 3Fmax及其对应的 2/3 相对滑移 s2/3max等连接节点性能的参数。 其中，屈服荷载 Fy 的确定方法见 7 . 5 . 2 。

　　7 . 5 . 2 通常按照 5%紧固件直径平行偏移法确定屈服荷载：如图 12 所示，若荷载位移曲线初始段非线性明显，连接曲线上 0 . 1 倍和 0 . 4 倍最大荷载对应的点，形成直线的斜率即为初始刚度 Ki ;将该直线向右平移 5%紧固件直径的距离，其与曲线的交点记为屈服点，对应的荷载为 Fy 屈服荷载，对应的位移为屈服位移 sy 。

　　图 12 螺栓连接屈服荷载截取点示意图

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　　8 测试数据汇总和统计方法

　　8 . 1 测试数据汇总

　　螺栓连接和螺栓孔销槽承压强度的主要测试数据可按表 1 进行整理汇总，按照附录 A判别销轴类螺栓连接屈服破坏模式并记载到表 1 中 。

　　表 1 销轴类螺栓连接和螺栓孔销槽承压强度测试数据汇总表

　　8 . 2 测试数据的统计方法

　　测试试件样本从符合研究目的的总体中抽取，并保证抽样的代表性时，在符合本标准的试验条件下，假设该样本符合正态或近似正态分布，可取置信水平 75% 时 5%下限分位值和 50%下限分位值作为该指标的统计标准值，正态统计分布置信水平 75% 时 5%下限分位值和 50%下限分位值的计算分别如下式：

　　a) 正态统计分布 5%下限分位值可按式(2)计算：

　　TL1 =r-K1 S …………………………( 2 )

　　式中：

　　TL1 — 5%下限分位值;

　　r —测试结果平均值;

　　K1 —与试件数对应的系数(5%下限分位值)，见表 2 ;

　　S — 标准差。

　　表 2 计算置信水平 75% 时 5%下限分位值的系数 K1 取值

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　　b ) 正态统计分布 50%下限分位值可按式(3)计算：

　　TL2 =r-K2 S …………………………( 3 )

　　式中：

　　TL2 — 50%下限分位值;

　　K2 —与试件数对应的系数(50%下限分位值)，见表 3 。

　　表 3 计算置信水平 75% 时 50%下限分位值的系数 K2 取值

　　分别计算屈服荷载和 2/3 最大荷载的统计标准值(置信水平 75% 时 5%下限分位值)，可取两者中较小值作为该螺栓连接节点短期荷载容许值。

　　9 测试报告

　　应包含以下内容：

　　a) 荷载位移关系数据曲线;

　　b ) 描述螺栓连接承载性能如比例极限荷载、屈服荷载、最大荷载及其相对应的相对滑移量以及试件屈服破坏模式;

　　c) 描述螺栓连接构件组成装配情况，包括所使用的材料;

　　d) 各构件厚度、螺孔直径、端距和边距;

　　e) 详细完整加载程序和实际测试偏差情况;

　　f) 试件重复数、统计方法、平均值和分位值;

　　g) 试件涉及的木材树种和木质材料产品种类等级以及木材或木质材料的密度和含水率;

　　h) 试验技术条件，主要包括仪器和设备和试验夹具、木质结构材试件调温调湿情况和测试环境温湿度以及本测试方法产生的任何偏差;

　　i ) 如测试，列出木构件的顺纹或横纹抗压强度;

　　j) 如测试，列出螺栓孔销槽承压强度;

　　k) 螺栓紧固件包括螺母、垫圈和钢板构件的种类、规格等级性能和尺寸;

　　l ) 其他要说明的内容。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　销轴类螺栓连接屈服模式

　　A.1 屈服破坏模式示意图(用于模式分类统计)

　　屈服破坏模式根据产生塑性铰个数分为 Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ型。 木-木单剪连接、木-钢单剪连接、木-木双剪连接、木-钢双剪连接的屈服模式示意图分别如图 A. 1、图 A. 2、图 A. 3、图 A. 4 所示，测试结束后可以对照屈服示意图确定屈服破坏模式(tm-主材构件厚度，ts-侧材构件厚度，Ⅰ m , Ⅲm表示主材构件屈服， Ⅰ s , Ⅲs表示侧材构件屈服)。

　　图 A.1 木-木单剪连接屈服模式示意图

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　　图 A.2 木-钢单剪连接屈服模式示意图

　　图 A.3 木-木双剪连接屈服模式示意图

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　　图 A.4 木-钢双剪连接屈服模式示意图