滕啟城 王菲彬 闕澤利 曾 楠

(1. 南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210037； 2. 南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院 南京 210037； 3. 保國寺古建筑博物館 寧波 315033)

銷軸類連接是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用最廣泛的連接方式，而釘是木結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)最早也是最常見的一種金屬連接件，因具有連接緊密、操作方便和耗能能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在木結(jié)構(gòu)中普遍使用(闕澤利等， 2014a； 費(fèi)建波等， 2010； 常程等， 2019)，如用于屋面與樓面木龍骨間的連接、結(jié)構(gòu)板材與擱柵間的連接、剪力墻的蒙皮結(jié)構(gòu)、墻面掛板的鋪裝、施工時(shí)臨時(shí)支撐的固定等(陳恩靈， 2008)。通常，釘都是以90°垂直釘入被連接件，但在一些特殊場(chǎng)合，如輕型木結(jié)構(gòu)中墻骨柱采用斜圓鋼釘與底板相連(圖1a)，或采用斜自攻螺釘與頂梁板相連(圖1b)，自攻螺釘釘長最長可達(dá)1 m。美國木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(NDS)最早根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的握釘力強(qiáng)度極限值，提出了基于木材密度、釘直徑和釘入深度的普通圓鋼釘和木螺釘?shù)任蔗斄υO(shè)計(jì)值計(jì)算公式(ANSI/AF&PA NDS—2005)。我國國標(biāo)規(guī)定了關(guān)于木材圓鋼釘握釘力試驗(yàn)方法和人造板材的自攻螺釘握釘力試驗(yàn)方法，但未對(duì)不同角度的木材螺釘握釘力測(cè)試和計(jì)算方法提出明確要求。

圖1 木結(jié)構(gòu)建筑中斜螺釘連接實(shí)例Fig.1 Example of inclined nails and self-tapping screws used in timber structure

釘連接節(jié)點(diǎn)可分為垂直于釘軸線的側(cè)向剪力和平行于釘桿的拔出力2個(gè)方向上的承載(陳恩靈等， 2008)，握釘力是衡量釘連接性能的重要指標(biāo)之一，多年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)釘入深度、釘直徑、釘表面形狀及放置時(shí)間和環(huán)境等參數(shù)對(duì)握釘力的影響開展了大量試驗(yàn)研究(Thomas， 1997； Douglasetal.， 2001； 2004； Bejtka， 2006； Freseetal.， 2010； 闕澤利等， 2014b)。歐洲木結(jié)構(gòu)規(guī)范(BS EN 1995-1-1:2004)提供了一個(gè)握釘力關(guān)于釘入角度的設(shè)計(jì)值計(jì)算公式(BS EN 1995-1-1:2004)，但國內(nèi)外針對(duì)相對(duì)木纖維的釘入角度對(duì)握釘力性能的影響試驗(yàn)研究較少。鑒于此，本研究以木結(jié)構(gòu)中常用的落葉松(Larixgmelinii)和白云杉(Piceaglauca)規(guī)格材為對(duì)象，研究不同釘入角度、木材密度和木材徑、弦向?qū)ξ蔗斄π阅艿挠绊?，以期為木結(jié)構(gòu)釘連接設(shè)計(jì)提供更完善的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

落葉松規(guī)格材產(chǎn)地俄羅斯，其紋理通直，有部分活節(jié)，尺寸為38 mm×89 mm×4 200 mm，平均密度為0.657 g·cm-3，平均含水率為16.4%； 白云杉規(guī)格材產(chǎn)地加拿大，其紋理通直，有少量活節(jié)，尺寸為38 mm×89 mm×4 000 mm，平均密度為0.469 g·cm-3，平均含水率為15.3%。參考《木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料用銷類連接件連接性能試驗(yàn)方法》(LY/T 2377—2014)中對(duì)握釘力試件尺寸的規(guī)定，從2種規(guī)格材上順紋截取150 mm長無瑕試件。圓鋼釘為普通低碳圓鋼釘，依據(jù)《木材握釘力試驗(yàn)方法》(GB/T 14018—2009)要求，釘型選取為Φ2.5 mm×50 mm，釘桿光滑，表面無銹跡、無缺失、釘尖掛鐵或彎曲等缺陷； 螺釘選用如圖2所示十字沉頭型自攻螺釘，表面鍍鋅。

圖4 多角度握釘力試驗(yàn)夾持裝置示意(左)與實(shí)物(右)Fig.4 Device for withdrawal strength test with multi angles schematic(left)and photo(right)

圖2 握釘力測(cè)試用自攻螺釘Fig.2 Self-tapping screws used in withdrawal testl: 長度Length(50 mm)； dh: 釘帽直徑Head diameter(7.1 mm)； d1: 螺紋內(nèi)徑Inner thread diameter(3.0 mm)； d2: 螺紋外徑Outer thread diameter(4.0 mm)； P: 螺紋間距Screw pitch(1.65 mm)； y: 不完整螺紋長度Length of incomplete thread(4.6 mm).

1.2 試件制備

如圖3所示，與木纖維分別成90°(橫紋)、60°、45°和0°(順紋)釘入自攻螺釘和圓鋼釘。每個(gè)試件僅測(cè)試同一角度2顆釘，釘?shù)拈g距和邊距依據(jù)《木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料用銷類連接件連接性能試驗(yàn)方法》(LY/T 2377—2014)規(guī)定: 順紋方向上間距和邊距不小于10d，橫紋方向上不小于5d。自攻螺釘釘入時(shí)不預(yù)鉆引導(dǎo)孔，直接用螺絲刀手工擰入30 mm，圓鋼釘采用錘子手工勻速釘入30 mm。釘入前，采用游標(biāo)卡尺(精度為0.02 mm)測(cè)量釘?shù)闹睆胶烷L度。一釘一測(cè)，即釘入一顆圓鋼釘或自攻螺釘在10 min內(nèi)完成握釘力測(cè)試，再在試樣的下一個(gè)位置釘入下一測(cè)試釘，且每次釘入后測(cè)量釘?shù)耐饴堕L度，以精確計(jì)算釘入深度。

圖3 不同角度釘入自攻螺釘(左)和圓鋼釘(右)示意Fig.3 Schematic diagram of screws(left)and nails(right)driven with different angles

1.3 試驗(yàn)方法

采用最大荷載為100 kN的島津萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)AG-10C)，測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度20～25 ℃，相對(duì)濕度35%～45%。因《木結(jié)構(gòu)握釘力試驗(yàn)方法》(GB/T 14018—2009)和《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》(GB/T 17657—2013)僅提供了垂直釘入試件的握釘力測(cè)試和夾持裝置，并不能測(cè)試斜角釘入時(shí)的握釘力，因此本研究根據(jù)試驗(yàn)要求，自主設(shè)計(jì)了一套多角度握釘力試驗(yàn)夾持裝置(闕澤利等， 2017)，如圖4所示，其中α為釘入角度。測(cè)試時(shí)，先調(diào)整好圓盤角度，使釘保持豎直方向，握緊釘頭后以3 mm·min-1的速度均勻加載，1～2 min內(nèi)將釘子拔出。記錄最大荷載，按照式(1)計(jì)算試件的握釘力，精確至0.01 N·mm-1:

P=Pmax/L。

(1)

式中:P為試件的握釘力(N·mm-1)；Pmax為最大荷載(N)；L為釘入深度(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)落葉松和白云杉規(guī)格材進(jìn)行不同釘入角度的握釘力試驗(yàn)，結(jié)果如表1、2所示。

表1 落葉松和白云杉自攻螺釘握釘力試驗(yàn)結(jié)果①Tab.1 The screw withdrawal strength of larch and spruce

①括號(hào)內(nèi)數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)差。下同。 The values in paretheses are standard deviations.The same below.

表2 落葉松和白云杉圓鋼釘握釘力試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The nail withdrawal strength of larch and spruce

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

圓鋼釘以不同角度釘入規(guī)格材時(shí)，僅少數(shù)硬度較大的落葉松弦切面上出現(xiàn)輕微開裂現(xiàn)象(圖5a)，被拔出過程中沒有明顯現(xiàn)象，釘子完全拔出后，規(guī)格材表面仍保持平整，釘桿仍筆直光滑，沒有黏附木纖維(圖5b)。

圖5 圓鋼釘和自攻螺釘釘入和拔出中的現(xiàn)象Fig.5 The phenomena during nailing and pull-out process of round nails and screws

由于沒有預(yù)導(dǎo)孔，自攻螺釘以不同角度擰入時(shí)略顯困難，少數(shù)落葉松試件橫紋面出現(xiàn)輕微開裂(圖5c)，拔出時(shí)可觀察到明顯的木纖維黏附在自攻螺釘上被一同拔出，完全拔出后，規(guī)格材橫紋面上釘孔周圍鼓起(圖5d)。從橫紋面拔出的釘桿表面裹一層絮狀木纖維，易脫落，端面拔出的釘桿表面裹一層束狀木纖維，緊密不易脫落。

圖6 不同角度下釘尖部位剖視Fig.6 The section view of tips position under different angles

圖6所示為2種規(guī)格材不同釘入角度握釘力測(cè)試后靠近釘尖位置釘槽剖面圖。結(jié)合表1和表2，落葉松和白云杉的年輪寬度在1.0～1.9 mm之間，落葉松晚材率為25%～38%，白云杉晚材率為23%～42%，圓鋼釘直徑2.5 mm和自攻螺釘直徑4.0 mm均大于2種木材的年輪寬度，所以釘入點(diǎn)均在年輪上。圓鋼釘釘槽內(nèi)壁光滑，且整個(gè)釘入和拔出過程中僅在釘徑2.5 mm范圍內(nèi)的木纖維受到明顯擠壓破壞。橫紋面上自攻螺釘釘孔在2倍釘徑8.0 mm范圍內(nèi)木纖維發(fā)生明顯變形，且越靠近表面范圍越大，而端面上自攻螺釘被拔出后除在平整的槽內(nèi)留下明顯的螺釘刻痕外，釘徑4.0 mm范圍外木纖維沒有明顯破壞現(xiàn)象。

2.3 不同釘入角度時(shí)抗拔荷載-位移關(guān)系

相同角度相同釘型時(shí)，落葉松和白云杉荷載-位移曲線的規(guī)律均較一致(圖7)。由于落葉松密度大于白云杉，因此落葉松荷載-位移曲線均高于白云杉。90°圓鋼釘拔出時(shí)，荷載-位移曲線呈線性，達(dá)到最大力后并沒有立即下降，而是表現(xiàn)為明顯的延性，呈線性緩慢降低，隨著釘入角度逐漸減小，荷載最高點(diǎn)處出現(xiàn)越來越明顯和尖銳的峰； 0°時(shí)荷載達(dá)到最大力后驟然降低，因?yàn)榘吾敃r(shí)釘桿擠壓周圍木材，形成一定摩擦力，在達(dá)到極限強(qiáng)度前握釘力主要由抵抗靜摩擦力產(chǎn)生，靜摩擦力最大時(shí)握釘力達(dá)到極限，隨著位移繼續(xù)增大，靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦力，動(dòng)摩擦力逐漸減小到一定程度后又轉(zhuǎn)變?yōu)殪o摩擦力，逐漸增大，在靜摩擦力和動(dòng)摩擦力的轉(zhuǎn)換中，荷載-位移曲線上下波動(dòng)，但由于釘桿與木材間的接觸面減少，握釘力整體呈下降趨勢(shì)。90°釘入自攻螺釘時(shí)，曲線線性增長，達(dá)到最大力后緩慢下降，形成一個(gè)圓鈍的峰，但隨著釘入角度減小，峰逐漸變得尖銳，與圓鋼釘握釘力峰隨角度變化規(guī)律相同，且釘入角度越小，曲線下降過程中出現(xiàn)更多矮峰。落葉松對(duì)自攻螺釘握釘力的剛度略大于白云杉。

圖7 不同角度圓鋼釘和自攻螺釘?shù)暮奢d-位移曲線Fig.7 The load-displacement curve of screws and nails with different angles

2.4 釘入角度對(duì)握釘力的影響

隨著釘入角度減小，落葉松和白云杉圓鋼釘?shù)奈蔗斄氏仍龃蠛鬁p小的趨勢(shì)，且0°時(shí)握釘力小于90°，與順紋方向上圓鋼釘握釘力小于橫紋方向上的規(guī)律一致(圖8)。落葉松和白云杉自攻螺釘?shù)奈蔗斄﹄S著釘入角度減小先減小后增大，0°時(shí)握釘力同樣小于90°，這是因?yàn)楫?dāng)90°釘入規(guī)格材時(shí)，木材像楔子一樣嵌入螺紋的兩齒之間，當(dāng)螺釘拔出時(shí)，兩齒之間的楔形木材受到剪切破壞，此時(shí)剪切力較大。而以0°釘入，即螺釘平行于木纖維，對(duì)螺釘產(chǎn)生束縛作用的僅為平行貼近釘桿外側(cè)的少數(shù)木纖維，且平行木纖維易完全被螺釘帶出，抗拔力主要來自木材順紋抗剪力。握釘力強(qiáng)度的通用計(jì)算公式P=KGaDL(K為經(jīng)長期荷載、含水率變化等因素調(diào)整后的常數(shù)，a為密度指數(shù)，G為木材密度，D為釘直徑，L為釘入深度)，在相同釘型和相同釘入深度條件下，木材密度越大，握釘力越大。試驗(yàn)落葉松規(guī)格材密度為0.657 g·cm-3，白云杉密度為0.469 g·cm-3，所以落葉松的握釘力均大于白云杉。

2.5 徑、弦面對(duì)握釘力的影響

當(dāng)圓鋼釘或自攻螺釘以非0°釘入，即與木纖維不平行時(shí)，必然與年輪之間存在一個(gè)角度。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)釘位于徑面或弦面來區(qū)分與年輪之間的角度，將結(jié)果分為2組。3種角度白云杉自攻螺釘?shù)奈蔗斄閺矫?弦面，但落葉松沒有明顯規(guī)律； 3種角度落葉松圓鋼釘?shù)奈蔗斄閺矫?弦面，而白云杉沒有明顯規(guī)律(圖9)?？梢姀矫婧拖颐鎸?duì)握釘力沒有直接影響，在握釘力設(shè)計(jì)值計(jì)算時(shí)，不需要引入年輪角度調(diào)整系數(shù)(趙榮軍等， 2010)。

圖8 不同釘入角度時(shí)握釘力的比較Fig.8 Comparison of withdrawal strength at different angles

圖9 徑面和弦面握釘力的比較Fig.9 Comparison of withdrawal strength in tangential face and radial face

3 結(jié)論

與木纖維所成釘入角度發(fā)生改變時(shí)，圓鋼釘和自攻螺釘?shù)奈蔗斄Ρ憩F(xiàn)出明顯變化。由于圓鋼釘握釘力來自摩檫力，自攻螺釘握釘力來自剪切力，不同機(jī)制使二者產(chǎn)生截然相反的變化趨勢(shì)。

不同樹種木材的握釘力受密度影響產(chǎn)生差異，而達(dá)到最大拔出荷載時(shí)的位移受釘型影響較大。

自攻螺釘連接構(gòu)件端面應(yīng)考慮采用交叉布置等增強(qiáng)方式避免出現(xiàn)軸向抗拔超過極限荷載后的脆性破壞，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)承載的安全系數(shù)。相比于圓鋼釘和傳統(tǒng)木螺釘，自攻螺釘有連接強(qiáng)度高、易拆裝和可重復(fù)使用等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)的深入研究有助于完善節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)體系，避免不合理方式連接構(gòu)件，對(duì)建造更加綠色、環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)的木結(jié)構(gòu)建筑有重要意義。