鹿相戎 ，滕啟城，2，李哲瑞，3，張曉蘭，3，王昕萌，小松幸平，3，闕澤利?

（1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037；2.保國寺古建筑博物館，浙江 寧波 315033；3.日本京都大學(xué)生存圈研究所，宇治6 110011）

隨著建筑產(chǎn)業(yè)不斷向綠色環(huán)保發(fā)展，木結(jié)構(gòu)建筑作為節(jié)能與低碳的象征，其地位也相應(yīng)水漲船高。當(dāng)前正不斷加大節(jié)能建筑材料開發(fā)的投入，并促進(jìn)其廣泛應(yīng)用［1-3］?；诂F(xiàn)代木建筑設(shè)計(jì)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的理念，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)也是當(dāng)今木結(jié)構(gòu)研究的重要環(huán)節(jié)。斜螺釘以其優(yōu)良的軸向承載能力和安全可靠性，在現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接中廣泛應(yīng)用。斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)中，螺釘同時承受軸向荷載和側(cè)向荷載。目前，涉及斜螺釘連接設(shè)計(jì)計(jì)算公式的規(guī)范主要為EN 1995-1-1 “ Design of timber structures-Part 1-1： General -Common rules and rules for buildings”、DIN 1052 “Design of timber structures-General rules and rules for buildings”、BKR 2003“Design regulations of Swedish board of housing，building and planning”、NS 3470-1“Timber structures-Design rules.Part 1：Common rules”、AS1720-1 “ Timber structures Part 1： Design methods”、CNR-DT 206“Istruzioni per il progetto，l'esecuzione ed il controllo delle strutture in legno”以及日本的《木質(zhì)構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)準(zhǔn)》。這些規(guī)范中大多提出了基于螺釘側(cè)向剪切強(qiáng)度和軸向強(qiáng)度的二次組合公式，從而定義荷載狀態(tài)下同時受到剪應(yīng)力和軸應(yīng)力的螺釘連接承載能力。但是，這種計(jì)算方法極大低估了斜螺釘連接的強(qiáng)度，計(jì)算模型得出的理論值過于保守。同時，新型結(jié)構(gòu)的自攻螺釘不斷發(fā)展，具有較強(qiáng)剛度和軸向承載性能的自攻螺釘通常以一個傾斜角度連接木-木構(gòu)件、鋼-木構(gòu)件等節(jié)點(diǎn)，以獲得相比于傳統(tǒng)連接形式具有更好承載性能的連接節(jié)點(diǎn)［4-8］。已有研究也驗(yàn)證了斜螺釘連接顯著提升了節(jié)點(diǎn)的承載性能，如Wang 等［9］研究了角度和摩擦力對自攻螺釘連接單板層積材承載力及承載剛度的影響。

Bejtka 等［10］提出以Johansen［11］屈服理論中帶有塑性鉸的破壞模式Ⅲ為理論基礎(chǔ)的一種新的設(shè)計(jì)方法，該方法指出，斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)的承載能力源于自攻螺釘?shù)妮S向抗拔強(qiáng)度和側(cè)向抗力在木構(gòu)件連接面上的分力，以及由側(cè)向抗力產(chǎn)生的木構(gòu)件之間的摩擦力。但在計(jì)算連接構(gòu)件的側(cè)向承載能力時，只考慮了木材密度（ρ）和自攻螺釘傾斜度（α），并未將其他參數(shù)，如螺釘?shù)膸缀螛?gòu)型、螺紋結(jié)構(gòu)等考慮在內(nèi)。而且Bejtka 的設(shè)計(jì)公式只考慮到螺釘承受剪-拉應(yīng)力的情況，并未涉及螺釘承受剪-壓應(yīng)力及同時承受剪-壓和剪-拉復(fù)合應(yīng)力的情況。

為解決這一問題，采用自攻螺釘連接側(cè)邊鋼板-膠合木（鋼-木）節(jié)點(diǎn)，通過改變不同釘入角度，實(shí)現(xiàn)剪切單應(yīng)力、剪-壓和剪-拉復(fù)合應(yīng)力，以研究自攻螺釘傾斜角度對節(jié)點(diǎn)承載性能的影響。同時對比歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EC5（BSEN 1995-1-1：2004+A2：2014“Eurocode 5： Design of timber structures-Part 1-1： General-Common rules and rules for buildings”）中鋼-木節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式和Tomasi［12］木-木斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)滑移模量計(jì)算模型，以期掌握現(xiàn)有斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)的理論模型，同時更好地預(yù)測鋼-木斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)的承載性能。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括云杉（Picea glauca（Moench）Voss.）規(guī)格材、鋼板和自攻螺釘。其中，云杉規(guī)格材產(chǎn)自加拿大，J 級，紋理通直，無病蟲害，有少量活節(jié)，尺寸為38 mm×89 mm×4 000 mm，平均密度為0.469 g／cm3，平均含水率為15.3%。膠合時取用無缺陷試件，制成膠合木后其平均氣干密度為0.460 g／cm3，平均含水率為13.5%。美國木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范“National design specification for wood construction”中規(guī)定，除特殊情況或另有說明外，研究單一樹種的連接設(shè)計(jì)值適用于該樹種的所有等級，故鋸解時不分等級。鋼-木剪切性能試驗(yàn)的試件中間為膠合木，兩側(cè)為鋼板，是通過自攻螺釘連接的三片式單剪結(jié)構(gòu)，如圖1a 所示。其中，主材膠合木在工廠膠合成400 mm×360 mm×180 mm 膠合木。自攻螺釘為意大利Rothoblass 公司生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)用VGS 9×200 型全螺紋自攻螺釘，其力學(xué)性能為：公稱外徑9 mm、抗拉強(qiáng)度929.05 kN、抗彎屈服強(qiáng)度1 000 MPa、抗彎屈服彎矩27 244.1 N·mm、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度35 N·m。兩側(cè)邊鋼板選用Q235 號鋼，其尺寸為480 mm×180 mm×10 mm。

在剪切試驗(yàn)中，自攻螺釘主軸與側(cè)邊鋼板的夾角為α，垂直于剪切面命名為SS90，向兩側(cè)分別偏轉(zhuǎn)30°，45°和60°時，偏向鋼板受力方向依次為CS60、CS45 和CS30，偏離鋼板受力方向?yàn)門S60、TS45 和TS30（CS 為compressive-shear，TS 為tensile-shear），如圖1a 所示，共7 組，每組重復(fù)3 個試件。由于對鋼板與自攻螺釘之間的配合有一定要求，每個角度需有單獨(dú)的孔位，結(jié)合歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EC5 和國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對銷軸類連接件在節(jié)點(diǎn)連接中的邊距和端距要求，鋼板上實(shí)際孔位按圖2 進(jìn)行加工。鋼板上的孔位與釘子的釘入角度是一致的，可以確保釘入角度的準(zhǔn)確性。制備剪切試件時，確定鋼板在膠合木中位置后用F夾緊固，在相應(yīng)角度墊塊的輔助下，采用不預(yù)鉆孔方式直接完全旋入自攻螺釘。

圖1 鋼-木剪切性能試驗(yàn)原理及斜釘釘入過程Fig.1 Configuration of shear test of steel-glulam joint and the process of driving inclined screw

圖2 帶角度孔位鋼板加工示意圖Fig.2 Schematic diagram of inclined holes processing in steel plate

1.2 試驗(yàn)方法

在前期試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對鋼-木剪切試驗(yàn)通過加載獲得自攻螺釘相對膠合木的滑移進(jìn)行研究，分析測試過程中的荷載-滑移曲線，解析不同角度下自攻螺釘連接的力學(xué)性能。試驗(yàn)采用獨(dú)立的加載系統(tǒng)和采集系統(tǒng)（圖3）。加載系統(tǒng)為UTM5105 型三思電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。采集系統(tǒng)包括設(shè)置在膠合木四邊測量鋼板與膠合木間相對位移，量程100 mm 的YWC-100 型位移傳感器（精度0.01 mm），以及設(shè)置在動橫梁上的YBY-50kN型荷載傳感器（精度10 N），同時接入TDS530 數(shù)據(jù)采集儀，采集頻率1 Hz。試驗(yàn)時環(huán)境溫度5～15℃，相對濕度55%～65%。

試驗(yàn)以2.5 mm／min 的恒定速度進(jìn)行加載，當(dāng)試件發(fā)生突然破壞或荷載下降至80%極限荷載以下時停止加載。測試結(jié)束后，沿自攻螺釘釘入的鉛垂面劈開膠合木試件，觀察不同組剪切試驗(yàn)的自攻螺釘塑性變形和膠合木壓潰變形情況。

圖3 鋼-木斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)剪切試驗(yàn)Fig.3 Shear test of steel-glulam joint connected by inclined screw

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼-木節(jié)點(diǎn)剪切破壞模式

剪-壓復(fù)合應(yīng)力、垂直剪切面和剪-拉復(fù)合應(yīng)力情況下，斜螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)的剪切破壞模式以及自攻螺釘?shù)淖冃吻闆r見圖4。在剪-壓區(qū)，兩側(cè)自攻螺釘在其連接膠合木近表面3～5 cm 處，發(fā)生接近90°的彎曲變形，釘槽出現(xiàn)明顯木材壓潰現(xiàn)象，破壞時，自攻螺釘均出現(xiàn)2 個塑性鉸，一側(cè)釘頭被拉斷；垂直剪切面釘入時，自攻螺釘彎曲角度和膠合木承壓變形區(qū)域均較小，自攻螺釘呈不明顯的2 個塑性鉸；而在剪-拉區(qū)，最終破壞都表現(xiàn)為一側(cè)自攻螺釘被拔出，釘頭處發(fā)生較小的轉(zhuǎn)動。

圖4 不同角度鋼-木節(jié)點(diǎn)剪切試驗(yàn)典型破壞模式Fig.4 Characteristic failure modes of shear test of steel-glulam joint

2.2 鋼-木節(jié)點(diǎn)承載滑移模量理論計(jì)算模型

自攻螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)承載力直接采用EC5給出的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，如公式（1）所示。基于Bejtka［13］和Kevarinm?ki［14］的設(shè)計(jì)理論與公式，參考Tomasi 的木-木自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)的剪-拉、剪-壓復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的理論分析模型，對自攻螺釘連接側(cè)邊鋼板-木節(jié)點(diǎn)的剛度進(jìn)行理論分析。

式中：Kser為單個剪切面中單顆自攻螺釘?shù)幕颇Ａ?，N／mm；ρm為木材的平均密度，kg／m3；def為有效自攻螺釘直徑，mm；def=1.1dcore，dcore為自攻螺釘螺紋根部直徑，mm。

單顆自攻螺釘以α角傾斜釘入鋼-木節(jié)點(diǎn)中的典型斜螺釘連接形式見圖5。圖5 中：

式中：Fv，Rk為單個剪切面上單顆自攻螺釘?shù)某休d力，N。

考慮到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和研究基礎(chǔ)還沒有建立完善的斜螺釘承載剛度計(jì)算模型，因此主要借鑒Tomasi的分析思路展開。Tomasi 的試驗(yàn)結(jié)果表明：剪-壓復(fù)合時滑移模量并不受傾斜角（α）的影響，滑移模量基本與垂直剪切面時相同。因此，剪-壓復(fù)合時直接取EC5 給出的垂直剪切面時自攻螺釘節(jié)點(diǎn)的滑移模量理論值。但是在剪-壓復(fù)合時，EC5 中垂直剪切面時的剛度計(jì)算模型不能準(zhǔn)確評估斜螺釘節(jié)點(diǎn)的滑移模量值，因此，采用以下方法進(jìn)行計(jì)算。

圖5 斜螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)受力分析Fig.5 Force analysis of steel-glulam joint connected by inclined screws

斜螺釘承受剪-拉復(fù)合應(yīng)力時在剪切面上的變形情況見圖6。由圖6 可知：

式中：δ為平行于剪切面的自攻螺釘橫向位移；δ⊥和δ‖分別為相對于未變形的自攻螺釘位移δ的垂直和平行分量。

圖6 斜螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)在剪切面上的變形Fig.6 The deformation in shear plane of steel-glulam joint connected by inclined screws

假設(shè)自攻螺釘在正常使用狀態(tài)下表現(xiàn)為線彈性，可得到如下公式：

式中：Flat和Fax分別為垂直和平行于軸線方向的彈性力；K⊥和K‖分別為橫向荷載和抗拔作用的節(jié)點(diǎn)剛度。由EC5 中垂直剪切面時的剛度計(jì)算模型得到K⊥，而K‖通過抗拔試驗(yàn)得出。

在沿剪切面的外力作用方向上，結(jié)合式（1）和（2），考慮側(cè)邊鋼板與木構(gòu)件間的摩擦系數(shù)（μ），由平衡關(guān)系得：

式中：Fser為自攻螺釘承受剪-拉復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)時的合力。將式（6）和（7）代入式（8）得：

而Kser=Fser∕δ，從而可得到：

綜上所述，斜螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)的剛度計(jì)算公式為：1）當(dāng)自攻螺釘承受剪-壓復(fù)合應(yīng)力并垂直于剪切面時，剛度計(jì)算依據(jù)EC5 中垂直剪切面時的剛度計(jì)算模型獲得；2）當(dāng)自攻螺釘承受剪-拉復(fù)合應(yīng)力時，剛度計(jì)算公式為式（10）。

2.3 鋼-木節(jié)點(diǎn)承載力和安全系數(shù)

不同角度斜螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)中單個剪切面中單顆自攻螺釘?shù)臉O限承載力試驗(yàn)平均值，以及與EC5 純理論計(jì)算值和結(jié)合前期膠合木的不同角度抗拔強(qiáng)度和銷槽承壓強(qiáng)度實(shí)測值得到的計(jì)算值間的比較如圖7 所示。

圖7 斜螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)承載力平均試驗(yàn)值與理論值的比較Fig.7 Comparison of mean test values and theoretical bearing capacity of steel-glulam joint with inclined screws

根據(jù)公式η=Fmax/ Fv，Rk（Fmax為試驗(yàn)過程中的最大荷載） 計(jì)算得到的理論計(jì)算模型的安全系數(shù)見表1。

表1 依據(jù)EC5 計(jì)算的安全系數(shù)Table 1 Safety factor calculated according to EC5

從圖7 中試驗(yàn)值對應(yīng)的曲線可知，當(dāng)鋼-木節(jié)點(diǎn)中自攻螺釘承受剪-壓復(fù)合應(yīng)力時，角度變化對其承載力影響不明顯，但隨著自攻螺釘角度偏轉(zhuǎn)進(jìn)入剪-拉復(fù)合應(yīng)力時，承載力快速上升，并在30°和45°之間出現(xiàn)最大值。在剪-壓復(fù)合應(yīng)力時，EC5 對節(jié)點(diǎn)的自攻螺釘承載力純理論計(jì)算值高于試驗(yàn)值，而代入前期試驗(yàn)所得的自攻螺釘抗拔強(qiáng)度和銷槽承壓強(qiáng)度實(shí)測值得到的結(jié)果更大。自攻螺釘VGS9×200 的抗拔強(qiáng)度實(shí)測值高于EC5 公式計(jì)算值，雖然前期試驗(yàn)中膠合木的銷槽承壓強(qiáng)度實(shí)測值低于EC5 中的公式計(jì)算值，但在斜螺釘承載節(jié)點(diǎn)中，自攻螺釘?shù)目拱螐?qiáng)度對其極限承載力影響更大。剪-壓側(cè)的安全系數(shù)均小于1，表明采用現(xiàn)行EC5 中的公式計(jì)算剪-壓節(jié)點(diǎn)的極限承載力非常不利，需盡快補(bǔ)充研究剪-壓側(cè)承載的實(shí)際受力情況及影響因素，推導(dǎo)出安全系數(shù)和預(yù)測能力更高的計(jì)算公式。相比剪-壓復(fù)合應(yīng)力，垂直剪切面和剪-拉復(fù)合應(yīng)力情況下，基于EC5 計(jì)算公式的安全系數(shù)范圍為1.30～1.60，而基于抗拔強(qiáng)度和銷槽承壓強(qiáng)度實(shí)測值計(jì)算結(jié)果的安全系數(shù)為1.21～1.39，更接近試驗(yàn)值。因此，斜螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)承受剪-拉復(fù)合應(yīng)力和自攻螺釘垂直于剪切面情況下更安全。

2.4 鋼-木節(jié)點(diǎn)承載剛度

不同角度斜螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)承載滑移模量的試驗(yàn)平均值與EC5 模型結(jié)果和Tomasi 模型結(jié)果的對比見圖8?，F(xiàn)行EC5 中未將自攻螺釘傾斜角度對節(jié)點(diǎn)滑移模量的影響體現(xiàn)在計(jì)算公式中。從圖8 可以看出，在剪-壓復(fù)合應(yīng)力區(qū)和垂直剪切面釘入時，EC5 的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)值吻合度較高，而Tomasi 通過其木-木節(jié)點(diǎn)的剪切試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)EC5在非剪-拉區(qū)的剛度預(yù)測較準(zhǔn)確，因此在其修正的模型中，直接采用了EC5 原來的方法。但是EC5對剪-拉區(qū)的節(jié)點(diǎn)滑移模量幾乎沒有預(yù)測性。隨著角度的減小，滑移模量試驗(yàn)值呈增大趨勢，但在30°時出現(xiàn)降低。根據(jù)前述基于Tomasi 模型的斜螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)滑移模量理論計(jì)算模型，結(jié)合自攻螺釘抗拔試驗(yàn)得出的K‖，在45°～90°計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合度極高，證明Tomasi 提出的基于單顆自攻螺釘?shù)目拱蝿偠扔?jì)算節(jié)點(diǎn)滑移模量的方法極為有效。對于剪-拉30°情況下試驗(yàn)值與理論模型之間的差別，還需更多試驗(yàn)進(jìn)一步探明角度較小時的剪-拉節(jié)點(diǎn)承載力變化規(guī)律。

圖8 斜螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)承載剛度平均試驗(yàn)值與理論值的比較Fig.8 Comparison of mean test values and theoretical stiffness of steel-glulam joint with inclined screws

3 結(jié)論

通過使用自攻螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)，改變螺釘軸線與剪切面之間的夾角，測試了剪切單應(yīng)力、剪-壓和剪-拉復(fù)合應(yīng)力情況下，斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)的承載性能，對比了國外規(guī)范中的節(jié)點(diǎn)承載力模型與滑移模量計(jì)算模型對鋼-木斜螺釘連接節(jié)點(diǎn)承載性能的預(yù)測能力，得到了以下結(jié)論：

1）自攻螺釘與剪切面之間的角度變化對其在鋼-木節(jié)點(diǎn)承受剪-壓復(fù)合應(yīng)力的承載力影響不明顯，但隨著自攻螺釘偏轉(zhuǎn)為剪-拉復(fù)合應(yīng)力時，節(jié)點(diǎn)承載力明顯增大，并在30°～45°獲得最大值。

2）在自攻螺釘處于剪-壓復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)時，EC5 對節(jié)點(diǎn)的自攻螺釘承載力純理論計(jì)算值高于試驗(yàn)值?，F(xiàn)行EC5 公式計(jì)算剪-壓節(jié)點(diǎn)的極限承載力非常不安全。

3）EC5 的剛度預(yù)測結(jié)果在剪-壓復(fù)合應(yīng)力區(qū)和垂直剪切面釘入時，與試驗(yàn)值吻合度非常高，但對剪-拉區(qū)節(jié)點(diǎn)的滑移模量沒有預(yù)測性。

4）將Tomasi 模型應(yīng)用于斜螺釘連接鋼-木節(jié)點(diǎn)滑移模量理論計(jì)算時，在45°～90°時與試驗(yàn)值吻合度極高。單顆自攻螺釘?shù)目拱蝿偠扔?jì)算節(jié)點(diǎn)滑移模量的方法極為有效，具有較高的借鑒意義。