趙更歧 趙大鵬 李 可

（鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州450002）

0 引 言

近年來，隨著外掛墻板的應(yīng)用興起，各種新型建筑外墻掛板材料被廣泛應(yīng)用。常用的掛板材料有水泥制品類、化學(xué)改性的實(shí)木類、石材類以及金屬類等。外墻掛板是指通過干掛的方式將板材外掛在墻體的外面。最常用的干掛連接方式即是自攻螺釘連接（圖1）。

圖1 外掛墻板Fig.1 External wall panel

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于自攻螺釘連接的抗剪性能有較多的試驗(yàn)和理論研究［1-2］。對(duì)于自攻螺釘抗拔承載力的研究則相對(duì)較少，由于外掛墻板長(zhǎng)期直接受到風(fēng)荷載的作用，為防止外掛墻板連接處受到風(fēng)吸力而失效脫落造成人員財(cái)產(chǎn)損失，其抗拔連接性能需要被重視。

美國(guó)AAMA T1R A9-91《金屬幕墻緊固件》［3］和《鋁合金設(shè)計(jì)手冊(cè)》［4］提出了相應(yīng)的自攻螺釘抗拔承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，國(guó)內(nèi)曾濱［5］通過試驗(yàn)方法和有限元模擬相結(jié)合研究了自攻螺釘抗拔性能，并提出相應(yīng)的抗拔承載力公式。但這些研究主要集中于以冷彎薄壁型鋼或者鋁合金材料為基材的研究設(shè)計(jì)。倪鳴［6］試驗(yàn)研究了膠合木自攻螺釘在不同錨固深度下的拉拔性能，并得到當(dāng)錨固長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到16時(shí)試件發(fā)生自攻螺釘屈服破壞。

本文將采用一種新型的外掛墻板材料酚醛防火纖維板為基材，通過自制的拉拔試驗(yàn)夾具研究自攻螺釘拉拔承載力與自攻螺釘直徑、鉆入基材的深度以及單個(gè)自攻螺釘拉拔與兩個(gè)自攻螺釘同時(shí)拉拔的拉拔極限承載力關(guān)系。

1 試驗(yàn)概況

拉拔試驗(yàn)中考慮自攻螺釘?shù)闹睆健⒆怨ヂ葆斻@入深度、拉拔方式（即單釘拉拔或雙釘共同拉拔）以及雙釘共同拉拔時(shí)兩釘之間的間距4 個(gè)變量，共設(shè)計(jì)15 組試件，每組6 個(gè)試件，共計(jì)90 個(gè)試件。試件參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)試件編號(hào)及變量設(shè)計(jì)Table 1 Test specimen number and variable design

試驗(yàn)中，所采用矩形酚醛防火纖維板邊長(zhǎng)尺寸為b×l=100 mm×150 mm，厚度t 為8 mm。自攻螺釘選擇國(guó)標(biāo)十字槽圓頭自攻螺釘，尺寸為M3×30（釘桿直徑3 mm，釘桿長(zhǎng)度30 mm）、M4×30、M5×30三種型號(hào)。通過模具將自攻螺釘鉆入指定深度的酚醛防火纖維板內(nèi)，形成拉拔試件如圖2所示。

圖2 拉拔夾具與試件Fig.2 Drawing fixtures and test specimen

試驗(yàn)采用自制自攻螺釘拉拔夾具設(shè)備并配合萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。施加至極限荷載約20%后卸載，開始正式加載。在預(yù)期極限荷載50%之前，以預(yù)期極限荷載的10%增量加載。分級(jí)加載至50%預(yù)期極限荷載后，改為以位移控制每級(jí)以0.25 mm∕min 速率加載，每級(jí)持續(xù)2 min，直至自攻螺釘被拔出為止。加載裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Test loading device

參考ASTM-D638—2008 規(guī)范［7］，酚醛防火纖維板順纖維方向材料性能如表2所示。

表2 實(shí)測(cè)酚醛防火纖維板力學(xué)性能Table 2 Measured mechanical properties of phenolic fireproof fiberboard

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

拉拔試件典型的荷載位移曲線如圖4所示。

圖4 荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curve

結(jié)合圖4（a），單釘拉拔試件在加載初期，各試件的自攻螺釘釘頭與夾具相互卡緊，自攻螺釘開始持力，試件均處于線彈性受力狀態(tài)，基材板未出現(xiàn)任何破壞。當(dāng)加載到極限荷載的50%左右時(shí)，開始出現(xiàn)微小聲響，并發(fā)現(xiàn)基材板的表面飾面層開始出現(xiàn)裂紋，加載系統(tǒng)荷載位移曲線顯示試件仍處于線性受力階段。當(dāng)加載至接近極限荷載時(shí)，可以聽到基材板內(nèi)纖維絲斷裂的絲絲聲，并明顯看到與螺釘接觸的周圍基材隨螺釘被拔至凸起，緊接著螺釘被拔出，試驗(yàn)停止加載。

結(jié)合圖4（b），雙釘拉拔試件在加載初期與單釘拉拔相同，當(dāng)加載到極限荷載的80%左右時(shí)，荷載突然下降，發(fā)現(xiàn)兩釘周圍的基材板的表面飾面層開始出現(xiàn)裂紋，但隨即荷載又繼續(xù)增加，但加載剛度明顯下降，最后達(dá)到極限荷載，可明顯看到與兩螺釘接觸的周圍基材隨螺釘被拔至凸起，緊接著螺釘基本被同時(shí)拔出。

所有試件均為基材板與螺釘接觸孔壁的錨固破壞，未有螺釘屈服現(xiàn)象和基材板劈裂破壞。試件破壞圖如圖5所示。

圖5 試件錨固破壞Fig.5 Anchor failure of specimen

2.2 試件拉拔極限承載力分析

現(xiàn)將各組試驗(yàn)試件的拉拔極限承載力實(shí)測(cè)結(jié)果列于表3。

表3 試件拉拔極限承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Test data for ultimate load of test specimen

不同自攻螺釘直徑與拉拔極限承載力關(guān)系如圖6所示。

從圖6 中整體可以看出，自攻螺釘抗拔極限承載力與螺釘直徑和鉆入深度呈正相關(guān)。結(jié)合表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)，單個(gè)螺釘拉拔時(shí)：M4 自攻螺釘拉拔極限承載力平均是M3 的1.45 倍，M5 自攻螺釘拉拔極限承載力平均是M4 的1.06 倍；兩個(gè)螺釘同時(shí)拉拔時(shí)M4自攻螺釘拉拔極限承載力平均是M3的1.21 倍，M5 自攻螺釘拉拔極限承載力平均是M4 的1.01 倍，可以看出隨著螺釘直徑的增大，拉拔極限承載力增加有放緩趨勢(shì)。兩個(gè)螺釘共同參與抗拉時(shí)，增加螺釘直徑所引起的拉拔承載力的提高明顯小于單個(gè)螺釘拉拔時(shí)的承載力提高。

圖6 拉拔極限承載力與自攻螺釘直徑關(guān)系Fig.6 Relationship between pull-out ultimate bearing capacity and self-tapping screw diameter

同時(shí)，從圖6（a）可以看出，當(dāng)鉆入深度改變時(shí)，拉拔極限承載力有較大改變。結(jié)合表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)螺釘直徑一定時(shí)，鉆入深度為7 mm 時(shí)的拉拔極限承載力平均是鉆入深度為5 mm 時(shí)的1.99 倍。但在實(shí)際工程中，由于板材的厚度有限且不宜鉆透，這將導(dǎo)致螺釘鉆入深度并不能理想化增加，需要與板材厚度相協(xié)調(diào)。

結(jié)合以上試件破壞形態(tài)以及試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律的分析，現(xiàn)對(duì)單個(gè)自攻螺釘拉拔極限承載力公式進(jìn)行擬合。得出酚醛防火板-自攻螺釘拉拔承載力計(jì)算公式及適用范圍：

當(dāng)5 mm≤tc≤7 mm，3 mm≤d≤5 mm時(shí)：

通過式（1）計(jì)算得到單個(gè)自攻螺釘拉拔極限承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，如表4所示。

從表4 中可以看出，單個(gè)自攻螺釘拉拔極限承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間規(guī)律吻合良好，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之比的均值為0.97，變異系數(shù)δ 為13.4%，整體上計(jì)算值略小于實(shí)測(cè)值。

表4 單釘拉拔極限承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Table 4 Comparison of calculated and measured ultimate bearing capacity for single nail drawing

鉆入深度一定時(shí)，為比較兩個(gè)螺釘共同拉拔時(shí)拉拔極限承載力與相同直徑的2 倍單個(gè)螺釘拉拔承載力的比值關(guān)系以及確定合適的相鄰螺釘間距。類似于樁基礎(chǔ)工程中的群樁效應(yīng)，引入雙螺釘拉拔效應(yīng)系數(shù)η表示。

通過式（2）計(jì)算雙螺釘拉拔效應(yīng)系數(shù)η 值如表5所示。

表5 雙螺釘拉拔效應(yīng)系數(shù)η值Table 5 Coefficient of pulling effect of double screw

從表5 中可以明顯看出，相同自攻螺釘直徑下，兩個(gè)自攻螺釘共同參與拉拔受力時(shí)其極限承載力并不等同于單個(gè)螺釘拉拔極限承載力的2倍。同時(shí)可以看出，當(dāng)螺釘間距越大螺釘直徑越小時(shí)，雙螺釘拉拔效應(yīng)系數(shù)越大。設(shè)兩螺釘中心線間距與螺釘直徑的比值為λ，作出雙螺釘拉拔效應(yīng)系數(shù)η與λ關(guān)系如圖7所示。

圖7 η與λ關(guān)系Fig.7 Relationship between η and λ

從圖7中可以看出η與λ呈正相關(guān)，即當(dāng)兩螺釘間距與螺釘直徑的比值λ 越大，雙螺釘拉拔效應(yīng)系數(shù)η 亦越大。但是在實(shí)際中η 并不會(huì)無限地增大。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意對(duì)拉拔極限承載力折減或者通過構(gòu)造來防止雙螺釘拉拔效應(yīng)系數(shù)η小于1。通過對(duì)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合可以得出，當(dāng)η大于1時(shí)的λ值，即

如式（3）所示，即要求相鄰自攻螺釘中心線間距大于6 倍自攻螺釘直徑。由此可知，若按照《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50018—2021）［8］中規(guī)定的自攻螺釘間距不小于3 倍螺釘直徑和《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50005—2017）［9］中規(guī)定的自攻螺釘間距不小于4 倍螺釘直徑，這均將偏于不安全。

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)以酚醛防火纖維板為基材的自攻螺釘拉拔試驗(yàn)研究，可以總結(jié)得出以下結(jié)論：

（1）增加鉆入深度相比增加自攻螺釘直徑更能提高拉拔極限承載力，同時(shí)隨著螺釘直徑的增大，拉拔極限承載力增加有放緩趨勢(shì)。結(jié)合以上規(guī)律，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的方法提出在一定鉆入深度和一定螺釘直徑范圍內(nèi)的酚醛防火纖維板-自攻螺釘拉拔極限承載力計(jì)算公式。

（2）當(dāng)螺釘直徑和鉆入深度一定時(shí)，不同間距的兩個(gè)自攻螺釘同時(shí)拉拔時(shí)其拉拔極限承載力與單個(gè)螺釘拉拔極限承載力相比并非是2 倍關(guān)系，兩個(gè)螺釘拉拔效應(yīng)的發(fā)揮與兩螺釘間距和螺釘直徑的比值有關(guān)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建議相鄰自攻螺釘間距大于6倍自攻螺釘直徑。