戈禧蕓 蔡 雨 陳志堅(jiān) 侯同宇 劉義凡 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. 重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院 重慶 400045；3. 大連雙華木結(jié)構(gòu)建筑工程有限公司 大連116000)

在實(shí)際工程中，存在很多單體木結(jié)構(gòu)建筑建造需求而非大批量建造的情況，為了滿足不同使用者對(duì)建筑安全、使用和造型的需要，木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。輕型木桁架廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的屋蓋、樓蓋系統(tǒng)，作為木結(jié)構(gòu)建筑中重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件之一，其承載力性能關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)的使用和安全。目前，齒板連接是輕型木桁架最廣泛的連接形式，針對(duì)輕型木桁架在受力時(shí)易出現(xiàn)鋼板屈服、齒板滑移、齒板拔出和穩(wěn)定性差等缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究(黃浩等， 2009； 2011； 李昌榮等， 2014； 劉利清等， 2009； 況宜， 2011； 葉虹等， 2012； Gustaf, 2017)，為解決齒板連接的單榀木桁架在部分位置承載力不足的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者亦提出了多榀木桁架的構(gòu)造形式(闕澤利等， 2017)。然而，在小批量需求情況下采用工廠定制木桁架的做法成本較高。自攻螺釘無(wú)需預(yù)鉆孔、對(duì)木材破壞小、施工方便，且具有較好的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)特性(程小武等， 2016)，在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了斜螺釘連接的新型木桁架形式(圖1)。由于新型木桁架受壓弦桿和腹桿的性能主要取決于木材抗壓能力，而受拉腹桿的性能取決于自攻螺釘?shù)倪B接能力，因此，受拉節(jié)點(diǎn)的抗拔能力是新型木桁架性能的重要參數(shù)。

圖1 螺釘連接的新型木桁架模型Fig.1 A model of novel truss connected with inclined self-tapping screws

對(duì)于自攻螺釘?shù)蠕N類連接件的抗拔力性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展大量研究并建立了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃屠碚撃Ｐ?。Robert等(2010)根據(jù)Johansen理論，通過(guò)試驗(yàn)和理論分析，在EC 5(BS EN 1995-1-1∶2014)基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了斜螺釘連接的木構(gòu)件節(jié)點(diǎn)抗拔性能計(jì)算公式。Ulrich等(2010)對(duì)2 571個(gè)歐洲白蠟(Fraxinusexcelsior)木構(gòu)件進(jìn)行抗拔力測(cè)試，試驗(yàn)考慮了螺釘直徑、釘入深度及有效釘入深度、木紋與螺釘軸向夾角等因素的影響，并提出了歐洲白蠟?zāi)緲?gòu)件抗拔力計(jì)算模型。Ellingsbo等(2012)開(kāi)展自攻螺釘與木紋方向夾角為0°時(shí)的拔出試驗(yàn)以及有限元模擬分析，并將結(jié)果與EC 5的現(xiàn)有規(guī)定和基于Volkerson模型的平均應(yīng)力進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Haris等(2018)對(duì)膠合木構(gòu)件螺紋螺桿的抗拔性能進(jìn)行研究，通過(guò)控制桿軸與木紋方向的夾角以及2種不同邊距、間距等因素的試驗(yàn)，獲得了抗拔力計(jì)算的近似表達(dá)式，該式與有限元模擬結(jié)果吻合較好。倪鳴等(2015)、程小武等(2016)也分別對(duì)自攻螺釘在膠合木和杉木(Cunninghamialanceolata)中的抗拔性能及錨固深度、角度等因素對(duì)最終結(jié)果的影響進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。以往對(duì)自攻螺釘性能的研究多集中于標(biāo)準(zhǔn)小樣試件的抗拔試驗(yàn)、抗剪試驗(yàn)以及采用自攻螺釘加固梁柱節(jié)點(diǎn)(劉慧芬等， 2015)或修復(fù)開(kāi)裂木柱(吳亞杰等， 2015； 宋曉濱等， 2016)等方面，而對(duì)不同角度釘入螺釘連接的木桁架受力性能研究較少。

鑒于此，本研究制作一種節(jié)點(diǎn)采用自攻螺釘連接的平行弦木桁架，以不同角度釘入螺釘，探究螺釘釘入角度對(duì)平行弦木桁架受拉節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，以期為新型桁架在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并完善木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1 材料與方法

1.1 試件制作

試件根據(jù)實(shí)際構(gòu)件簡(jiǎn)化，選取桁架受拉節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，試件尺寸如圖2所示，其中，α為自攻螺釘釘入方向與試件腹桿順紋方向的夾角，試件弦桿預(yù)留2個(gè)直徑13 mm的孔洞以實(shí)現(xiàn)試件通過(guò)螺紋錨桿和鋼板1、2組合與試驗(yàn)機(jī)固定，腹桿預(yù)留直徑16 mm的孔洞以實(shí)現(xiàn)通過(guò)2片鋼板3和螺紋錨桿與試驗(yàn)機(jī)壓頭連接(圖3)。

試件共分7組(N1～N7)，選取7個(gè)角度(α為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)，每個(gè)角度測(cè)試5個(gè)樣品，共計(jì)35個(gè)構(gòu)件。各組試件尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。試件全部采用加拿大進(jìn)口的2×4″規(guī)格材SPF(spruce-pine-fir)制作，材料性能見(jiàn)表2。自攻螺釘選用上海美固公司沉頭螺釘TCC 8×120(圖4)，其尺寸及性能參數(shù)見(jiàn)表3。

圖2 試件尺寸(mm)示意Fig.2 Geometrical characteristics (mm) of the specimen

圖3 試件固定裝置Fig. 3 Specimen placed inside the fixture

表1 試件尺寸參數(shù)①Tab.1 Geometrical characteristics of specimens

表2 SPF材料性能①Tab.2 Properties of SPF

圖4 試驗(yàn)用自攻螺釘Fig.4 Self-tapping screws applied in test

表3 自攻螺釘參數(shù)①Tab.3 Properties of the self-tapping screws

1.2 試驗(yàn)裝置與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用100 kN三思萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)UTM5105，通過(guò)2片鋼板和螺桿將試驗(yàn)機(jī)壓頭與腹桿預(yù)留孔洞連接。為了使桁架腹桿僅受軸向力作用，試件傾斜45°放置，弦桿通過(guò)螺桿與鋼片組合固定。參考ASTM D1761-12： Standard Test Methods for Mechanical Fasteners in Wood，采用位移控制，以2.54 mm·min-1的速率單調(diào)勻速進(jìn)行抗拔試驗(yàn)，加載至試件發(fā)生破壞或荷載降為80%Pmax時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。荷載和位移利用TDS-530采集，試驗(yàn)裝置與測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖6 試件最終破壞形態(tài)Fig.6 Types of failure modes of specimens

圖5 試驗(yàn)裝置與測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Test equipment and measuring point arrangement

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

加載初期，試件處于彈性階段，除了在受拉過(guò)程中因夾具間松動(dòng)或夾具與構(gòu)件連接處的空隙發(fā)生錯(cuò)動(dòng)引起荷載-位移曲線出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)外，試件無(wú)明顯現(xiàn)象，曲線斜率未發(fā)生明顯變化。

隨著加載位移逐漸增大，試件發(fā)生屈服，各試件斷續(xù)發(fā)出木材纖維斷裂聲，當(dāng)荷載達(dá)到峰值時(shí)，大部分試件的螺釘釘帽開(kāi)始凹陷于弦桿中，個(gè)別試件的螺釘從腹桿中拔出，隨后試件發(fā)生破壞，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度開(kāi)始下降。

當(dāng)荷載從Pmax降至80%Pmax時(shí)，試驗(yàn)定義為停止。最終，除了個(gè)別試件破壞形態(tài)為螺釘拔出外，其余試件均為釘帽拉穿(圖6)。這是因?yàn)樵嚰媚静牡穆葆斂拱螐?qiáng)度f(wàn)ax為9.09 MPa，而木材局部橫紋抗壓強(qiáng)度f(wàn)c,90為4.96 MPa，遠(yuǎn)小于螺釘抗拔強(qiáng)度。此外經(jīng)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生螺釘拔出破壞的情況在夾角為15°時(shí)有1次、30°時(shí)有2次、60°時(shí)有2次、75°時(shí)有3次，總計(jì)8次，約占所有破壞試件的22.86%。

圖7 桁架節(jié)點(diǎn)剖面Fig.7 Sectional views of joints of different angles

加載結(jié)束后，將各組釘帽拉穿試件的弦桿剖開(kāi)，可觀察到螺釘及木材的變形和破壞，如圖7所示?？梢钥闯?，木紋與螺桿軸向夾角為0°和15°時(shí)，螺釘幾乎未發(fā)生變形，節(jié)點(diǎn)破壞主要由釘帽拉穿弦桿導(dǎo)致。這是由于螺釘?shù)穆菁y大部分鉆入腹桿，弦桿中只有輔助螺紋和光桿部分，螺釘在腹桿中的抗拔強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其在弦桿部分的抗拔強(qiáng)度與釘帽部分木材橫紋抗壓強(qiáng)度之和，因此抗拔試驗(yàn)過(guò)程中釘帽逐漸嵌入弦桿，最終將其拉穿。

木紋與螺桿軸向夾角為30°時(shí)，螺釘發(fā)生微小彎曲，木材無(wú)壓潰現(xiàn)象。從夾角45°到90°的4個(gè)試件中，螺釘不同程度發(fā)生塑性鉸變形，即典型的Johansen Ⅱ類屈服模式，且螺釘變形逐漸增大?？梢?jiàn)，當(dāng)螺釘釘入角度大于等于45°時(shí)，螺釘在拉穿過(guò)程中先受到弦桿施加的剪應(yīng)力產(chǎn)生塑性鉸變形，后隨荷載增大逐漸拉穿弦桿。

2.2 荷載-位移曲線分析

圖8為7組螺釘釘入方向與桁架腹桿順紋方向不同夾角的荷載-位移曲線?？梢钥闯觯鹘M試件在加載初期均處于彈性階段，節(jié)點(diǎn)位移隨荷載增加呈線性增長(zhǎng)。夾角為0°、15°、75°和90° 4組試件的平均荷載-位移曲線存在明顯屈服階段，根據(jù)試驗(yàn)破壞現(xiàn)象，夾角為0°試件的屈服階段產(chǎn)生是釘帽陷入弦桿后逐漸拉穿弦桿所致，荷載在Pmax附近有很好的保持，故試件屬于延性破壞； 夾角為15°時(shí)，螺釘傾斜角度較小，曲線特征與0°類似，故也屬于延性破壞，但其中有1個(gè)試件的荷載-位移曲線與其他試件明顯不同，這是因?yàn)樵撛嚰诳拱卧囼?yàn)中發(fā)生螺釘拔出破壞； 夾角為75°和90°試件的屈服階段產(chǎn)生是螺釘彎曲變形所致，N6、N7兩組試件螺釘釘入時(shí)傾斜角度較大，螺釘在受力過(guò)程中彎曲變形程度也較大，但N6組5個(gè)試件在達(dá)到最大力后其荷載-位移曲線下降趨勢(shì)很陡，故N6組試件屬于脆性破壞，同理N7組也有3個(gè)試件屬于脆性破壞。

夾角為30°的試件螺釘變形很小，對(duì)應(yīng)的平均荷載-位移曲線無(wú)明顯屈服階段，達(dá)Pmax后曲線“階段式”下滑，屬于延性破壞，是釘帽陷入弦桿后逐漸剪斷木材，最終拉穿木材所致； 其中2個(gè)試件的荷載-位移曲線與其他試件明顯不同，是因?yàn)檫@2個(gè)試件最終為螺釘拔出破壞。

圖8 桁架節(jié)點(diǎn)試件的荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves of truss joints connected with screws

夾角為45°和60°的試件存在短暫屈服階段，但由于其螺釘彎曲變形程度較75°和90°的試件小，故在荷載-位移曲線中表現(xiàn)不明顯。屈服階段后，2組試件的平均荷載-位移曲線出現(xiàn)一個(gè)顯著增強(qiáng)階段，這主要是因?yàn)槁葆斚劝l(fā)生彎曲變形，變形結(jié)束后隨著荷載繼續(xù)增加釘帽才開(kāi)始剪斷木材，最終發(fā)生拉穿破壞，由于荷載下降速度緩慢，故2組試件仍屬于延性破壞。N5組，即夾角為60°的5個(gè)試件中，有2個(gè)試件的荷載-位移曲線明顯高于其他試件，是因?yàn)檫@2個(gè)試件最終為螺釘拔出破壞，而木材抗拔能力明顯高于局部承壓能力，故這2個(gè)試件的最大承載力較大。

2.3 極限荷載分析

桁架節(jié)點(diǎn)在受拉過(guò)程中受木材銷槽承壓強(qiáng)度、抗拔強(qiáng)度、釘帽拉穿強(qiáng)度和螺釘抗彎強(qiáng)度的綜合作用。為了進(jìn)一步研究節(jié)點(diǎn)受力機(jī)制，假設(shè)節(jié)點(diǎn)在受力過(guò)程中螺釘受到的銷槽承壓和抗拔作用均為均布荷載，圖9所示為節(jié)點(diǎn)在受力過(guò)程中的內(nèi)力分析。可以看出，隨著螺釘釘入角度增加，節(jié)點(diǎn)由單純受木材抗拔強(qiáng)度和釘帽部分局部抗壓強(qiáng)度作用逐漸演變?yōu)槭苣静目拱螐?qiáng)度、銷槽承壓強(qiáng)度和螺釘抗彎強(qiáng)度等綜合作用，由于節(jié)點(diǎn)破壞模式在各角度均為釘帽拉穿破壞，因此可推測(cè)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度主要受其釘帽拉穿強(qiáng)度和剛度的影響。當(dāng)夾角增加時(shí)，螺紋剪斷木纖維變多，釘帽拉穿強(qiáng)度下降，剛度降低，而反觀螺釘抗彎強(qiáng)度則開(kāi)始發(fā)揮作用，使得節(jié)點(diǎn)剛度和承載力進(jìn)一步提升，隨后節(jié)點(diǎn)內(nèi)各種作用力相互復(fù)合作用，對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力共同產(chǎn)生影響。

圖9 節(jié)點(diǎn)受力理論分析Fig.9 Theoretical analysis of nodal forcesfhead為釘帽拉穿強(qiáng)度，即木材局部橫紋抗壓強(qiáng)度Compression strength perpendicular to grain； fax為抗拔強(qiáng)度Withdrawal strength of the timber； fh1為腹桿中銷槽承壓強(qiáng)度Embedment strength of the tensile joints along the length of the screw； fh2為弦桿中銷槽承壓強(qiáng)度 Embedment strength of the chord along the length of the screw； Sh為釘帽面積Area of the screw head； S1為螺釘釘入腹桿深度Depth of screw driven into the tensile joints； S2為弦桿厚度Thickness of the chord； N1為腹桿中螺釘所受拉力Withdraw capacity of the screw loaded parallel to the screw axis in the tensile joint； N2為弦桿中螺釘所受拉力Withdraw capacity of the screw loaded parallel to the screw axis in the chord； H1為弦桿對(duì)腹桿的壓力Compressive force between timber members； H2為腹桿對(duì)弦桿的壓力Compressive force between timber members； Q1為腹桿中螺釘所受剪力Withdraw capacity of the screw loaded perpendicular to the screw axis in the tensile joint； Q2為弦桿中螺釘所受剪力Withdraw capacity of the screw loaded perpendicular to the screw axis in the chord； My為螺釘抗彎彎矩Screw bending moment； μ為界面摩擦系數(shù)Friction coefficient between timber members.

圖10所示為各組試件最大承載力及平均值變化?？梢钥闯觯瑠A角為60°時(shí)試件的平均承載力最大，達(dá)7.423 kN，夾角為0°時(shí)試件的平均最大承載力為7.259 kN，二者相差不大，僅2.21%。夾角為15°時(shí)試件的平均承載力最小，為4.088 kN，最大值相比其提高81.58%。

圖11所示為各組試件螺釘單位長(zhǎng)度承受的最大荷載及平均值變化，相比圖10，螺釘有效釘入深度對(duì)各角度釘入螺釘試件的承載力變化影響較小。夾角為0°時(shí)螺釘單位長(zhǎng)度承載力最大主要是因?yàn)槁葆斸斎敕较蚺c桁架腹桿順紋方向平行，螺紋與木纖維充分纏繞，有效提高了節(jié)點(diǎn)的抗拔能力。當(dāng)螺釘傾斜釘入時(shí)，螺紋將木纖維剪斷，纏繞關(guān)系減弱，釘帽更易拉穿弦桿，節(jié)點(diǎn)承載力下降。隨著傾斜角度增大，螺釘側(cè)向受力使其發(fā)生彎曲變形，螺釘?shù)目箯澴饔迷鰪?qiáng)了節(jié)點(diǎn)抗拔能力，但隨著傾斜角度增至一定程度，即螺釘受到的側(cè)向力與螺釘軸向夾角不斷增大時(shí)，螺釘?shù)目箯潖?qiáng)度逐漸減小，故夾角從30°到90°，各組試件螺釘單位長(zhǎng)度承載力先增大后減小。而夾角為15°時(shí)螺釘單位長(zhǎng)度最大承載力最小是由于此時(shí)螺釘有效釘入深度較大，木纖維剪斷數(shù)量較多，但螺釘與木纖維纏繞作用減弱的同時(shí)螺釘未發(fā)生彎曲，故承載力最弱。

圖10 試件最大承載力比較Fig.10 Comparison of load-carrying capacity for various inclined self-tapping screws

2.4 屈服荷載分析

屈服荷載(Py)即桁架節(jié)點(diǎn)開(kāi)始屈服時(shí)的荷載，為該節(jié)點(diǎn)在恢復(fù)原有性能情況下所能承受的最大荷載，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。可以看出，各組試件的屈服荷載變化較大，其變化趨勢(shì)與最大承載力幾乎一致。螺釘釘入方向與桁架腹桿順紋方向夾角為0°時(shí)屈服荷載最大，為4.859 kN，比最小值即夾角為15°時(shí)提高59.68%。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，夾角為0°～15°時(shí)，試件屈服荷載受木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度控制； 夾角為30°～90°時(shí)，試件屈服荷載受螺釘抗彎強(qiáng)度控制。橫紋局部抗壓強(qiáng)度作用隨角度增加顯著減小，而螺釘抗彎強(qiáng)度作用隨角度增加先增加后減小，夾角為45°時(shí)最大。

圖11 螺釘單位長(zhǎng)度承受最大承載力比較Fig.11 Comparison of load-carrying capacity per millimeter for various inclined self-tapping screws

圖12 試件屈服荷載比較Fig.12 Comparison of yield load for various inclined self-tapping screws

2.5 剛度分析

參考日本木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法(日本住宅 ·木材技術(shù)センタ一， 2005)，試件剛度為荷載-位移曲線彈性階段0.1Pmax和0.4Pmax對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)連線的斜率。從圖13可以看出，螺釘釘入方向與腹桿順紋方向夾角越大，試件剛度越小，夾角為75°時(shí)剛度平均值最小，僅0.38 kN·mm-1，夾角為0°時(shí)試件對(duì)應(yīng)的剛度最大值比夾角為75°時(shí)提高12.5倍。夾角為90°時(shí)試件平均剛度呈增加趨勢(shì)，約比最小值提高1.4倍。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，隨著傾斜角度增加，螺釘彎曲變形程度增大，而剛度越來(lái)越小，可見(jiàn)，桁架節(jié)點(diǎn)剛度取決于連接螺釘?shù)淖冃纬潭取?/p>

圖13 試件剛度比較Fig.13 Comparison of stiffness for various inclined self-tapping screws

3 結(jié)論

1) 螺釘釘入方向與桁架腹桿順紋方向夾角為0°和15°時(shí)，螺釘未發(fā)生彎曲變形，弦桿和腹桿亦未出現(xiàn)木材被螺桿壓潰現(xiàn)象，試件破壞主要是因?yàn)槟静臋M紋抗壓強(qiáng)度小于螺釘抗拔強(qiáng)度，釘帽最終剪斷并拉穿弦桿； 夾角為30°～90°時(shí)，螺釘發(fā)生彎曲變形，弦桿和腹桿中螺桿周邊木材出現(xiàn)不同程度壓潰現(xiàn)象，其失效主要是因?yàn)殇N槽承壓形成的剪力達(dá)到螺釘屈服荷載。

2) 夾角為0°～15°時(shí)，試件屈服荷載受木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度控制，其作用隨角度增加顯著減?。?夾角為30°～90°時(shí)，試件屈服荷載受螺釘抗彎強(qiáng)度控制，其作用隨角度增加先增加后減小，夾角為45°時(shí)最大。試件剛度隨螺釘傾斜角度增加而減小，最大值(0°時(shí))比最小值(75°時(shí))提高12.5倍。

3) 綜合分析節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、極限承載力、剛度和屈服荷載，當(dāng)螺釘釘入方向?yàn)?5°～60°時(shí)，新型桁架節(jié)點(diǎn)的受力性能最優(yōu)； 而螺釘釘入方向?yàn)?°的試件由于具有較高承載力和剛度，適用于建筑中對(duì)剛度要求較高的部位。

基于上述結(jié)論，在實(shí)際工程中建議：

1) 夾角為0°～15°時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)承載力和剛度較高，建議用于木桁架上下弦端部和豎向腹桿連接的部位； 夾角為45°～60°時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)可以充分承載受剪拉復(fù)合作用力的荷載，建議用于木桁架上下弦和斜向腹桿連接的位置。

2) 鑒于在夾角較小時(shí)其抗拔力遠(yuǎn)大于釘帽拉穿強(qiáng)度，因此建議在螺釘釘入過(guò)程中于螺釘釘帽和弦桿之間增加墊片以提高節(jié)點(diǎn)承載力。