王志強(qiáng)， 姚 悅， 張敬婷， 殷天嘯， 汪可馨， 程 堃

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210037；2.上海美固澄梵緊固件有限公司，上海 201419)

研究與設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)用自攻螺釘機(jī)械及連接性能

王志強(qiáng)1， 姚 悅1， 張敬婷1， 殷天嘯1， 汪可馨1， 程 堃2

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210037；2.上海美固澄梵緊固件有限公司，上海 201419)

測(cè)試、評(píng)價(jià)了不同直徑、不同長(zhǎng)度國(guó)產(chǎn)新型自攻螺釘?shù)目估瓘?qiáng)度、抗彎屈服強(qiáng)度、釘入正交膠合木拔出強(qiáng)度和釘帽拉穿強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明：直徑8 mm、長(zhǎng)度120 mm的自攻螺釘具有較好的抗拉和抗彎屈服強(qiáng)度；直徑6 mm自攻螺釘?shù)尼斆崩?qiáng)度比直徑8 mm的自攻螺釘高25.4%。在本試驗(yàn)條件下，自攻螺釘?shù)闹睆?、長(zhǎng)度、釘入深度和有無(wú)預(yù)鉆孔等因素對(duì)自攻螺釘釘入正交膠合木拔出強(qiáng)度的影響都不顯著。

自攻螺釘；機(jī)械性能；拔出強(qiáng)度；釘帽拉穿強(qiáng)度；正交膠合木

隨著國(guó)內(nèi)外正交膠合木(Cross-laminated timber，CLT)材料和中高層木結(jié)構(gòu)建筑的快速發(fā)展，一些不同于輕型木結(jié)構(gòu)和普通木結(jié)構(gòu)(原木屋)的連接形式，但適合于CLT大尺寸、板類(lèi)型產(chǎn)品特性的新型連接件及其連接形式隨之產(chǎn)生。有代表性的CLT構(gòu)件連接件如新型自攻螺釘(Self-typing screw，STS)，其具有自攻頭、切削螺紋和表面覆層，不需要預(yù)先鉆孔，使用電動(dòng)工具即可方便、快捷地安裝，自攻螺釘?shù)奶厥饴菁y形狀使木材不易劈裂，而且自攻螺釘?shù)目估⒖箯澋葟?qiáng)度都有明顯提高。不同類(lèi)型的自攻螺釘具有不同的直徑、長(zhǎng)度、螺紋長(zhǎng)度和頭型，其中直徑分為頭部直徑(dHead)、螺桿直徑(dShank)、螺紋直徑(dThead)，自攻螺釘示意圖如圖1所示[1]。

圖1 自攻螺釘示意圖

目前，國(guó)外對(duì)STS用于重型木結(jié)構(gòu)(如膠合木結(jié)構(gòu)和CLT結(jié)構(gòu))的研究較多，市場(chǎng)上產(chǎn)品型號(hào)齊全，產(chǎn)品性能參數(shù)和連接性能設(shè)計(jì)值等方面都有較詳細(xì)的數(shù)據(jù)[2-3]。國(guó)內(nèi)在STS連接膠合木節(jié)點(diǎn)的性能方面也有所研究[4-5]，并且隨著國(guó)內(nèi)CLT的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用的逐漸增多[6-11]，STS的生產(chǎn)及其在CLT建筑中的應(yīng)用也逐漸引起重視。然而，由于新型STS在材料、產(chǎn)品長(zhǎng)度和直徑、螺紋等方面都與普通木螺釘有較大區(qū)別，國(guó)內(nèi)目前還缺少針對(duì)STS的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、連接件本身機(jī)械性能和不同節(jié)點(diǎn)連接性能設(shè)計(jì)值等基礎(chǔ)資料。本文以國(guó)產(chǎn)STS為測(cè)試對(duì)象，評(píng)價(jià)其機(jī)械和連接性能，以期為國(guó)內(nèi)相關(guān)STS標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)品應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

自攻螺釘：兩種直徑6 mm和8 mm，兩種長(zhǎng)度120 mm和140 mm，半螺紋，材質(zhì)為低碳鋼，型號(hào)0078B，上海美固澄梵緊固件有限公司生產(chǎn)。

云杉-松-冷杉規(guī)格材(Spruce-Pine-Fir，SPF)：加拿大進(jìn)口，平均含水率14%，平均密度0.42 g/cm3，J等級(jí)，實(shí)際尺寸為寬89 mm，厚38 mm，長(zhǎng)2.0 m。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 抗拉強(qiáng)度測(cè)試

參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1383測(cè)試三種類(lèi)型STS的抗拉強(qiáng)度。測(cè)量自攻螺釘螺紋內(nèi)徑，去除自攻螺釘頭部(釘帽)，用夾具夾緊試件，加載速度0.5 mm/min，試驗(yàn)至試樣拉斷，記錄最大荷載并觀(guān)察破壞形式[12]。每種類(lèi)型螺釘?shù)脑嚰?shù)量為10個(gè)。

1.2.2 抗彎屈服強(qiáng)度測(cè)試

參考LY/T 2059-2012測(cè)試三種類(lèi)型STS的抗彎屈服強(qiáng)度。采用跨中加載的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方式，支座間距為11.5倍的釘桿直徑。經(jīng)測(cè)量，公稱(chēng)直徑分別為8 mm、6 mm的自攻螺釘桿部直徑分別為5.72 mm和4.26 mm，因此這兩種STS的支座間距分別為66 mm和49 mm。加載速度3 mm/min[13]，每種類(lèi)型螺釘?shù)脑嚰?shù)量為10個(gè)。

自攻螺釘抗彎屈服強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

(1)

式中：Fyb為抗彎屈服強(qiáng)度(MPa)；S為自攻螺釘塑性截面模量(mm3)；My為自攻螺釘承受的彎矩(N·mm)。

1.2.3 釘帽拉穿強(qiáng)度測(cè)試

圖2所示為抗釘帽拉穿試驗(yàn)裝置。參考LY/T 2377-2014測(cè)試三種類(lèi)型STS抗釘帽拉穿強(qiáng)度，將STS從正方形SPF材料中心穿過(guò)(SPF厚度16 mm，邊長(zhǎng)89 mm)，勻速加載至自攻螺釘拉穿木構(gòu)件，加載速度為3 mm/min[14]，每種類(lèi)型螺釘?shù)脑嚰?0個(gè)。

拉穿強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

(2)

式中：Fh為拉穿強(qiáng)度(MPa)；Fmax為最大荷載(N)；dh為自攻螺釘釘帽直徑(mm)。

圖2 抗釘帽拉穿試驗(yàn)裝置

1.2.4 釘入CLT拔出強(qiáng)度測(cè)試

圖3所示為自攻螺釘釘入CLT拔出強(qiáng)度試件及試驗(yàn)裝置。參考LY/T 2377-2014測(cè)試STS釘入CLT的拔出強(qiáng)度。改變釘入深度、自攻螺釘長(zhǎng)度、直徑(螺紋外徑)和是否有預(yù)鉆孔等參數(shù)，STS釘入CLT參數(shù)見(jiàn)表1。將STS釘入長(zhǎng)162 mm、寬89 mm、厚114 mm的3層SPF 正交膠合木，STS釘入木構(gòu)件深度在8 d(d為釘公稱(chēng)直徑)和20 d之間，邊距大于5 d。以5 mm/min勻速加載拔出自攻螺釘，記錄最大荷載，每種類(lèi)型試件數(shù)量為5個(gè)。

拔出強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

(3)

式中：fw為拔出強(qiáng)度(MPa)；Fmax為最大荷載(N)；d為自攻螺釘直徑(mm)；lp為自攻螺釘擰入CLT的深度(mm)。

表1 STS釘入CLT參數(shù)

類(lèi)型釘入深度/mm釘公稱(chēng)直徑/mm釘長(zhǎng)度/mm預(yù)鉆孔A708140否B708120否C706140否D608140否E708140是

圖3 釘入CLT拔出強(qiáng)度試件及裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1STS抗拉強(qiáng)度、抗彎屈服強(qiáng)度和釘帽拉穿強(qiáng)度

三種STS抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和釘帽拉穿強(qiáng)度測(cè)試值見(jiàn)表2。從表2可以看出，STS-8-120型STS的抗拉和抗彎屈服強(qiáng)度最高，分別比STS-8-140型和STS-6-140型高28.8%、7.89%和10.1%、8.33%。LY/T 2059-2012中規(guī)定，用于木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)用鋼釘抗拉強(qiáng)度最小為600 MPa，當(dāng)釘桿直徑4.50 mmlt;d≤6.45 mm時(shí)，鋼釘抗彎屈服強(qiáng)度應(yīng)大于550 MPa?？梢钥闯?，本次試驗(yàn)采用的三種類(lèi)型自攻螺釘?shù)目估瓘?qiáng)度和抗彎屈服強(qiáng)度都超出了標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)于釘帽拉穿最大荷載，較大直徑STS的釘帽拉穿最大荷載相對(duì)較大，如8 mm直徑的STS平均釘帽拉穿最大荷載比6 mm直徑的高25.4%。而對(duì)于釘帽拉穿強(qiáng)度，直徑較小的6 mm STS試件值高于直徑8 mm的STS試件，相同直徑兩種STS的值差別不大。EN1995中認(rèn)為釘帽拉穿強(qiáng)度只與試件材料有關(guān)[15]，對(duì)3組試件的釘帽拉穿強(qiáng)度進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明STS釘?shù)拈L(zhǎng)度和直徑對(duì)釘帽拉穿強(qiáng)度影響不顯著。

試驗(yàn)中自攻螺釘?shù)睦炱茐膮^(qū)域大多集中在螺紋段，這主要是由于該部位的直徑最小，最容易發(fā)生破壞，自攻螺釘?shù)睦炱茐娜鐖D4所示?？箯澢?qiáng)度試驗(yàn)后，自攻螺釘?shù)目箯澢冃渭捌茐娜鐖D5(a)、圖5(b)和圖5(c)所示。

表2 STS抗拉強(qiáng)度、抗彎屈服強(qiáng)度和釘帽拉穿強(qiáng)度測(cè)試值

釘類(lèi)型釘公稱(chēng)直徑/mm釘長(zhǎng)度/mm釘帽直徑/mm抗拉強(qiáng)度/MPa抗彎屈服強(qiáng)度/MPa釘帽拉穿強(qiáng)度/MPaSTS-8-12081201461236(62)1064(141)182(158)STS-8-1408140147960(40)986(100)168(189)STS-6-14061401171123(43)982(64)221(212)

注：()中為變異系數(shù)，100%。

圖4 自攻螺釘拉伸破壞

圖5 自攻螺釘抗彎屈服變形及破壞

2.2 STS 釘入CLT拔出強(qiáng)度

STS釘入CLT拔出強(qiáng)度見(jiàn)表3。比較A類(lèi)與B類(lèi)試件(釘長(zhǎng)度不同)，較小長(zhǎng)度的STS拔出強(qiáng)度要高10.8%；比較A類(lèi)與C類(lèi)試件(釘公稱(chēng)直徑不同)，公稱(chēng)直徑6 mm的自攻螺釘比公稱(chēng)直徑8 mm的拔出強(qiáng)度要高25.6%；比較A類(lèi)與D類(lèi)試件(釘入深度不同)，由于兩種試件釘入深度都在螺紋段內(nèi)，因此兩者拔出強(qiáng)度差別很??；比較A類(lèi)與E類(lèi)試件(是否有預(yù)鉆孔)，單因素方差分析表明，是否預(yù)鉆孔對(duì)STS的拔出強(qiáng)度影響不顯著。EN1995中規(guī)定，當(dāng)木材密度大于500 kg/m3或螺釘直徑超過(guò)8 mm時(shí)，均需要有預(yù)鉆孔。

表3 STS在CLT中的拔出強(qiáng)度

類(lèi)型釘入深度/mm釘公稱(chēng)直徑/mm釘長(zhǎng)度/mm有無(wú)預(yù)鉆孔拔出強(qiáng)度/MPaA708140否176(105)B708120否195(110)C706140否221(178)D608140否174(139)E708140是171(190)

注：()中為變異系數(shù)，%。

3 結(jié)論

通過(guò)測(cè)試，比較不同直徑、長(zhǎng)度和釘入深度等因素對(duì)STS機(jī)械性能和連接性能的影響，可以得到以下結(jié)論：

(1)國(guó)產(chǎn)STS的抗拉強(qiáng)度、抗彎屈服強(qiáng)度平均值均超出目前國(guó)內(nèi)普通結(jié)構(gòu)用鋼釘?shù)囊蟆?/p>

(2)釘帽直徑較大的STS，釘帽拉穿最大荷載較大，但釘帽拉穿強(qiáng)度相對(duì)較小。

(3)本試驗(yàn)條件下，STS的直徑、長(zhǎng)度、釘入深度和有無(wú)預(yù)鉆孔等因素對(duì)STS的釘入CLT拔出強(qiáng)度影響都不顯著。

(4)由于STS的材料、螺紋、直徑、長(zhǎng)度等參數(shù)都與目前普通木結(jié)構(gòu)用鋼釘不同，因此有必要建立STS的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和確定連接性能設(shè)計(jì)值等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

MechanicalandConnectionPropertiesofSelf-TapingScrewsforStructures

WANGZhi-qiang1，YAOYue1，ZHANGJing-ting1，YINTian-xiao1，WANGKe-xin1，CHENGKun2

(1.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing Jiangsu 210037，China；2. Shanghai Moregood Camp;F Fastener Co.，Ltd.，Shanghai 201419，China)

The mechanical and connection properties，i.e.tension strength，bending yield strength，withdraw capacity，and pull through parameter，of self-typing screw(STS)with various diameters and lengths are tested and evaluated in this paper.The test result shows that the self-typing screws with 8 mm diameter and 120 mm length have better tension and bending yield strengths.The pull through parameter of STS with 6 mm diameter is 25.4% higher than that of STS with 8mm diameter.The effect of diameter，length，thread depth and pre-drilled hole/non-pre-drilled hole of STS are not significant in this test.

self-typing screw；mechanical properties；withdraw capacity；pull-through parameter；cross-laminated timber

TS642

A

2095-2953(2017)12-0011-04

2017-10-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31570559)

王志強(qiáng)(1978—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)楣こ棠井a(chǎn)品和木結(jié)構(gòu)建筑，E-mail：wangzhiqiang@njfu.edu.cn。