殷天嘯 桂 濤 劉藝肖 王志強(qiáng)

（1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037； 2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，合肥 230036）

近年來，新型木結(jié)構(gòu)連接件和連接方式不斷出現(xiàn)，其中，自攻螺釘（Self-tapping screw, STS）由于具有無需預(yù)鉆孔、抗拉強(qiáng)度高、施工快捷方便等優(yōu)點(diǎn)，在木結(jié)構(gòu)，尤其是膠合木和正交膠合木構(gòu)件連接中的應(yīng)用廣泛。國(guó)外對(duì)于木結(jié)構(gòu)用STS的研究較早，Blass等研究發(fā)現(xiàn)，使用STS可以增強(qiáng)木構(gòu)件橫紋方向的承載力[1]。Frese等根據(jù)大量試驗(yàn)，通過回歸分析給出了適用于針葉材的STS拔出強(qiáng)度計(jì)算公式和參數(shù)方程[2]。Dietsch等對(duì)STS和螺紋桿加強(qiáng)木構(gòu)件進(jìn)行相關(guān)研究，表明STS可以作為增強(qiáng)構(gòu)件來承受膠合木構(gòu)件層板間的應(yīng)力和剪切應(yīng)力[3]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于STS的研究和應(yīng)用也越來越多，王志強(qiáng)等對(duì)國(guó)產(chǎn)STS的機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)評(píng)，獲得了國(guó)產(chǎn)STS機(jī)械性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4]。倪鳴等對(duì)膠合木STS拉拔錨固性能進(jìn)行研究，總結(jié)了膠合木STS錨固試件的破壞形態(tài)，并認(rèn)為STS抗拔強(qiáng)度隨STS直徑增加而增大[5]。孫兆洋等對(duì)鋼板-STS加固殘損古建筑木結(jié)構(gòu)直榫節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行研究，認(rèn)為鋼板--STS適合加固強(qiáng)度或剛度明顯不足的榫卯節(jié)點(diǎn)[6]。劉慧芬等針對(duì)STS參數(shù)設(shè)置對(duì)膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能的影響進(jìn)行研究，得出了STS個(gè)數(shù)、直徑、布置間距等參數(shù)對(duì)膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能的影響[7]。

為發(fā)揮STS軸向抗拔強(qiáng)度，可采用STS斜向釘入木構(gòu)件（STS軸向與釘入板面紋理之間的夾角小于90°），但STS釘帽拉穿破壞，是這種斜向連接節(jié)點(diǎn)處常見的破壞模式之一。本文主要測(cè)試、評(píng)價(jià)不同直徑和釘帽形式的國(guó)產(chǎn)STS在加拿大產(chǎn)云杉-松-冷杉（Spruce-Pine-Fir，SPF）規(guī)格材和國(guó)產(chǎn)重組竹中垂直表面釘入時(shí)的抗釘帽拉穿強(qiáng)度和破壞模式，以期為STS在國(guó)內(nèi)木結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接中的推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

云杉-松-冷杉（Spruce-Pine-Fir，SPF）規(guī)格材：平均密度0.45 g/cm3，平均含水率13.39 %，3 600 mm（L）×184 mm（T）×38 mm（R），等級(jí)J級(jí)，產(chǎn)地加拿大。

重組竹，平均密度1.19 g/cm3，平均含水率5.51%，1 860 mm（L）×1 260 mm（T）×20 mm（R）， 福建馳宇裝飾材料有限公司生產(chǎn)。

STS：釘長(zhǎng)度160 mm，半螺紋（螺紋長(zhǎng)度90mm），6 mm和8 mm兩種公稱直徑，釘帽類型有平頭、大扁頭、平頭加墊圈三種，釘材質(zhì)為低碳鋼，上海檀筑實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

島津萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為AG-IC，量程100 kN，日本島津儀器公司生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)方法

參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1383—2016 “Timber structures -Test methods - Pull through resistance of timber fasteners”和國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 2377—2014《木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料用銷類連接件連接性能試驗(yàn)方法》中STS抗釘帽拉穿強(qiáng)度測(cè)試要求加工SPF和重組竹試件[8-9]，即保持兩種材料的厚度不變，將兩種材料的寬度和長(zhǎng)度都加工為160 mm。在試件表面中心處垂直釘入STS，如圖1。

圖1 抗釘帽拉穿試件Fig.1 Test specimen of STS head pull-through

采用兩種公稱直徑（6 mm和8 mm），三種頭型（平頭，大扁頭和平頭+墊圈，如圖2所示），分別在SPF規(guī)格材和重組竹材料中進(jìn)行抗釘帽拉穿試驗(yàn)，具體試件分組如表1，每組試件數(shù)量為3個(gè)。

根據(jù)LY/T 2377—2014進(jìn)行STS抗釘帽拉穿強(qiáng)度測(cè)試。加載方向沿STS軸向，加載速度設(shè)置為3 mm/min，在（300±120）s內(nèi)達(dá)到最大荷載Fmax并記錄[9]。

圖2 釘帽類型Fig.2 Types of the STS heads

表1 試件分組Tab.1 Specimen grouping

根據(jù)公式（1）計(jì)算STS在SPF規(guī)格材和重組竹中的釘帽拉穿強(qiáng)度：

式中：fh——拉穿強(qiáng)度，N/mm2;

Fmax——最大荷載，N；

dh——STS釘帽直徑，mm。

2 結(jié)果與分析

SPF規(guī)格材和國(guó)產(chǎn)重組竹試件STS抗釘帽拉穿試驗(yàn)數(shù)據(jù)和主要破壞模式如表2所示。

2.1 STS抗釘帽拉穿強(qiáng)度

2.1.1 SPF規(guī)格材中的抗釘帽拉穿強(qiáng)度

首先比較相同直徑，不同釘帽類型的STS在SPF規(guī)格材中抗釘帽拉穿強(qiáng)度。由表2可見，釘直徑相同時(shí)，大扁頭釘帽試件的抗釘帽拉穿強(qiáng)度為最大，其次是平頭+墊圈釘帽形式的試件，平頭釘帽試件的強(qiáng)度最低。直徑為6 mm和8 mm的大扁頭釘帽試件與相應(yīng)直徑的平頭釘帽試件相比，其抗釘帽拉穿強(qiáng)度分別高出21.8%和26.9%。增加墊圈可以有效提升平頭釘帽試件抗釘帽拉穿的最大荷載，其抗釘帽拉穿強(qiáng)度比平頭釘帽試件的強(qiáng)度分別高18.4%和8.6%。

表2 STS抗釘帽拉穿試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of STS head pull-through test

當(dāng)釘帽類型相同時(shí)，對(duì)于SPF規(guī)格材而言，直徑較大者釘帽拉穿最大荷載較大，如直徑8 mm的平頭和大扁頭試件釘帽拉穿最大荷載分別比直徑6 mm的平頭和大扁頭試件高20.4%和100.3%。這是由于相同釘帽類型的STS直徑較大者，其釘帽直徑較大，如直徑8 mm的平頭和大扁頭試件釘帽直徑分別比直徑6 mm的平頭和大扁頭試件大22.0%和54.1%。然而，對(duì)于釘帽拉穿強(qiáng)度，直徑較大的STS相比于直徑較小的STS有所減小，如直徑8 mm的平頭和平頭加墊圈試件的釘帽拉穿強(qiáng)度比直徑6 mm的平頭和平頭加墊圈試件分別小23.5%和34.6%。這是由于STS的釘帽拉穿強(qiáng)度是由最大荷載Fmax和釘帽直徑的平方dh2共同決定的。

綜上，減小釘帽直徑有利于抗釘帽拉穿強(qiáng)度的提高，但對(duì)抗釘帽拉穿最大荷載具有負(fù)面影響。

2.1.2 重組竹中的抗釘帽拉穿強(qiáng)度

本次試驗(yàn)中，6組重組竹試件的STS抗釘帽拉穿強(qiáng)度表現(xiàn)了較大差異。只有1組試件（Bamboo-8-A），即直徑8 mm的平頭試件，發(fā)生了釘帽拉穿破壞，最大荷載達(dá)到了23 kN，與相同規(guī)格的STS在SPF規(guī)格材中的釘帽拉穿最大荷載相比增加了485.5%，釘帽拉穿強(qiáng)度增加了485.6%。這主要是由于重組竹的密度、硬度等性能都比SPF規(guī)格材高很多，STS的釘帽拉穿性能與其連接的木質(zhì)材料物理力學(xué)性能有直接的關(guān)系[10-12]。

2.2 荷載-位移曲線和破壞模式

2.2.1 荷載-位移曲線

典型的荷載-位移曲線如圖3所示 。SPF試件在加載過程中，木材表面逐漸被釘帽壓潰，在達(dá)到最大荷載的過程中，木材發(fā)出被壓潰的聲響。當(dāng)釘帽穿透試件表面進(jìn)入試件內(nèi)部后，木材出現(xiàn)劈裂等破壞，承載力下降。STS在試驗(yàn)過程中螺紋部分被夾具磨損，出現(xiàn)短暫的滑移，以及木材局部被壓潰，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)抖動(dòng)，如圖3。重組竹試件在試驗(yàn)中出現(xiàn)了多種破壞模式，以螺釘拉斷破壞為主，圖像的抖動(dòng)也是由于螺紋被夾具所磨損而出現(xiàn)滑移如圖3。

圖3 典型荷載-位移曲線Fig.3 Typical load-displacement curves

2.2.2 破壞模式

本次試驗(yàn)中，SPF規(guī)格材的18組試件均出現(xiàn)釘帽拉穿破壞現(xiàn)象，如圖4所示。釘帽拉穿破壞形式主要是在達(dá)到最大荷載時(shí)，木材發(fā)生劈裂，STS釘帽部分穿過木材表面進(jìn)入木材內(nèi)部并導(dǎo)致木材局部壓潰，失去承載力。

圖4 SPF試件釘帽拉穿破壞Fig.4 STS head pull-through failures in SPF specimens

而重組竹試件中，只有直徑8 mm的平頭STS試件發(fā)生了釘帽拉穿破壞，如圖5所示。

圖5 重組竹試件釘帽拉穿破壞Fig.5 STS head pull-through failures in reconstituted bamboo specimens

直徑為8 mm的大扁頭STS在試驗(yàn)中出現(xiàn)重組竹劈裂破壞，此種情況表明連接件充分發(fā)揮了其連接性能，自身沒有受到破壞，破壞的產(chǎn)生是由于被連接的重組竹材料達(dá)到了自身強(qiáng)度極限（圖6）。

圖6 重組竹試件劈裂破壞Fig.6 Splitting failure of reconstituted bamboo specimens

表3 STS抗拉強(qiáng)度Tab.3 Tensile strength of STS

圖7 STS拉斷破壞Fig.7 Tensile breaking failure of STS

其余4組重組竹試件均發(fā)生了STS被拉斷的情況，重組竹表面沒有或僅有很細(xì)微的壓痕（圖7）。這表明在重組竹出現(xiàn)釘帽拉穿破壞之前，所施加的荷載達(dá)到了STS的抗拉強(qiáng)度極限，故螺釘被拉斷。參考 LY/T2059—2012《木結(jié)構(gòu)用鋼釘》，對(duì)每種STS測(cè)試了3個(gè)抗拉強(qiáng)度。由表3可知，STS的抗拉強(qiáng)度均大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（＞600 MPa）[13]。

3 結(jié)論

通過測(cè)試不同直徑、不同釘帽類型的STS在SPF規(guī)格材和重組竹中的抗釘帽拉穿強(qiáng)度，得到以下結(jié)論：

1）國(guó)產(chǎn)STS在SPF規(guī)格材中的抗釘帽拉穿強(qiáng)度與釘帽類型和螺釘直徑有關(guān)。釘直徑相同時(shí)，STS在SPF規(guī)格材中抗釘帽拉穿強(qiáng)度大小次序?yàn)椋捍蟊忸^釘帽試件＞平頭+墊圈釘帽形式試件＞平頭釘帽試件；當(dāng)釘帽類型相同時(shí)，直徑較大者其釘帽拉穿最大荷載較大，釘帽拉穿強(qiáng)度較小。因此減小釘帽直徑有利于抗釘帽拉穿強(qiáng)度的提高，但對(duì)抗釘帽拉穿最大荷載具有負(fù)面影響。

2）STS在SPF中均發(fā)生釘帽拉穿破壞，在重組竹中則更易發(fā)生螺釘拉斷破壞，表明自攻螺釘在重組竹中的釘帽拉穿強(qiáng)度遠(yuǎn)大于在SPF規(guī)格材中強(qiáng)度。