木結(jié)構(gòu)中新型自攻螺釘連接性能的研究綜述

陳 浩 劉志彬 栗生澤 何星蒲

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

木結(jié)構(gòu)是目前非常適應(yīng)綠色建筑的結(jié)構(gòu)之一，其所構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原木結(jié)構(gòu)體系;同時(shí)，相比于混凝土、水泥、鋼材等高能耗傳統(tǒng)材料，木材又是一種低能耗、無污染的天然可再生材料，其環(huán)保性能、綠色節(jié)能效果是其他任何建筑材料都無法匹敵的。所以，作為“人類未來之家”的木結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)建筑業(yè)正處在蓬勃發(fā)展的時(shí)期。隨著政策的支持以及行業(yè)的發(fā)展，木結(jié)構(gòu)建筑其環(huán)保、節(jié)能保溫、結(jié)構(gòu)安全等方面也將會(huì)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑能更好地順應(yīng)我國(guó)發(fā)展綠色環(huán)保、節(jié)能減排建筑的理念，具有很大的發(fā)展前景［1-5］。新型自攻螺釘連接作為木結(jié)構(gòu)中一種擁有良好受力性能的操作簡(jiǎn)潔的連接新方法，其連接性能的研究也具有重要意義。

1 新型自攻螺釘簡(jiǎn)介

新型自攻螺釘是目前國(guó)際木結(jié)構(gòu)建筑中性能最優(yōu)秀的連接件之一，自身具有較強(qiáng)的力學(xué)性能，其抗拔性能和抗剪性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他鋼釘。而且施工時(shí)無需預(yù)先鉆孔，僅使用扭力足夠的電動(dòng)工具即可快速安裝。圖1為一種新型木結(jié)構(gòu)自攻螺釘，目前該類型自攻螺釘國(guó)內(nèi)常見直徑為6 mm，8 mm和10 mm，長(zhǎng)度80 mm～400 mm，國(guó)外產(chǎn)品的最大直徑可達(dá)16 mm，長(zhǎng)度可達(dá)2 000 mm。

圖1 新型自攻螺釘構(gòu)造圖

這種新型自攻螺釘具有以下特點(diǎn)［6］:

1)尖部采用的割尾設(shè)計(jì)使得安裝過程中，螺釘接觸木材表面時(shí)即可瞬間切斷木質(zhì)纖維，同時(shí)降低木質(zhì)板材開裂的可能性;

2)在螺紋段設(shè)置割線，當(dāng)螺釘旋入木材的過程中有效切斷粗密的纖維，方便螺釘?shù)墓ト氩⒔档湍静呐芽赡苄?

3)光桿區(qū)域與螺紋區(qū)域之間增設(shè)斜紋滾花段，加粗了桿徑，使螺釘產(chǎn)生較大的扭矩，避免旋入過程中螺釘發(fā)生斷裂。同時(shí)起到了擴(kuò)孔效果，便于頭部的下凸起順利埋入安裝件表面。

這類自攻螺釘材質(zhì)采用淬火鋼且表面經(jīng)過硬化處理，上述特點(diǎn)使其具有較大的連接錨固能力，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 200 N/mm2，是目前國(guó)際木結(jié)構(gòu)建筑中性能最優(yōu)秀的連接件產(chǎn)品之一，由于自身較強(qiáng)的力學(xué)性能，更可將其視為受拉構(gòu)件。正是由于上述的優(yōu)異性能，新型自攻螺釘?shù)膽?yīng)用可以更好地推動(dòng)我國(guó)木結(jié)構(gòu)及綠色建筑的發(fā)展。

2 新型自攻螺釘連接性能的研究

2.1 拉拔錨固性能的研究

目前在國(guó)外的一些與自攻螺釘計(jì)算的相關(guān)技術(shù)文件［7-9］中，其拔出剛度計(jì)算公式如下:

在上述公式中，拔出剛度與螺釘?shù)闹睆?d)以及其有效埋置長(zhǎng)度(lef)相關(guān)，并沒有考慮其他影響因素，比如:新型自攻螺釘與木紋順紋的夾角。而且，上述公式只考慮單根螺釘抗拔剛度情況，當(dāng)有多根螺釘同時(shí)使用時(shí)，其螺釘間距、螺釘排數(shù)等因素是否對(duì)整體抗拔剛度有影響也并沒有考慮在內(nèi)。此外，在上述公式中，當(dāng)新型自攻螺釘直徑一定時(shí)，螺釘拔出剛度與lef在式(1)中為非線性關(guān)系，在式(2)中為線性關(guān)系。但是當(dāng)lef過長(zhǎng)時(shí)，其拔出剛度則不受lef的影響。所以，新型自攻螺釘?shù)陌纬鰟偠裙饺孕枰M(jìn)一步的完善。

在國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者中，倪鳴等［10］針對(duì)自攻螺釘在膠合木中的拉拔錨固性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過調(diào)整自攻螺釘?shù)腻^入深度、直徑以及釘入角度等因素，研究不同因素對(duì)自攻螺釘拉拔錨固剛度的影響。在對(duì)10組共120個(gè)膠合木構(gòu)件(如圖2所示)的試驗(yàn)來看，針對(duì)花旗松膠合木構(gòu)件得出的結(jié)論為:

1)建議錨固長(zhǎng)度為12d(d為自攻螺釘直徑);

2)自攻螺釘拉拔錨固剛度隨自攻螺釘?shù)闹睆皆龃蠖龃?

3)弦向錨固構(gòu)件極限拉拔荷載均大于徑向錨固構(gòu)件。

程小武等［11］通過對(duì)4組共60個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)(見圖3)，研究了不同錨入深度、傾斜角度對(duì)自攻螺釘抗拔能力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，自攻螺釘?shù)目拱纬休d力隨著錨固深度的增大而變大，同時(shí)也隨著與木材順紋方向傾斜角度的增大而變大。

圖2 自攻螺釘拉拔錨固性能試驗(yàn)構(gòu)件示意圖

圖3 自攻螺釘抗拔能力試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 軸向受力連接

圖4 木材軸向受力時(shí)的自攻螺釘性能研究示意圖

Roberto Tomasi等［12］對(duì)自攻螺釘連接的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軸向受力試驗(yàn)(見圖4)，研究不同的螺釘旋入角度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力和剛度的影響并給出此類連接節(jié)點(diǎn)的承載力計(jì)算公式:

其中，F(xiàn)v，Rk為平行于剪切面的特征承載力;α為自攻螺釘釘入方向與釘入面垂線間的夾角;Fax，Rk為設(shè)計(jì)軸向強(qiáng)度;F1，Rk為設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度。

試驗(yàn)結(jié)果表明，歐洲規(guī)范的計(jì)算方法沒有考慮自攻螺釘?shù)膬A角，在受剪—受壓載荷的情況下，在安全性方面大多是不利的;相反，在受剪切—拉力載荷的情況下，它在安全性方面是有利的。

2.3 抗彎連接

Ellingsb等［13］通過對(duì)長(zhǎng)自攻螺釘連接的膠合木懸臂梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究(見圖5)。試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)自攻螺釘可以提高膠合木懸臂梁的抗彎承載能力，并且能夠有效地抑制膠合木懸臂梁橫紋的開裂。當(dāng)自攻螺釘?shù)腻^入深度大于800 mm時(shí)，其破壞是長(zhǎng)自攻螺釘?shù)淖陨砥茐摹?/p>

圖5 長(zhǎng)自攻螺釘連接膠合木懸臂梁試驗(yàn)示意圖

圖6 自攻螺釘加強(qiáng)膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)示意圖

何敏娟等［14］通過對(duì)4組20個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)研究(見圖6)。試驗(yàn)結(jié)果表明:自攻螺釘可以保證節(jié)點(diǎn)在大變形下有持續(xù)承載的能力;自攻螺釘能夠較好地抑制木材橫紋的開裂，極大的提高了膠合木梁柱螺栓節(jié)點(diǎn)試件的抗彎承載能力。

3 結(jié)語

作為連接木結(jié)構(gòu)的一種新型連接件，新型自攻螺釘?shù)穆葆斨睆健⒙葆旈g距、旋入角度等諸多因素都會(huì)影響新型自攻螺釘對(duì)木結(jié)構(gòu)的連接作用。國(guó)內(nèi)對(duì)于新型自攻螺釘?shù)难芯咳蕴幱诔跫?jí)階段，諸多學(xué)者目前多是針對(duì)自攻螺釘?shù)睦五^固性能進(jìn)行研究。所以在今后的一段時(shí)間內(nèi)，我們?cè)趯W(xué)習(xí)國(guó)外有關(guān)新型自攻螺釘?shù)募夹g(shù)成果和成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，還要加強(qiáng)螺釘直徑、螺釘間距、旋入角度等影響因素的研究。此外，也可以將新型自攻螺釘釘入膠合木梁梁底，達(dá)到加強(qiáng)膠合木梁受彎性能的目的。在充分研究新型自攻螺釘?shù)南嚓P(guān)性能后，出臺(tái)符合我國(guó)實(shí)際的新型自攻螺釘加工規(guī)范、操作設(shè)計(jì)規(guī)范等。為我國(guó)木結(jié)構(gòu)中新型自攻螺釘?shù)氖褂靡约澳窘Y(jié)構(gòu)的推廣發(fā)展起到促進(jìn)作用。