自攻螺釘在木結(jié)構(gòu)加固工程中的抗拔性能研究

劉慧芬

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092

0 引言

自攻螺釘可在木構(gòu)件中自行攻出內(nèi)螺紋，可有效增強(qiáng)螺釘與木材的粘結(jié)性能，從而逐漸應(yīng)用于木構(gòu)件以及節(jié)點(diǎn)的加固和修復(fù)。研究表明[1-2]，自攻螺釘與木材的粘結(jié)性能與木材密度、自攻螺釘直徑、貫入深度、螺釘與木紋的夾角等因素有關(guān)。筆者對(duì)膠合木中自攻螺釘抗拔性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，將試驗(yàn)所得抗拔承載力與歐洲規(guī)范和德國(guó)規(guī)范進(jìn)行了對(duì)比，并建立了自攻螺釘抗拔性能的數(shù)值模型，為自攻螺釘在木結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用提供了參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本文所用自攻螺釘材質(zhì)為高錳低碳滲透鋼，在螺紋處直徑分別為8mm和10mm，螺紋沿螺桿滿布。自攻螺釘抗拉承載力分別為20kN和32kN。

試驗(yàn)所用木構(gòu)件為膠合木，由二級(jí)北美云杉-松-冷杉(SPF 2#)規(guī)格材膠合而成。試驗(yàn)時(shí)其平均含水率為11.75%，平均氣干質(zhì)量密度為408kg/m3。試驗(yàn)測(cè)得膠合木的順紋彈性模量=1.218×104MPa、橫紋彈性模量=224MPa、順紋抗壓強(qiáng)度MPa、橫紋抗拉強(qiáng)度=1.2 MPa及順紋抗剪強(qiáng)度

1.2 試件設(shè)計(jì)

試件共兩組，一組自攻螺釘直徑為8mm，一組為10mm，每組各15個(gè)試件。試件構(gòu)造和尺寸如圖1所示。在釘入自攻螺釘之前，在木構(gòu)件上預(yù)鉆一個(gè)直徑為30mm，深為50mm的孔，以避免約束端壓應(yīng)力引起的粘結(jié)強(qiáng)度的增大。將自攻螺釘沿垂直于木紋方向打入，且兩組試件的自攻螺釘貫入深度均為96mm。為了避免釘尖對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響，自攻螺釘貫入木構(gòu)件后釘尖全部外露。

圖1 試件幾何尺寸及構(gòu)造

圖2 加載裝置圖

1.3 試驗(yàn)裝置及加載制度

為了固定試件，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一塊固定板，固定板采用厚10mm的鋼板，鋼板四角各有一個(gè)螺栓孔，通過(guò)螺栓與加載機(jī)底座固定；固定板中心有一直徑為50mm的開(kāi)孔，安裝試件時(shí)，自攻螺釘穿過(guò)固定板的中心孔，其軸線通過(guò)孔心，自攻螺釘上端與加載頭相連，加載裝置見(jiàn)圖2。加載采用位移加載，加載速率設(shè)置為1.74mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞模式及承載性能

試件破壞時(shí)整個(gè)自攻螺釘從膠合木中拔出，自攻螺釘螺紋處夾雜部分木屑，試件發(fā)生滑移破壞。所有試件均未出現(xiàn)自攻螺釘?shù)氖芾瓟嗔哑茐?，這是因?yàn)樽怨ヂ葆數(shù)目估休d力大于其抗拔承載力。

所測(cè)得兩組自攻螺平均釘抗拔荷載—位移曲線如圖3（a）所示。從圖3（a）可以看出，兩組自攻螺釘在加載初期，荷載—位移曲線基本呈直線上升趨勢(shì)，當(dāng)趨近于峰值點(diǎn)時(shí)，抗拔剛度降低，曲線表現(xiàn)出明顯的非線性，此后，承載力開(kāi)始逐漸下降，自攻螺釘與木材之間的粘結(jié)失效。

兩種自攻螺釘?shù)钠骄辰Y(jié)應(yīng)力—滑移曲線的對(duì)比如圖3(b)所示，其中粘結(jié)強(qiáng)度由式（1）得到。

從圖3(b)可以看出，在有效粘結(jié)長(zhǎng)度相同的情況下，隨著自攻螺釘直徑增大，螺釘抗拔承載力增大，粘結(jié)強(qiáng)度反而減小。這是因?yàn)檎辰Y(jié)強(qiáng)度并不是單純的隨著粘結(jié)長(zhǎng)度和螺釘直徑的增大而增大，其與粘結(jié)長(zhǎng)度和螺釘直徑的比值有關(guān)，當(dāng)有效粘結(jié)長(zhǎng)度相同時(shí)，直徑較小的自攻螺釘其的值較大，其粘結(jié)強(qiáng)度也較大。

圖3 自攻螺釘抗拔性能曲線

2.2 與規(guī)范值的對(duì)比

德國(guó)規(guī)范DIN1052[3]對(duì)于自攻螺釘?shù)目拱纬休d力規(guī)定如下：

本文分別將試驗(yàn)結(jié)果與式（2）和式（3）進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表1所示。由表1可知，本文試驗(yàn)結(jié)果與DIN公式計(jì)算值較為接近，而EC5公式所得結(jié)果明顯大于試驗(yàn)值。

表1 自攻螺釘抗拔承載力試驗(yàn)值與規(guī)范值對(duì)比

3.有限元分析

3.1 模型的建立

在有限元模型中，自攻螺釘采用理想彈塑性模型，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比v =0.3，抗拉強(qiáng)度=400MPa。木材通?？珊?jiǎn)化為正交各向異性材料，其中，Ex=12175MPa，Ey=224MPa，Gxy=743MPa，Gzy=37MPa，vxy=0.467，vxz=0.372。

針對(duì)本模型的幾何特性，木構(gòu)件和自攻螺釘均采用實(shí)體單元SOLID185進(jìn)行模擬，為了簡(jiǎn)化分析，螺紋與木材之間的咬合作用通過(guò)接觸單元來(lái)模擬，即自攻螺釘和木材的接觸采用面面接觸，使用Targe170和 Conta174來(lái)定義目標(biāo)單元和接觸單元，在模型中建立接觸對(duì)。有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型圖

3.2 有限元結(jié)果分析

木構(gòu)件應(yīng)力云圖如圖5所示。從圖5（a）中可以看出，木構(gòu)件中順紋拉應(yīng)力最大為6.27MPa，順紋壓應(yīng)力最大為20.7MPa，分別小于木材的順紋抗拉與抗壓強(qiáng)度；而從圖5（b）可以看出，木構(gòu)件大部分區(qū)域處于橫紋受壓狀態(tài)，孔周局部區(qū)域橫紋拉應(yīng)力較大，超過(guò)了木材的橫紋抗拉強(qiáng)度，可見(jiàn)孔周木纖維出現(xiàn)了破壞，與試驗(yàn)所觀察的破壞模式一致。

圖5 木構(gòu)件應(yīng)力云圖

為了驗(yàn)證有限元模型的有效性，以直徑為10mm的自攻螺釘為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了有限元抗拔分析，并將分析結(jié)果與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。從圖6中可以看出，有限元曲線與試驗(yàn)平均曲線吻合較好，所得抗拔承載力為11.65kN，與試驗(yàn)平均值（11.38 kN）的誤差在5%以內(nèi)。由此可見(jiàn)，該有限元模型可以較好的模擬自攻螺釘抗拔的破壞模式及承載力。

圖6 試驗(yàn)及有限元荷載-位移曲線對(duì)比

4 結(jié)論

本文對(duì)2組自攻螺釘進(jìn)行了抗拔試驗(yàn)，研究了自攻螺釘直徑對(duì)抗拔性能的影響，將試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范公式進(jìn)行了對(duì)比，并進(jìn)行了有限元模擬，得到了如下結(jié)論：

1）試件破壞時(shí)整個(gè)自攻螺釘從膠合木中拔出，自攻螺釘未發(fā)生破壞，且螺紋處夾雜部分木屑，試件發(fā)生滑移破壞。

2）在有效粘結(jié)長(zhǎng)度相同的情況下，隨著自攻螺釘直徑增大，螺釘抗拔承載力增大，粘結(jié)強(qiáng)度反而減小。

3）德國(guó)規(guī)范DIN1052所得自攻螺釘抗拔承載力與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，而歐洲規(guī)范EC5所得結(jié)果明顯大于試驗(yàn)值。

4）本文所提出的有限元模型可較好的模擬自攻螺釘抗拔破壞模式與承載性能。