圓鋼釘和自攻螺釘釘入角度對規(guī)格材握釘力性能的影響*

滕啟城 王菲彬 闕澤利 曾 楠

(1. 南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210037； 2. 南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院 南京 210037； 3. 保國寺古建筑博物館 寧波 315033)

銷軸類連接是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用最廣泛的連接方式，而釘是木結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)最早也是最常見的一種金屬連接件，因具有連接緊密、操作方便和耗能能力強等優(yōu)點在木結(jié)構(gòu)中普遍使用(闕澤利等， 2014a； 費建波等， 2010； 常程等， 2019)，如用于屋面與樓面木龍骨間的連接、結(jié)構(gòu)板材與擱柵間的連接、剪力墻的蒙皮結(jié)構(gòu)、墻面掛板的鋪裝、施工時臨時支撐的固定等(陳恩靈， 2008)。通常，釘都是以90°垂直釘入被連接件，但在一些特殊場合，如輕型木結(jié)構(gòu)中墻骨柱采用斜圓鋼釘與底板相連(圖1a)，或采用斜自攻螺釘與頂梁板相連(圖1b)，自攻螺釘釘長最長可達1 m。美國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(NDS)最早根據(jù)試驗測得的握釘力強度極限值，提出了基于木材密度、釘直徑和釘入深度的普通圓鋼釘和木螺釘?shù)任蔗斄υO(shè)計值計算公式(ANSI/AF&PA NDS—2005)。我國國標(biāo)規(guī)定了關(guān)于木材圓鋼釘握釘力試驗方法和人造板材的自攻螺釘握釘力試驗方法，但未對不同角度的木材螺釘握釘力測試和計算方法提出明確要求。

圖1 木結(jié)構(gòu)建筑中斜螺釘連接實例Fig.1 Example of inclined nails and self-tapping screws used in timber structure

釘連接節(jié)點可分為垂直于釘軸線的側(cè)向剪力和平行于釘桿的拔出力2個方向上的承載(陳恩靈等， 2008)，握釘力是衡量釘連接性能的重要指標(biāo)之一，多年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對釘入深度、釘直徑、釘表面形狀及放置時間和環(huán)境等參數(shù)對握釘力的影響開展了大量試驗研究(Thomas， 1997； Douglasetal.， 2001； 2004； Bejtka， 2006； Freseetal.， 2010； 闕澤利等， 2014b)。歐洲木結(jié)構(gòu)規(guī)范(BS EN 1995-1-1:2004)提供了一個握釘力關(guān)于釘入角度的設(shè)計值計算公式(BS EN 1995-1-1:2004)，但國內(nèi)外針對相對木纖維的釘入角度對握釘力性能的影響試驗研究較少。鑒于此，本研究以木結(jié)構(gòu)中常用的落葉松(Larixgmelinii)和白云杉(Piceaglauca)規(guī)格材為對象，研究不同釘入角度、木材密度和木材徑、弦向?qū)ξ蔗斄π阅艿挠绊?，以期為木結(jié)構(gòu)釘連接設(shè)計提供更完善的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

落葉松規(guī)格材產(chǎn)地俄羅斯，其紋理通直，有部分活節(jié)，尺寸為38 mm×89 mm×4 200 mm，平均密度為0.657 g·cm-3，平均含水率為16.4%； 白云杉規(guī)格材產(chǎn)地加拿大，其紋理通直，有少量活節(jié)，尺寸為38 mm×89 mm×4 000 mm，平均密度為0.469 g·cm-3，平均含水率為15.3%。參考《木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料用銷類連接件連接性能試驗方法》(LY/T 2377—2014)中對握釘力試件尺寸的規(guī)定，從2種規(guī)格材上順紋截取150 mm長無瑕試件。圓鋼釘為普通低碳圓鋼釘，依據(jù)《木材握釘力試驗方法》(GB/T 14018—2009)要求，釘型選取為Φ2.5 mm×50 mm，釘桿光滑，表面無銹跡、無缺失、釘尖掛鐵或彎曲等缺陷； 螺釘選用如圖2所示十字沉頭型自攻螺釘，表面鍍鋅。

圖4 多角度握釘力試驗夾持裝置示意(左)與實物(右)Fig.4 Device for withdrawal strength test with multi angles schematic(left)and photo(right)

圖2 握釘力測試用自攻螺釘Fig.2 Self-tapping screws used in withdrawal testl: 長度Length(50 mm)； dh: 釘帽直徑Head diameter(7.1 mm)； d1: 螺紋內(nèi)徑Inner thread diameter(3.0 mm)； d2: 螺紋外徑Outer thread diameter(4.0 mm)； P: 螺紋間距Screw pitch(1.65 mm)； y: 不完整螺紋長度Length of incomplete thread(4.6 mm).

1.2 試件制備

如圖3所示，與木纖維分別成90°(橫紋)、60°、45°和0°(順紋)釘入自攻螺釘和圓鋼釘。每個試件僅測試同一角度2顆釘，釘?shù)拈g距和邊距依據(jù)《木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料用銷類連接件連接性能試驗方法》(LY/T 2377—2014)規(guī)定: 順紋方向上間距和邊距不小于10d，橫紋方向上不小于5d。自攻螺釘釘入時不預(yù)鉆引導(dǎo)孔，直接用螺絲刀手工擰入30 mm，圓鋼釘采用錘子手工勻速釘入30 mm。釘入前，采用游標(biāo)卡尺(精度為0.02 mm)測量釘?shù)闹睆胶烷L度。一釘一測，即釘入一顆圓鋼釘或自攻螺釘在10 min內(nèi)完成握釘力測試，再在試樣的下一個位置釘入下一測試釘，且每次釘入后測量釘?shù)耐饴堕L度，以精確計算釘入深度。

圖3 不同角度釘入自攻螺釘(左)和圓鋼釘(右)示意Fig.3 Schematic diagram of screws(left)and nails(right)driven with different angles

1.3 試驗方法

采用最大荷載為100 kN的島津萬能力學(xué)試驗機(型號AG-10C)，測試時環(huán)境溫度20～25 ℃，相對濕度35%～45%。因《木結(jié)構(gòu)握釘力試驗方法》(GB/T 14018—2009)和《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》(GB/T 17657—2013)僅提供了垂直釘入試件的握釘力測試和夾持裝置，并不能測試斜角釘入時的握釘力，因此本研究根據(jù)試驗要求，自主設(shè)計了一套多角度握釘力試驗夾持裝置(闕澤利等， 2017)，如圖4所示，其中α為釘入角度。測試時，先調(diào)整好圓盤角度，使釘保持豎直方向，握緊釘頭后以3 mm·min-1的速度均勻加載，1～2 min內(nèi)將釘子拔出。記錄最大荷載，按照式(1)計算試件的握釘力，精確至0.01 N·mm-1:

P=Pmax/L。

(1)

式中:P為試件的握釘力(N·mm-1)；Pmax為最大荷載(N)；L為釘入深度(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

對落葉松和白云杉規(guī)格材進行不同釘入角度的握釘力試驗，結(jié)果如表1、2所示。

表1 落葉松和白云杉自攻螺釘握釘力試驗結(jié)果①Tab.1 The screw withdrawal strength of larch and spruce

①括號內(nèi)數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)差。下同。 The values in paretheses are standard deviations.The same below.

表2 落葉松和白云杉圓鋼釘握釘力試驗結(jié)果Tab.2 The nail withdrawal strength of larch and spruce

2.2 試驗現(xiàn)象

圓鋼釘以不同角度釘入規(guī)格材時，僅少數(shù)硬度較大的落葉松弦切面上出現(xiàn)輕微開裂現(xiàn)象(圖5a)，被拔出過程中沒有明顯現(xiàn)象，釘子完全拔出后，規(guī)格材表面仍保持平整，釘桿仍筆直光滑，沒有黏附木纖維(圖5b)。

圖5 圓鋼釘和自攻螺釘釘入和拔出中的現(xiàn)象Fig.5 The phenomena during nailing and pull-out process of round nails and screws

由于沒有預(yù)導(dǎo)孔，自攻螺釘以不同角度擰入時略顯困難，少數(shù)落葉松試件橫紋面出現(xiàn)輕微開裂(圖5c)，拔出時可觀察到明顯的木纖維黏附在自攻螺釘上被一同拔出，完全拔出后，規(guī)格材橫紋面上釘孔周圍鼓起(圖5d)。從橫紋面拔出的釘桿表面裹一層絮狀木纖維，易脫落，端面拔出的釘桿表面裹一層束狀木纖維，緊密不易脫落。

圖6 不同角度下釘尖部位剖視Fig.6 The section view of tips position under different angles

圖6所示為2種規(guī)格材不同釘入角度握釘力測試后靠近釘尖位置釘槽剖面圖。結(jié)合表1和表2，落葉松和白云杉的年輪寬度在1.0～1.9 mm之間，落葉松晚材率為25%～38%，白云杉晚材率為23%～42%，圓鋼釘直徑2.5 mm和自攻螺釘直徑4.0 mm均大于2種木材的年輪寬度，所以釘入點均在年輪上。圓鋼釘釘槽內(nèi)壁光滑，且整個釘入和拔出過程中僅在釘徑2.5 mm范圍內(nèi)的木纖維受到明顯擠壓破壞。橫紋面上自攻螺釘釘孔在2倍釘徑8.0 mm范圍內(nèi)木纖維發(fā)生明顯變形，且越靠近表面范圍越大，而端面上自攻螺釘被拔出后除在平整的槽內(nèi)留下明顯的螺釘刻痕外，釘徑4.0 mm范圍外木纖維沒有明顯破壞現(xiàn)象。

2.3 不同釘入角度時抗拔荷載-位移關(guān)系

相同角度相同釘型時，落葉松和白云杉荷載-位移曲線的規(guī)律均較一致(圖7)。由于落葉松密度大于白云杉，因此落葉松荷載-位移曲線均高于白云杉。90°圓鋼釘拔出時，荷載-位移曲線呈線性，達到最大力后并沒有立即下降，而是表現(xiàn)為明顯的延性，呈線性緩慢降低，隨著釘入角度逐漸減小，荷載最高點處出現(xiàn)越來越明顯和尖銳的峰； 0°時荷載達到最大力后驟然降低，因為拔釘時釘桿擠壓周圍木材，形成一定摩擦力，在達到極限強度前握釘力主要由抵抗靜摩擦力產(chǎn)生，靜摩擦力最大時握釘力達到極限，隨著位移繼續(xù)增大，靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮?，動摩擦力逐漸減小到一定程度后又轉(zhuǎn)變?yōu)殪o摩擦力，逐漸增大，在靜摩擦力和動摩擦力的轉(zhuǎn)換中，荷載-位移曲線上下波動，但由于釘桿與木材間的接觸面減少，握釘力整體呈下降趨勢。90°釘入自攻螺釘時，曲線線性增長，達到最大力后緩慢下降，形成一個圓鈍的峰，但隨著釘入角度減小，峰逐漸變得尖銳，與圓鋼釘握釘力峰隨角度變化規(guī)律相同，且釘入角度越小，曲線下降過程中出現(xiàn)更多矮峰。落葉松對自攻螺釘握釘力的剛度略大于白云杉。

圖7 不同角度圓鋼釘和自攻螺釘?shù)暮奢d-位移曲線Fig.7 The load-displacement curve of screws and nails with different angles

2.4 釘入角度對握釘力的影響

隨著釘入角度減小，落葉松和白云杉圓鋼釘?shù)奈蔗斄氏仍龃蠛鬁p小的趨勢，且0°時握釘力小于90°，與順紋方向上圓鋼釘握釘力小于橫紋方向上的規(guī)律一致(圖8)。落葉松和白云杉自攻螺釘?shù)奈蔗斄﹄S著釘入角度減小先減小后增大，0°時握釘力同樣小于90°，這是因為當(dāng)90°釘入規(guī)格材時，木材像楔子一樣嵌入螺紋的兩齒之間，當(dāng)螺釘拔出時，兩齒之間的楔形木材受到剪切破壞，此時剪切力較大。而以0°釘入，即螺釘平行于木纖維，對螺釘產(chǎn)生束縛作用的僅為平行貼近釘桿外側(cè)的少數(shù)木纖維，且平行木纖維易完全被螺釘帶出，抗拔力主要來自木材順紋抗剪力。握釘力強度的通用計算公式P=KGaDL(K為經(jīng)長期荷載、含水率變化等因素調(diào)整后的常數(shù)，a為密度指數(shù)，G為木材密度，D為釘直徑，L為釘入深度)，在相同釘型和相同釘入深度條件下，木材密度越大，握釘力越大。試驗落葉松規(guī)格材密度為0.657 g·cm-3，白云杉密度為0.469 g·cm-3，所以落葉松的握釘力均大于白云杉。

2.5 徑、弦面對握釘力的影響

當(dāng)圓鋼釘或自攻螺釘以非0°釘入，即與木纖維不平行時，必然與年輪之間存在一個角度。試驗時，根據(jù)釘位于徑面或弦面來區(qū)分與年輪之間的角度，將結(jié)果分為2組。3種角度白云杉自攻螺釘?shù)奈蔗斄閺矫?弦面，但落葉松沒有明顯規(guī)律； 3種角度落葉松圓鋼釘?shù)奈蔗斄閺矫?弦面，而白云杉沒有明顯規(guī)律(圖9)。可見徑面和弦面對握釘力沒有直接影響，在握釘力設(shè)計值計算時，不需要引入年輪角度調(diào)整系數(shù)(趙榮軍等， 2010)。

圖8 不同釘入角度時握釘力的比較Fig.8 Comparison of withdrawal strength at different angles

圖9 徑面和弦面握釘力的比較Fig.9 Comparison of withdrawal strength in tangential face and radial face

3 結(jié)論

與木纖維所成釘入角度發(fā)生改變時，圓鋼釘和自攻螺釘?shù)奈蔗斄Ρ憩F(xiàn)出明顯變化。由于圓鋼釘握釘力來自摩檫力，自攻螺釘握釘力來自剪切力，不同機制使二者產(chǎn)生截然相反的變化趨勢。

不同樹種木材的握釘力受密度影響產(chǎn)生差異，而達到最大拔出荷載時的位移受釘型影響較大。

自攻螺釘連接構(gòu)件端面應(yīng)考慮采用交叉布置等增強方式避免出現(xiàn)軸向抗拔超過極限荷載后的脆性破壞，增強節(jié)點承載的安全系數(shù)。相比于圓鋼釘和傳統(tǒng)木螺釘，自攻螺釘有連接強度高、易拆裝和可重復(fù)使用等優(yōu)勢。針對自攻螺釘連接節(jié)點的深入研究有助于完善節(jié)點設(shè)計體系，避免不合理方式連接構(gòu)件，對建造更加綠色、環(huán)保、安全、經(jīng)濟的木結(jié)構(gòu)建筑有重要意義。