釘入角度對自攻螺釘連接膠合木承載性能的影響

木結(jié)構(gòu)建筑中節(jié)點連接性能對整體結(jié)構(gòu)的承載性能極其重要，在某種程度上，節(jié)點連接性直接決定了木結(jié)構(gòu)建筑的承載力、剛度及延性等承載性能。國內(nèi)外相關(guān)標準中對釘連接的邊距、端距和間距提出要求，并給出了節(jié)點承載性能計算模型。目前，針對斜螺釘群連接的研究成果主要體現(xiàn)在EN1995-1-1中，該標準給出了對帶有釘入角度的釘連接和螺釘群連接的設(shè)計要求；而國內(nèi)GB50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》和GB/T50708—2012《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中未對螺栓、銷、六角頭木螺釘、圓釘和螺紋釘?shù)葞追N銷軸類緊固件的釘入角度設(shè)計要求。Bejtka和Bla?研究不同釘入角度下自攻螺釘連接節(jié)點的承載性能，指出斜螺釘連接節(jié)點的承載力主要源于自攻螺釘?shù)妮S向抗拔強度及其側(cè)向抗力在木構(gòu)件連接面上的分力以及木構(gòu)件之間的摩擦力。滕啟城等采用云杉規(guī)格材制成的膠合木和結(jié)構(gòu)用自攻螺釘作為試驗研究的主要材料，研究斜螺釘連接膠合木的受力機理，對規(guī)格材的握釘力、膠合木的握釘力及銷槽承壓的基礎(chǔ)性能進行了測試，探究側(cè)邊鋼板–膠合木剪切承載性能和膠合木梁柱節(jié)點的抗側(cè)承載性能。本文探究釘入角度對斜螺釘連接膠合木承載性能的影響，測試以不同角度釘入膠合木中測試的承載能力強弱，分析節(jié)點的承載力、剛度及延性隨釘入角度變化的規(guī)律。1、試驗材料與過程1.1試驗設(shè)計參考我國GB50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》、歐洲EN1995-1-1、美國ASTM《Standardtestmethodsformechanicalfastenersinwood》ASTMD1761-12，采用雙單剪構(gòu)件，每個試件由各顆自攻螺釘分別從輔材兩側(cè)邊距為36?mm，端距為108?mm處釘入主材進行連接，釘入角度分別為45°，60°，75°，90°，每組重復(fù)試件為6個，試件設(shè)計如圖1所示。圖1不同釘入角度試件設(shè)計示意1.2試件制備試驗所用膠合木為某公司產(chǎn)品，主材尺寸為300?mm×90?mm×140?mm（長×寬×厚），輔材尺寸為300?mm×90?mm×70?mm（長×寬×厚）。試驗所用螺釘為上海美固澄梵緊固件有限公司產(chǎn)FTLD圓柱頭全螺紋結(jié)構(gòu)用自攻螺釘，選用規(guī)格為6?mm×140?mm（直徑×長度）。按圖2所示，將主材與輔材緊密貼合并用夾具固定在一起（圖2a），采用角度固定器將自攻螺釘按指定角度釘入輔材（圖2b），將輔材上的自攻螺釘繼續(xù)釘入主材（圖2c），完成3個構(gòu)件的組裝（圖2d）。（a）

（b）（c）

（d）圖2試件組裝示意（a）示意1；（b）示意2；（c）示意3；（d）示意41.3試驗方法加載方法參考標準ASTMD1761-12，以0.9（±50%）mm/min的速度單調(diào)加載，在5~20?min時達到最大荷載，待足夠位移或荷載降至最大荷載的80%以下后停止加載。試驗設(shè)備為萬能力學(xué)試驗機及UTM5105三思萬能力學(xué)試驗機，使用TDS-530數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集。采用YWC-50應(yīng)變式位移傳感器測量位移，位移計固定在主材兩側(cè)，將位移感應(yīng)端頂住固定在輔材上的塑性亞克力板，以此測量構(gòu)件在承載過程中產(chǎn)生的相對位移，裝載方式如圖3所示。圖3試驗加載示意剛度和延性系數(shù)計算方法分別參考標準EN26891、EN12512計算剛度和延性系數(shù)。

剛度計算公式：式中：Fest為最大荷載預(yù)估值；V0.4為0.4Fest所對應(yīng)的位移值；V0.1為0.1Fest所對應(yīng)的位移值。延性系數(shù)計算公式：式中：Vu為最大容許荷載所對應(yīng)的最大容許位移值；Vy

為屈服荷載所對應(yīng)的屈服位移值。2、試驗結(jié)果2.1試驗現(xiàn)象加載過程中，隨荷載和位移增加木材由彈性階段向彈塑性階段過渡，至屈服位移開始發(fā)出木材壓裂的呲呲聲，在最大荷載附近聲音較劇烈，釘入角度為75°和90°的試件釘帽分別被拉陷進入木材約7?mm和15?mm。卸載后各試件主材與輔材接觸部位均出現(xiàn)縫隙，但范圍不同，其原因可能是自攻螺釘釘入角度不同，構(gòu)件受拉剪力的作用點及范圍不同，其中釘入角度45°的試件出現(xiàn)較大縫隙在主材與輔材接觸部位的下半部分，縫隙寬2.5~7?mm。釘入角度為60°的試件有微小縫隙出現(xiàn)在整個接觸部位，寬1~5?mm。釘入角度為75°的試件縫隙寬3~5?mm。釘入角度為90°的試件縫隙最大且出現(xiàn)在整個接觸部位，縫隙寬3~9?mm。主材與輔材之間的縫隙越大，說明主材與輔材受載分離的現(xiàn)象越明顯（圖4）。（a）（b）（c）

（d）

圖4不同釘入角度的試驗現(xiàn)象（a）釘入角度45°；（b）釘入角度60°；（c）釘入角度75°；（d）釘入角度90°

拆開構(gòu)件后發(fā)現(xiàn)釘入角度45°試件的自攻螺釘及釘槽沒有明顯變化，但自攻螺釘從主材中拔出，主要原因可能是自攻螺釘以45°角度釘入，與木紋方向的夾角偏小，嵌入主材的有效長度較小，在主材被加載下移過程中，自攻螺釘易從主材中拔出而使構(gòu)件連接失效（圖5a）。釘入角度60°試件的自攻螺釘在主材和輔材接縫處發(fā)生彎曲，出現(xiàn)一個塑性鉸，螺釘在塑性鉸以外的部位仍然剛直，釘槽局部被擠壓破壞，形成“一鉸屈服”的破壞模式，其原因可能是自攻螺釘?shù)闹睆较鄬^小，釘槽周圍的木材具有很大的鉗制力，在拉剪力作用時自攻螺釘銷身彎曲產(chǎn)生塑性鉸，在其發(fā)生轉(zhuǎn)動傾斜時構(gòu)件內(nèi)外邊緣區(qū)域里發(fā)生局部擠壓破壞（圖5b）。釘入角度75°和90°試件的自攻螺釘在接縫處兩側(cè)均有彎曲，出現(xiàn)2個塑性鉸，其中釘入角度90°試件的彎曲程度更大，主材與輔材接縫處出現(xiàn)明顯的釘槽擠壓破壞且槽寬增大，形成“兩鉸屈服”的破壞模式，其原因可能是自攻螺釘?shù)闹睆较鄬^小，構(gòu)件都具有很大的鉗制力，在受到拉剪力后接縫處兩側(cè)的構(gòu)件中均有塑性鉸產(chǎn)生于在2個塑性鉸之間的區(qū)域內(nèi)，自攻螺釘銷身發(fā)生轉(zhuǎn)動傾斜，導(dǎo)致兩側(cè)構(gòu)件在接縫處的邊緣區(qū)域均被擠壓破壞（圖5c、圖5d）。（a）（b）（c）（d）圖5不同釘入角度的試件釘槽現(xiàn)象（a）釘入角度45°；（b）釘入角度60°；（c）釘入角度75°；（d）釘入角度90°2.2承載性能分析由不同釘入角度的試件荷載–位移曲線如圖6所示，各組試件的試驗數(shù)據(jù)見表1，試驗結(jié)果表明釘入角度對自攻螺釘連接的膠合木承載力、剛度和延性系數(shù)均有一定的影響。（a）（b）（c）（d）圖6不同釘入角度的試件荷載–位移曲線（a）釘入角度45°；（b）釘入角度60°；（c）釘入角度75°；（d）釘入角度90°表1各組試件的試驗平均值注：括號里為該值對應(yīng)的標準差。釘入角度為45°時節(jié)點的承載力最小，但剛度最大，高達31.92?kN/mm，延性系數(shù)也最大，為12.45，可見釘入角度為45°時節(jié)點的塑性變形能力和抵抗彈性變形的能力更強。釘入角度為75°時節(jié)點承載力最大，為18.07?kN。釘入角度為90°時剛度和延性系數(shù)均為4組中的最小值。隨釘入角度增加節(jié)點，剛度逐漸減小，延性系數(shù)也呈減小趨勢。在45°~75°變化范圍內(nèi)，節(jié)點的承載力隨角度增加而增大，至90°又減小。45°試件表現(xiàn)出較弱承載力的原因可能是由于自攻螺釘嵌入主材的有效長度較短，致使其錨固連接效果不佳。釘入角度為60°~75°時，節(jié)點具有較高承載力，說明在一定范圍內(nèi)自攻螺釘與木紋成夾角釘入進行連接時，可有效提高節(jié)點的承載力。3、結(jié)論本文對45°,60°,75°,90°4個不同釘入角度情況下的自攻螺釘連接的膠合