自攻螺钉钉入角度对正交胶合木（CLT）握钉力性能的影响.docx

现代木结构建筑强节点弱构件的设计理念，使节点连接成为 木结构研究中的重要环节。以圆钉、螺钉、螺栓、销等为代表的 销轴类连接件，因具有良好的韧性和安全可靠性且在现代重型木 结构中得到了广泛应用。许多国家的木结构建筑连接中，因螺钉 具有无需预钻孔、对构件损伤小、可抑制地面摩擦、施工效率高 等特点，出现了代替钉子的趋势。自攻螺钉被广泛认为是用于木 结构最先进的连接技术，多用于在钢结构的冷弯薄壁型钢的抗剪 连接中，由于其在木材中优异的锚固性能，受到国内外大量学者 的关注。目前国内木结构建筑产业尚在起步阶段，对木构件连接 节点的研究大多集中在试验分析，而理论研究较少且研究对象多 为螺栓连接。木结构自攻螺钉连接方面的研究以国外研究居多， 国内方面阙泽利等研究了改变导孔直径对规格材握钉力的影响； 研究了盐溶液处理对自攻螺钉在规格材中握螺钉力的影响。CLT板通常由奇数层组成，层板之间彼此正交，同一层内有 可能进行相邻层板的窄面粘合也有可能不进行粘合，在没有粘合 的情况下可能会产生缝隙。CLT板通常会在侧面进行粘合，形成 刚性复合元件。由于CLT独特的组坯方式，使自攻螺钉连接CLT 板时不同于其他线性单元构件，例如使用自攻螺钉钉入CLT板 侧面和窄面会对连接性能产生很大影响，钉入窄面缝隙时，会大 大降低其轴向承载力，从而降低其连接性能。因此CLT连接中 多采用一定的角度钉入，而采用何种直径的自攻螺钉、何种角度 打入，以及何种连接形式对CLT的连接至关重要。目前欧洲评估文件允许外层的间隙宽度在4 mm以下，内层间隙的宽度在 6 mm以下。在CLT连接节点设计时，首先应考虑紧固件插入 CLT的侧面还是窄面，再考虑间隙和应力释放的影响，其原因是 紧固件插入缝隙中会削弱连接性能，尤其是顺纹方向插入窄面的 紧固件。单个紧固件在CLT中的锚固潜力，例如销槽承压强度和抗拔 强度，是用于CLT连接件的开发和用自攻螺钉或（自钻）销钉 等的基本参数。为此，本研究探讨自攻螺钉以不同角度钉入CLT 侧面对抗拔性能的影响，并考虑了插入侧面第一层层板与层板之 间的拼接缝对抗拔性能的影响。1、试验材料和方法1.1 试件制作本试验的试件是由35 mm厚层板正交组坯而成的五层CLT （在江苏省惠优林集成建筑科技有限公司加工），树种为道格拉 斯松（Pseudotsuga menziesii ）,又名花旗松，产自加拿大。 制作前先对规格材进行窄面和侧面刨光，然后进行目测分等-指 接-横截-组坯-涂胶-冷压-裁边，最后切割成尺寸为175mm 172mm172mm的试件。花旗松密度为540 kg/rrP ,含水率为 12.8% ,胶粘剂为单组分聚氨酯PUR ,压制压力为1.2 MPa ,压 制时间为4 ho自攻螺钉为国产美固全螺纹自攻螺钉（/=140 mm,d=6 mm ）,螺钉外形如图1所示，参数见表1oK图1自攻螺钉表1自攻螺钉主要性能参数公称直螺纹底头部直头部厚抗弯屈服强抗拉强度抗拉力径。/径d/咬Kl度特征值特征值特征伯mmnunnunnunXbZMPa<ensMPaEegAN6.004.008.405.501 000.01100.013.8注：来自上海美固澄梵紧固件有限公司美固技术手册。1.2 试验方法研究不同钉入角度（90。，75。，60。，45° ）对握钉力的影响, 并以90。为例研究是否钉入第一层拼接缝对握钉力性能的影响。 根据LY/T 23772014木质结构材料用销型连接件连接性能 试验方法中规定，横纹方向需满足钉间距、边距不小于Sd. 顺纹方向需满足钉端距不小于Iod的要求，确定如图2所示的 安全距离，在安全区域中选择N1, N2, Y1为一个试件进行的3 次试验。其中N1和N2为无拼接健的点，Y1为插入拼接缝的点。不同角度的试件数量见表2。表2不同角度的试件数量钉入角度90°(有缝)90°(无缝)75°60°45°试件数量/个612888参考 BS EN 1382采用Iot三思力学试验机(型号为 UTM5105 )进行试验加载，90。加载装置如图3(a)所示，实 景如图3 ( c )所示。斜螺钉的加载装置如图3(b)所示，实 景如图3 ( d )所示。试验开始后以3 mm/min匀速加载至最大 荷载屈服的80%时停止试验，试验结束后记录试验现象。然后 用试验机拔出自攻螺钉，观察其破坏现象与破坏范围的变化并记 录最大荷载，拔出强度由公式(1 )计算得到。刚度、延性、能量耗散由软件PickPoint 3.292计算得至k图3试验加载装置（a ）90。钉入示意；（b）斜螺钉钉入示意；（c ）90。钉入实景；（d）斜螺钉钉入实景w=Amax/ （ p ）（ 1 ）式中：/W为试件的拔出强度（N/mm ） ；FmaX为最大荷载（N ）;d为销类连接件直径（mm ） 为钉械入木构件的深度（mm ）。2o、试验结果与分析2.1 破坏模式在加载过程中，45。，60。，75。，90。握钉力试验分别在1820s,2025s, 2530s, 2835s之间出现木材嘶嘶声。试验现象如图 47所示，当加载至荷载值下降到极限承载力的80%时，不同 角度试件木材表面均发生翘起并伴随着顺纹撕裂破坏。当拔出全 部自攻螺钉时，因自攻螺钉螺纹与木材咬合致使木材表面进一步 撕裂，破坏范围增大并带出大量木屑，其中45。和60。带出木屑 最多，几乎包住自攻螺钉与木材接触部位的全部螺纹，75。和90° 则较少。自攻螺钉被拨出后，木材对自攻螺钉的作用失效。自攻 螺钉螺纹出现了较少的磨痕（图7f ） o对90。握钉力是否插入 第一层拼接缝而言，插入缝隙的Y1明显比没有插入缝隙的N1 和N2破坏范围小。(a )( b )( c )图4 45。钉入试验现象（a ）下降到极限承载力80%时；（b）全部拔出后；（C）全部拔出后木材破坏(a )(c)图5 60°钉入试验现象（a ）下降到极限承载力80%时；（b）全部拔出后；（C）全部拔出后木材破坏(b )( c )图6 75°钉入试验现象（a ）下降到极限承载力80%时；（b）全部拔出后；（C）全部拔出后木材破坏(a )( b )( c )(d)( e) ( f)图7 90。钉入试验现象(a ) Y1下降到极限承载力80%时；(b )全部拔出后；(c )木材破坏；(d ) N1下降到极限承载力80%时；(e)全部拔出后；(f)钉子破坏现象2.2 不同钉入角度时抗拔荷载一位移关系CLT不同钉入角度的荷载一位移关系如图8(a) 图8(e) 所示，图8( f)为90。钉入的握钉力试验中是否插入第一层拼接 缝的对比，(g)为不同钉入角度荷载一位移曲线平均值的对比， 因45。，60。，75。钉入均为不考虑缝隙影响的试验，故只用90° 无缝试件与其相比。1200010000Ooo Ooo Ooo 8 6 4 S辎退OOo2W-453-l -M5o-2Ng3 一一354一 W4505 -M5-6 -W45l5-7-M52-8 -MM5oAVE5位移/nun101200010000Oo40O O O O O O 8 6NW芯花O 200WW-I一 W6O 2W6O 3一-w6yW-6O -5-W6O-6W50 -75位移/min- - -W5O -AV7E14000120001000010OOo6OOo2OoO 8Oo O140001200010000(c)Oo O 2Nw SOoO 6Oo O 8Oo 0(105位移nn5位移nm1200010000N÷禽运O OO O O O8 6O OO O O O4 2W-9O -Yl-W90p-Y2W-9j-Y3-W-90 -Y4-W-90 j-Y5 W>90jY6 W"90pAVG012345位移/nun位移nm(g )图8不同钉入角度的荷载一位移曲线(a ) 45° ; ( b ) 60° ; ( c ) 75° ; ( d ) 90°无缝；(e ) 90°有维;(f )90。有维与无缝对比；(g )不同钉入角度荷载一位移对比由图8( f)可知，当插入CLT第一层拼接缝时比没有插入缝 隙中的试件更早达到极限承载力，且最大值相差不大。由图8 ( g )可知，4个角度变化规律类似，均为以一定的斜 率直线上升，达到最大承载力时缓慢下降，而90。钉入下降的坡 度更陡，60。钉入承载力下降比其他角度小且坡度最缓。2.3钉入角度对抗拔强度、刚度、延性和能量耗散的影响最大承载力(FmaX )、最大承载力对应的位移(Vmax )、刚 度(K)、延性系数(D )和能量耗散(Energy )由PickPoint 软件分析获得，软件计算刚度的原理为依据公式联盯=(0.4Fest-O. 1 Fest ) / ( V0.4-V0.1 )获得。延性系数依据D=UU/Vy获得，VU为最 大容许滑移量，即与最大容许荷载相对应的滑移量。S为屈服时 的滑移，即与屈服荷载对应的滑移,得到的结果见表3o表3不同角度的各种握钉性能数据分析钉入 角度性能平均值 (AVE)标准方差 (SQ)变异系数(COV) /%延性D9612.531418.7514.76fj ( Niiiiii2 )27.394815.25一Kl ( N/mm )6083.83968.6215.92(=12 )D2.450.3213.12Energy25104.844 564.4518.1890°FnUXmm2.180.2913.28(?=18 )9445.121205.3012.76fj ( Nnm2)26.933.4912.95有缝K/ ( N/mm )7851.251221.3115.56(n=6 )D2.840.4315.20Energy22477.334739.9021.09嗑 x/mm1.820.3317.90maxN9698.152 735.4528.21fj ( Nhuii2 )27.197.8228.77750Kl ( N/mm )5 398.62917.3416.99(，=8 )D2.390.4016.66Enegy29314.697205.1824.58FmaX nm2.800.5620.09/MN8134.221 107.42