斜螺釘連接的平行弦木桁架節(jié)點抗拔性能*

戈禧蕓 蔡 雨 陳志堅 侯同宇 劉義凡 闕澤利

(1. 南京林業(yè)大學材料科學與工程學院 南京 210037； 2. 重慶大學建筑城規(guī)學院 重慶 400045；3. 大連雙華木結構建筑工程有限公司 大連116000)

在實際工程中，存在很多單體木結構建筑建造需求而非大批量建造的情況，為了滿足不同使用者對建筑安全、使用和造型的需要，木結構建筑的結構和構件設計至關重要。輕型木桁架廣泛應用于現代木結構建筑的屋蓋、樓蓋系統(tǒng)，作為木結構建筑中重要的結構構件之一，其承載力性能關系到整個結構的使用和安全。目前，齒板連接是輕型木桁架最廣泛的連接形式，針對輕型木桁架在受力時易出現鋼板屈服、齒板滑移、齒板拔出和穩(wěn)定性差等缺陷，國內外學者開展了大量研究(黃浩等， 2009； 2011； 李昌榮等， 2014； 劉利清等， 2009； 況宜， 2011； 葉虹等， 2012； Gustaf, 2017)，為解決齒板連接的單榀木桁架在部分位置承載力不足的問題，國內學者亦提出了多榀木桁架的構造形式(闕澤利等， 2017)。然而，在小批量需求情況下采用工廠定制木桁架的做法成本較高。自攻螺釘無需預鉆孔、對木材破壞小、施工方便，且具有較好的屈服強度、抗拉強度等力學特性(程小武等， 2016)，在實際應用中出現了斜螺釘連接的新型木桁架形式(圖1)。由于新型木桁架受壓弦桿和腹桿的性能主要取決于木材抗壓能力，而受拉腹桿的性能取決于自攻螺釘的連接能力，因此，受拉節(jié)點的抗拔能力是新型木桁架性能的重要參數。

圖1 螺釘連接的新型木桁架模型Fig.1 A model of novel truss connected with inclined self-tapping screws

對于自攻螺釘等銷類連接件的抗拔力性能，國內外學者已經開展大量研究并建立了經驗模型和理論模型。Robert等(2010)根據Johansen理論，通過試驗和理論分析，在EC 5(BS EN 1995-1-1∶2014)基礎上進一步優(yōu)化了斜螺釘連接的木構件節(jié)點抗拔性能計算公式。Ulrich等(2010)對2 571個歐洲白蠟(Fraxinusexcelsior)木構件進行抗拔力測試，試驗考慮了螺釘直徑、釘入深度及有效釘入深度、木紋與螺釘軸向夾角等因素的影響，并提出了歐洲白蠟木構件抗拔力計算模型。Ellingsbo等(2012)開展自攻螺釘與木紋方向夾角為0°時的拔出試驗以及有限元模擬分析，并將結果與EC 5的現有規(guī)定和基于Volkerson模型的平均應力進行比較，發(fā)現與試驗結果吻合較好。Haris等(2018)對膠合木構件螺紋螺桿的抗拔性能進行研究，通過控制桿軸與木紋方向的夾角以及2種不同邊距、間距等因素的試驗，獲得了抗拔力計算的近似表達式，該式與有限元模擬結果吻合較好。倪鳴等(2015)、程小武等(2016)也分別對自攻螺釘在膠合木和杉木(Cunninghamialanceolata)中的抗拔性能及錨固深度、角度等因素對最終結果的影響進行了相關試驗。以往對自攻螺釘性能的研究多集中于標準小樣試件的抗拔試驗、抗剪試驗以及采用自攻螺釘加固梁柱節(jié)點(劉慧芬等， 2015)或修復開裂木柱(吳亞杰等， 2015； 宋曉濱等， 2016)等方面，而對不同角度釘入螺釘連接的木桁架受力性能研究較少。

鑒于此，本研究制作一種節(jié)點采用自攻螺釘連接的平行弦木桁架，以不同角度釘入螺釘，探究螺釘釘入角度對平行弦木桁架受拉節(jié)點力學性能的影響，以期為新型桁架在實際工程中的應用提供基礎數據，并完善木結構建筑設計標準。

1 材料與方法

1.1 試件制作

試件根據實際構件簡化，選取桁架受拉節(jié)點作為研究對象，試件尺寸如圖2所示，其中，α為自攻螺釘釘入方向與試件腹桿順紋方向的夾角，試件弦桿預留2個直徑13 mm的孔洞以實現試件通過螺紋錨桿和鋼板1、2組合與試驗機固定，腹桿預留直徑16 mm的孔洞以實現通過2片鋼板3和螺紋錨桿與試驗機壓頭連接(圖3)。

試件共分7組(N1～N7)，選取7個角度(α為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)，每個角度測試5個樣品，共計35個構件。各組試件尺寸參數見表1。試件全部采用加拿大進口的2×4″規(guī)格材SPF(spruce-pine-fir)制作，材料性能見表2。自攻螺釘選用上海美固公司沉頭螺釘TCC 8×120(圖4)，其尺寸及性能參數見表3。

圖2 試件尺寸(mm)示意Fig.2 Geometrical characteristics (mm) of the specimen

圖3 試件固定裝置Fig. 3 Specimen placed inside the fixture

表1 試件尺寸參數①Tab.1 Geometrical characteristics of specimens

表2 SPF材料性能①Tab.2 Properties of SPF

圖4 試驗用自攻螺釘Fig.4 Self-tapping screws applied in test

表3 自攻螺釘參數①Tab.3 Properties of the self-tapping screws

1.2 試驗裝置與測點布置

試驗采用100 kN三思萬能力學試驗機UTM5105，通過2片鋼板和螺桿將試驗機壓頭與腹桿預留孔洞連接。為了使桁架腹桿僅受軸向力作用，試件傾斜45°放置，弦桿通過螺桿與鋼片組合固定。參考ASTM D1761-12： Standard Test Methods for Mechanical Fasteners in Wood，采用位移控制，以2.54 mm·min-1的速率單調勻速進行抗拔試驗，加載至試件發(fā)生破壞或荷載降為80%Pmax時結束試驗。荷載和位移利用TDS-530采集，試驗裝置與測點布置如圖5所示。

圖6 試件最終破壞形態(tài)Fig.6 Types of failure modes of specimens

圖5 試驗裝置與測點布置Fig.5 Test equipment and measuring point arrangement

2 結果與分析

2.1 試驗現象

加載初期，試件處于彈性階段，除了在受拉過程中因夾具間松動或夾具與構件連接處的空隙發(fā)生錯動引起荷載-位移曲線出現鋸齒狀波動外，試件無明顯現象，曲線斜率未發(fā)生明顯變化。

隨著加載位移逐漸增大，試件發(fā)生屈服，各試件斷續(xù)發(fā)出木材纖維斷裂聲，當荷載達到峰值時，大部分試件的螺釘釘帽開始凹陷于弦桿中，個別試件的螺釘從腹桿中拔出，隨后試件發(fā)生破壞，節(jié)點強度開始下降。

當荷載從Pmax降至80%Pmax時，試驗定義為停止。最終，除了個別試件破壞形態(tài)為螺釘拔出外，其余試件均為釘帽拉穿(圖6)。這是因為試件所用木材的螺釘抗拔強度fax為9.09 MPa，而木材局部橫紋抗壓強度fc,90為4.96 MPa，遠小于螺釘抗拔強度。此外經統(tǒng)計，發(fā)生螺釘拔出破壞的情況在夾角為15°時有1次、30°時有2次、60°時有2次、75°時有3次，總計8次，約占所有破壞試件的22.86%。

圖7 桁架節(jié)點剖面Fig.7 Sectional views of joints of different angles

加載結束后，將各組釘帽拉穿試件的弦桿剖開，可觀察到螺釘及木材的變形和破壞，如圖7所示。可以看出，木紋與螺桿軸向夾角為0°和15°時，螺釘幾乎未發(fā)生變形，節(jié)點破壞主要由釘帽拉穿弦桿導致。這是由于螺釘的螺紋大部分鉆入腹桿，弦桿中只有輔助螺紋和光桿部分，螺釘在腹桿中的抗拔強度遠大于其在弦桿部分的抗拔強度與釘帽部分木材橫紋抗壓強度之和，因此抗拔試驗過程中釘帽逐漸嵌入弦桿，最終將其拉穿。

木紋與螺桿軸向夾角為30°時，螺釘發(fā)生微小彎曲，木材無壓潰現象。從夾角45°到90°的4個試件中，螺釘不同程度發(fā)生塑性鉸變形，即典型的Johansen Ⅱ類屈服模式，且螺釘變形逐漸增大?？梢姡斅葆斸斎虢嵌却笥诘扔?5°時，螺釘在拉穿過程中先受到弦桿施加的剪應力產生塑性鉸變形，后隨荷載增大逐漸拉穿弦桿。

2.2 荷載-位移曲線分析

圖8為7組螺釘釘入方向與桁架腹桿順紋方向不同夾角的荷載-位移曲線?？梢钥闯觯鹘M試件在加載初期均處于彈性階段，節(jié)點位移隨荷載增加呈線性增長。夾角為0°、15°、75°和90° 4組試件的平均荷載-位移曲線存在明顯屈服階段，根據試驗破壞現象，夾角為0°試件的屈服階段產生是釘帽陷入弦桿后逐漸拉穿弦桿所致，荷載在Pmax附近有很好的保持，故試件屬于延性破壞； 夾角為15°時，螺釘傾斜角度較小，曲線特征與0°類似，故也屬于延性破壞，但其中有1個試件的荷載-位移曲線與其他試件明顯不同，這是因為該試件在抗拔試驗中發(fā)生螺釘拔出破壞； 夾角為75°和90°試件的屈服階段產生是螺釘彎曲變形所致，N6、N7兩組試件螺釘釘入時傾斜角度較大，螺釘在受力過程中彎曲變形程度也較大，但N6組5個試件在達到最大力后其荷載-位移曲線下降趨勢很陡，故N6組試件屬于脆性破壞，同理N7組也有3個試件屬于脆性破壞。

夾角為30°的試件螺釘變形很小，對應的平均荷載-位移曲線無明顯屈服階段，達Pmax后曲線“階段式”下滑，屬于延性破壞，是釘帽陷入弦桿后逐漸剪斷木材，最終拉穿木材所致； 其中2個試件的荷載-位移曲線與其他試件明顯不同，是因為這2個試件最終為螺釘拔出破壞。

圖8 桁架節(jié)點試件的荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves of truss joints connected with screws

夾角為45°和60°的試件存在短暫屈服階段，但由于其螺釘彎曲變形程度較75°和90°的試件小，故在荷載-位移曲線中表現不明顯。屈服階段后，2組試件的平均荷載-位移曲線出現一個顯著增強階段，這主要是因為螺釘先發(fā)生彎曲變形，變形結束后隨著荷載繼續(xù)增加釘帽才開始剪斷木材，最終發(fā)生拉穿破壞，由于荷載下降速度緩慢，故2組試件仍屬于延性破壞。N5組，即夾角為60°的5個試件中，有2個試件的荷載-位移曲線明顯高于其他試件，是因為這2個試件最終為螺釘拔出破壞，而木材抗拔能力明顯高于局部承壓能力，故這2個試件的最大承載力較大。

2.3 極限荷載分析

桁架節(jié)點在受拉過程中受木材銷槽承壓強度、抗拔強度、釘帽拉穿強度和螺釘抗彎強度的綜合作用。為了進一步研究節(jié)點受力機制，假設節(jié)點在受力過程中螺釘受到的銷槽承壓和抗拔作用均為均布荷載，圖9所示為節(jié)點在受力過程中的內力分析?？梢钥闯觯S著螺釘釘入角度增加，節(jié)點由單純受木材抗拔強度和釘帽部分局部抗壓強度作用逐漸演變?yōu)槭苣静目拱螐姸?、銷槽承壓強度和螺釘抗彎強度等綜合作用，由于節(jié)點破壞模式在各角度均為釘帽拉穿破壞，因此可推測節(jié)點強度和剛度主要受其釘帽拉穿強度和剛度的影響。當夾角增加時，螺紋剪斷木纖維變多，釘帽拉穿強度下降，剛度降低，而反觀螺釘抗彎強度則開始發(fā)揮作用，使得節(jié)點剛度和承載力進一步提升，隨后節(jié)點內各種作用力相互復合作用，對節(jié)點承載力共同產生影響。

圖9 節(jié)點受力理論分析Fig.9 Theoretical analysis of nodal forcesfhead為釘帽拉穿強度，即木材局部橫紋抗壓強度Compression strength perpendicular to grain； fax為抗拔強度Withdrawal strength of the timber； fh1為腹桿中銷槽承壓強度Embedment strength of the tensile joints along the length of the screw； fh2為弦桿中銷槽承壓強度 Embedment strength of the chord along the length of the screw； Sh為釘帽面積Area of the screw head； S1為螺釘釘入腹桿深度Depth of screw driven into the tensile joints； S2為弦桿厚度Thickness of the chord； N1為腹桿中螺釘所受拉力Withdraw capacity of the screw loaded parallel to the screw axis in the tensile joint； N2為弦桿中螺釘所受拉力Withdraw capacity of the screw loaded parallel to the screw axis in the chord； H1為弦桿對腹桿的壓力Compressive force between timber members； H2為腹桿對弦桿的壓力Compressive force between timber members； Q1為腹桿中螺釘所受剪力Withdraw capacity of the screw loaded perpendicular to the screw axis in the tensile joint； Q2為弦桿中螺釘所受剪力Withdraw capacity of the screw loaded perpendicular to the screw axis in the chord； My為螺釘抗彎彎矩Screw bending moment； μ為界面摩擦系數Friction coefficient between timber members.

圖10所示為各組試件最大承載力及平均值變化?？梢钥闯?，夾角為60°時試件的平均承載力最大，達7.423 kN，夾角為0°時試件的平均最大承載力為7.259 kN，二者相差不大，僅2.21%。夾角為15°時試件的平均承載力最小，為4.088 kN，最大值相比其提高81.58%。

圖11所示為各組試件螺釘單位長度承受的最大荷載及平均值變化，相比圖10，螺釘有效釘入深度對各角度釘入螺釘試件的承載力變化影響較小。夾角為0°時螺釘單位長度承載力最大主要是因為螺釘釘入方向與桁架腹桿順紋方向平行，螺紋與木纖維充分纏繞，有效提高了節(jié)點的抗拔能力。當螺釘傾斜釘入時，螺紋將木纖維剪斷，纏繞關系減弱，釘帽更易拉穿弦桿，節(jié)點承載力下降。隨著傾斜角度增大，螺釘側向受力使其發(fā)生彎曲變形，螺釘的抗彎作用增強了節(jié)點抗拔能力，但隨著傾斜角度增至一定程度，即螺釘受到的側向力與螺釘軸向夾角不斷增大時，螺釘的抗彎強度逐漸減小，故夾角從30°到90°，各組試件螺釘單位長度承載力先增大后減小。而夾角為15°時螺釘單位長度最大承載力最小是由于此時螺釘有效釘入深度較大，木纖維剪斷數量較多，但螺釘與木纖維纏繞作用減弱的同時螺釘未發(fā)生彎曲，故承載力最弱。

圖10 試件最大承載力比較Fig.10 Comparison of load-carrying capacity for various inclined self-tapping screws

2.4 屈服荷載分析

屈服荷載(Py)即桁架節(jié)點開始屈服時的荷載，為該節(jié)點在恢復原有性能情況下所能承受的最大荷載，試驗結果如圖12所示?？梢钥闯觯鹘M試件的屈服荷載變化較大，其變化趨勢與最大承載力幾乎一致。螺釘釘入方向與桁架腹桿順紋方向夾角為0°時屈服荷載最大，為4.859 kN，比最小值即夾角為15°時提高59.68%。結合試驗現象，夾角為0°～15°時，試件屈服荷載受木材橫紋局部抗壓強度控制； 夾角為30°～90°時，試件屈服荷載受螺釘抗彎強度控制。橫紋局部抗壓強度作用隨角度增加顯著減小，而螺釘抗彎強度作用隨角度增加先增加后減小，夾角為45°時最大。

圖11 螺釘單位長度承受最大承載力比較Fig.11 Comparison of load-carrying capacity per millimeter for various inclined self-tapping screws

圖12 試件屈服荷載比較Fig.12 Comparison of yield load for various inclined self-tapping screws

2.5 剛度分析

參考日本木結構設計計算方法(日本住宅 ·木材技術センタ一， 2005)，試件剛度為荷載-位移曲線彈性階段0.1Pmax和0.4Pmax對應兩點連線的斜率。從圖13可以看出，螺釘釘入方向與腹桿順紋方向夾角越大，試件剛度越小，夾角為75°時剛度平均值最小，僅0.38 kN·mm-1，夾角為0°時試件對應的剛度最大值比夾角為75°時提高12.5倍。夾角為90°時試件平均剛度呈增加趨勢，約比最小值提高1.4倍。結合試驗現象，隨著傾斜角度增加，螺釘彎曲變形程度增大，而剛度越來越小，可見，桁架節(jié)點剛度取決于連接螺釘的變形程度。

圖13 試件剛度比較Fig.13 Comparison of stiffness for various inclined self-tapping screws

3 結論

1) 螺釘釘入方向與桁架腹桿順紋方向夾角為0°和15°時，螺釘未發(fā)生彎曲變形，弦桿和腹桿亦未出現木材被螺桿壓潰現象，試件破壞主要是因為木材橫紋抗壓強度小于螺釘抗拔強度，釘帽最終剪斷并拉穿弦桿； 夾角為30°～90°時，螺釘發(fā)生彎曲變形，弦桿和腹桿中螺桿周邊木材出現不同程度壓潰現象，其失效主要是因為銷槽承壓形成的剪力達到螺釘屈服荷載。

2) 夾角為0°～15°時，試件屈服荷載受木材橫紋局部抗壓強度控制，其作用隨角度增加顯著減?。?夾角為30°～90°時，試件屈服荷載受螺釘抗彎強度控制，其作用隨角度增加先增加后減小，夾角為45°時最大。試件剛度隨螺釘傾斜角度增加而減小，最大值(0°時)比最小值(75°時)提高12.5倍。

3) 綜合分析節(jié)點的破壞形態(tài)、極限承載力、剛度和屈服荷載，當螺釘釘入方向為45°～60°時，新型桁架節(jié)點的受力性能最優(yōu)； 而螺釘釘入方向為0°的試件由于具有較高承載力和剛度，適用于建筑中對剛度要求較高的部位。

基于上述結論，在實際工程中建議：

1) 夾角為0°～15°時，由于節(jié)點承載力和剛度較高，建議用于木桁架上下弦端部和豎向腹桿連接的部位； 夾角為45°～60°時，由于節(jié)點可以充分承載受剪拉復合作用力的荷載，建議用于木桁架上下弦和斜向腹桿連接的位置。

2) 鑒于在夾角較小時其抗拔力遠大于釘帽拉穿強度，因此建議在螺釘釘入過程中于螺釘釘帽和弦桿之間增加墊片以提高節(jié)點承載力。