自攻螺釘在木結構加固工程中的抗拔性能研究

劉慧芬

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092

0 引言

自攻螺釘可在木構件中自行攻出內螺紋，可有效增強螺釘與木材的粘結性能，從而逐漸應用于木構件以及節點的加固和修復。研究表明[1-2]，自攻螺釘與木材的粘結性能與木材密度、自攻螺釘直徑、貫入深度、螺釘與木紋的夾角等因素有關。筆者對膠合木中自攻螺釘抗拔性能進行了試驗研究，將試驗所得抗拔承載力與歐洲規范和德國規范進行了對比，并建立了自攻螺釘抗拔性能的數值模型，為自攻螺釘在木結構加固工程中應用提供了參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

本文所用自攻螺釘材質為高錳低碳滲透鋼，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。

試驗所用木構件為膠合木，由二級北美云杉-松-冷杉(SPF 2#)規格材膠合而成。試驗時其平均含水率為11.75%，平均氣干質量密度為408kg/m3。試驗測得膠合木的順紋彈性模量=1.218×104MPa、橫紋彈性模量=224MPa、順紋抗壓強度MPa、橫紋抗拉強度=1.2 MPa及順紋抗剪強度

1.2 試件設計

試件共兩組，一組自攻螺釘直徑為8mm，一組為10mm，每組各15個試件。試件構造和尺寸如圖1所示。在釘入自攻螺釘之前，在木構件上預鉆一個直徑為30mm，深為50mm的孔，以避免約束端壓應力引起的粘結強度的增大。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。為了避免釘尖對粘結強度的影響，自攻螺釘貫入木構件后釘尖全部外露。

圖1 試件幾何尺寸及構造

圖2 加載裝置圖

1.3 試驗裝置及加載制度

為了固定試件，試驗中設計了一塊固定板，固定板采用厚10mm的鋼板，鋼板四角各有一個螺栓孔，通過螺栓與加載機底座固定；固定板中心有一直徑為50mm的開孔，安裝試件時，自攻螺釘穿過固定板的中心孔，其軸線通過孔心，自攻螺釘上端與加載頭相連，加載裝置見圖2。加載采用位移加載，加載速率設置為1.74mm/min。

2 試驗結果分析

2.1 破壞模式及承載性能

試件破壞時整個自攻螺釘從膠合木中拔出，自攻螺釘螺紋處夾雜部分木屑，試件發生滑移破壞。所有試件均未出現自攻螺釘的受拉斷裂破壞，這是因為自攻螺釘的抗拉承載力大于其抗拔承載力。

所測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，當趨近于峰值點時，抗拔剛度降低，曲線表現出明顯的非線性，此后，承載力開始逐漸下降，自攻螺釘與木材之間的粘結失效。

兩種自攻螺釘的平均粘結應力—滑移曲線的對比如圖3(b)所示，其中粘結強度由式（1）得到。

從圖3(b)可以看出，在有效粘結長度相同的情況下，隨著自攻螺釘直徑增大，螺釘抗拔承載力增大，粘結強度反而減小。這是因為粘結強度并不是單純的隨著粘結長度和螺釘直徑的增大而增大，其與粘結長度和螺釘直徑的比值有關，當有效粘結長度相同時，直徑較小的自攻螺釘其的值較大，其粘結強度也較大。

圖3 自攻螺釘抗拔性能曲線

2.2 與規范值的對比

德國規范DIN1052[3]對于自攻螺釘的抗拔承載力規定如下：

本文分別將試驗結果與式（2）和式（3）進行了對比，結果如表1所示。由表1可知，本文試驗結果與DIN公式計算值較為接近，而EC5公式所得結果明顯大于試驗值。

表1 自攻螺釘抗拔承載力試驗值與規范值對比

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，抗拉強度=400MPa。木材通常可簡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。

針對本模型的幾何特性，木構件和自攻螺釘均采用實體單元SOLID185進行模擬，為了簡化分析，螺紋與木材之間的咬合作用通過接觸單元來模擬，即自攻螺釘和木材的接觸采用面面接觸，使用Targe170和 Conta174來定義目標單元和接觸單元，在模型中建立接觸對。有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型圖

3.2 有限元結果分析

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

圖5 木構件應力云圖

為了驗證有限元模型的有效性，以直徑為10mm的自攻螺釘為研究對象，對其進行了有限元抗拔分析，并將分析結果與試驗曲線進行對比，如圖6所示。從圖6中可以看出，有限元曲線與試驗平均曲線吻合較好，所得抗拔承載力為11.65kN，與試驗平均值（11.38 kN）的誤差在5%以內。由此可見，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 試驗及有限元荷載-位移曲線對比

4 結論

本文對2組自攻螺釘進行了抗拔試驗，研究了自攻螺釘直徑對抗拔性能的影響，將試驗結果與規范公式進行了對比，并進行了有限元模擬，得到了如下結論：

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

2）在有效粘結長度相同的情況下，隨著自攻螺釘直徑增大，螺釘抗拔承載力增大，粘結強度反而減小。

3）德國規范DIN1052所得自攻螺釘抗拔承載力與試驗結果較為接近，而歐洲規范EC5所得結果明顯大于試驗值。

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。