圓鋼釘和自攻螺釘釘入角度對規格材握釘力性能的影響*

滕啟城 王菲彬 闕澤利 曾 楠

(1. 南京林業大學材料科學與工程學院 南京 210037； 2. 南京林業大學風景園林學院 南京 210037； 3. 保國寺古建筑博物館 寧波 315033)

銷軸類連接是現代木結構建筑應用最廣泛的連接方式，而釘是木結構中出現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點在木結構中普遍使用(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、結構板材與擱柵間的連接、剪力墻的蒙皮結構、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，如輕型木結構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。美國木結構設計規范(NDS)最早根據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等握釘力設計值計算公式(ANSI/AF&PA NDS—2005)。我國國標規定了關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 木結構建筑中斜螺釘連接實例Fig.1 Example of inclined nails and self-tapping screws used in timber structure

釘連接節點可分為垂直于釘軸線的側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之一，多年來，國內外許多學者對釘入深度、釘直徑、釘表面形狀及放置時間和環境等參數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)。歐洲木結構規范(BS EN 1995-1-1:2004)提供了一個握釘力關于釘入角度的設計值計算公式(BS EN 1995-1-1:2004)，但國內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，本研究以木結構中常用的落葉松(Larixgmelinii)和白云杉(Piceaglauca)規格材為對象，研究不同釘入角度、木材密度和木材徑、弦向對握釘力性能的影響，以期為木結構釘連接設計提供更完善的科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

落葉松規格材產地俄羅斯，其紋理通直，有部分活節，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%； 白云杉規格材產地加拿大，其紋理通直，有少量活節，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《木質結構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定，從2種規格材上順紋截取150 mm長無瑕試件。圓鋼釘為普通低碳圓鋼釘，依據《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，釘的間距和邊距依據《木質結構材料用銷類連接件連接性能試驗方法》(LY/T 2377—2014)規定: 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鉆引導孔，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，采用游標卡尺(精度為0.02 mm)測量釘的直徑和長度。一釘一測，即釘入一顆圓鋼釘或自攻螺釘在10 min內完成握釘力測試，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的外露長度，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的島津萬能力學試驗機(型號AG-10C)，測試時環境溫度20～25 ℃，相對濕度35%～45%。因《木結構握釘力試驗方法》(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，因此本研究根據試驗要求，自主設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 結果與分析

2.1 試驗結果

對落葉松和白云杉規格材進行不同釘入角度的握釘力試驗，結果如表1、2所示。

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

①括號內數值為標準差。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果Tab.2 The nail withdrawal strength of larch and spruce

2.2 試驗現象

圓鋼釘以不同角度釘入規格材時，僅少數硬度較大的落葉松弦切面上出現輕微開裂現象(圖5a)，被拔出過程中沒有明顯現象，釘子完全拔出后，規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象Fig.5 The phenomena during nailing and pull-out process of round nails and screws

由于沒有預導孔，自攻螺釘以不同角度擰入時略顯困難，少數落葉松試件橫紋面出現輕微開裂(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。圓鋼釘釘槽內壁光滑，且整個釘入和拔出過程中僅在釘徑2.5 mm范圍內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范圍內木纖維發生明顯變形，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象。

2.3 不同釘入角度時抗拔荷載-位移關系

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生，靜摩擦力最大時握釘力達到極限，隨著位移繼續增大，靜摩擦力轉變為動摩擦力，動摩擦力逐漸減小到一定程度后又轉變為靜摩擦力，逐漸增大，在靜摩擦力和動摩擦力的轉換中，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律相同，且釘入角度越小，曲線下降過程中出現更多矮峰。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的荷載-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的握釘力均呈先增大后減小的趨勢，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律一致(圖8)。落葉松和白云杉自攻螺釘的握釘力隨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90°釘入規格材時，木材像楔子一樣嵌入螺紋的兩齒之間，當螺釘拔出時，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，對螺釘產生束縛作用的僅為平行貼近釘桿外側的少數木纖維，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為經長期荷載、含水率變化等因素調整后的常數，a為密度指數，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，根據釘位于徑面或弦面來區分與年輪之間的角度，將結果分為2組。3種角度白云杉自攻螺釘的握釘力為徑面>弦面，但落葉松沒有明顯規律； 3種角度落葉松圓鋼釘的握釘力為徑面<弦面，而白云杉沒有明顯規律(圖9)。可見徑面和弦面對握釘力沒有直接影響，在握釘力設計值計算時，不需要引入年輪角度調整系數(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 結論

與木纖維所成釘入角度發生改變時，圓鋼釘和自攻螺釘的握釘力表現出明顯變化。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。

自攻螺釘連接構件端面應考慮采用交叉布置等增強方式避免出現軸向抗拔超過極限荷載后的脆性破壞，增強節點承載的安全系數。相比于圓鋼釘和傳統木螺釘，自攻螺釘有連接強度高、易拆裝和可重復使用等優勢。針對自攻螺釘連接節點的深入研究有助于完善節點設計體系，避免不合理方式連接構件，對建造更加綠色、環保、安全、經濟的木結構建筑有重要意義。