酚醛防火纖維板-自攻螺釘拉拔錨固性能試驗研究

趙更歧 趙大鵬 李 可

（鄭州大學土木工程學院，鄭州450002）

0 引 言

近年來，隨著外掛墻板的應用興起，各種新型建筑外墻掛板材料被廣泛應用。常用的掛板材料有水泥制品類、化學改性的實木類、石材類以及金屬類等。外墻掛板是指通過干掛的方式將板材外掛在墻體的外面。最常用的干掛連接方式即是自攻螺釘連接（圖1）。

圖1 外掛墻板Fig.1 External wall panel

目前，國內外對于自攻螺釘連接的抗剪性能有較多的試驗和理論研究［1-2］。對于自攻螺釘抗拔承載力的研究則相對較少，由于外掛墻板長期直接受到風荷載的作用，為防止外掛墻板連接處受到風吸力而失效脫落造成人員財產損失，其抗拔連接性能需要被重視。

美國AAMA T1R A9-91《金屬幕墻緊固件》［3］和《鋁合金設計手冊》［4］提出了相應的自攻螺釘抗拔承載力的設計計算公式，國內曾濱［5］通過試驗方法和有限元模擬相結合研究了自攻螺釘抗拔性能，并提出相應的抗拔承載力公式。但這些研究主要集中于以冷彎薄壁型鋼或者鋁合金材料為基材的研究設計。倪鳴［6］試驗研究了膠合木自攻螺釘在不同錨固深度下的拉拔性能，并得到當錨固長細比達到16時試件發生自攻螺釘屈服破壞。

本文將采用一種新型的外掛墻板材料酚醛防火纖維板為基材，通過自制的拉拔試驗夾具研究自攻螺釘拉拔承載力與自攻螺釘直徑、鉆入基材的深度以及單個自攻螺釘拉拔與兩個自攻螺釘同時拉拔的拉拔極限承載力關系。

1 試驗概況

拉拔試驗中考慮自攻螺釘的直徑、自攻螺釘鉆入深度、拉拔方式（即單釘拉拔或雙釘共同拉拔）以及雙釘共同拉拔時兩釘之間的間距4 個變量，共設計15 組試件，每組6 個試件，共計90 個試件。試件參數設計如表1所示。

表1 試驗試件編號及變量設計Table 1 Test specimen number and variable design

試驗中，所采用矩形酚醛防火纖維板邊長尺寸為b×l=100 mm×150 mm，厚度t 為8 mm。自攻螺釘選擇國標十字槽圓頭自攻螺釘，尺寸為M3×30（釘桿直徑3 mm，釘桿長度30 mm）、M4×30、M5×30三種型號。通過模具將自攻螺釘鉆入指定深度的酚醛防火纖維板內，形成拉拔試件如圖2所示。

圖2 拉拔夾具與試件Fig.2 Drawing fixtures and test specimen

試驗采用自制自攻螺釘拉拔夾具設備并配合萬能試驗機進行加載。施加至極限荷載約20%后卸載，開始正式加載。在預期極限荷載50%之前，以預期極限荷載的10%增量加載。分級加載至50%預期極限荷載后，改為以位移控制每級以0.25 mm∕min 速率加載，每級持續2 min，直至自攻螺釘被拔出為止。加載裝置如圖3所示。

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Test loading device

參考ASTM-D638—2008 規范［7］，酚醛防火纖維板順纖維方向材料性能如表2所示。

表2 實測酚醛防火纖維板力學性能Table 2 Measured mechanical properties of phenolic fireproof fiberboard

2 試驗結果分析

2.1 試驗現象及破壞形態

拉拔試件典型的荷載位移曲線如圖4所示。

圖4 荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curve

結合圖4（a），單釘拉拔試件在加載初期，各試件的自攻螺釘釘頭與夾具相互卡緊，自攻螺釘開始持力，試件均處于線彈性受力狀態，基材板未出現任何破壞。當加載到極限荷載的50%左右時，開始出現微小聲響，并發現基材板的表面飾面層開始出現裂紋，加載系統荷載位移曲線顯示試件仍處于線性受力階段。當加載至接近極限荷載時，可以聽到基材板內纖維絲斷裂的絲絲聲，并明顯看到與螺釘接觸的周圍基材隨螺釘被拔至凸起，緊接著螺釘被拔出，試驗停止加載。

結合圖4（b），雙釘拉拔試件在加載初期與單釘拉拔相同，當加載到極限荷載的80%左右時，荷載突然下降，發現兩釘周圍的基材板的表面飾面層開始出現裂紋，但隨即荷載又繼續增加，但加載剛度明顯下降，最后達到極限荷載，可明顯看到與兩螺釘接觸的周圍基材隨螺釘被拔至凸起，緊接著螺釘基本被同時拔出。

所有試件均為基材板與螺釘接觸孔壁的錨固破壞，未有螺釘屈服現象和基材板劈裂破壞。試件破壞圖如圖5所示。

圖5 試件錨固破壞Fig.5 Anchor failure of specimen

2.2 試件拉拔極限承載力分析

現將各組試驗試件的拉拔極限承載力實測結果列于表3。

表3 試件拉拔極限承載力試驗數據Table 3 Test data for ultimate load of test specimen

不同自攻螺釘直徑與拉拔極限承載力關系如圖6所示。

從圖6 中整體可以看出，自攻螺釘抗拔極限承載力與螺釘直徑和鉆入深度呈正相關。結合表3 試驗數據，單個螺釘拉拔時：M4 自攻螺釘拉拔極限承載力平均是M3 的1.45 倍，M5 自攻螺釘拉拔極限承載力平均是M4 的1.06 倍；兩個螺釘同時拉拔時M4自攻螺釘拉拔極限承載力平均是M3的1.21 倍，M5 自攻螺釘拉拔極限承載力平均是M4 的1.01 倍，可以看出隨著螺釘直徑的增大，拉拔極限承載力增加有放緩趨勢。兩個螺釘共同參與抗拉時，增加螺釘直徑所引起的拉拔承載力的提高明顯小于單個螺釘拉拔時的承載力提高。

圖6 拉拔極限承載力與自攻螺釘直徑關系Fig.6 Relationship between pull-out ultimate bearing capacity and self-tapping screw diameter

同時，從圖6（a）可以看出，當鉆入深度改變時，拉拔極限承載力有較大改變。結合表3 試驗數據，當螺釘直徑一定時，鉆入深度為7 mm 時的拉拔極限承載力平均是鉆入深度為5 mm 時的1.99 倍。但在實際工程中，由于板材的厚度有限且不宜鉆透，這將導致螺釘鉆入深度并不能理想化增加，需要與板材厚度相協調。

結合以上試件破壞形態以及試驗結果規律的分析，現對單個自攻螺釘拉拔極限承載力公式進行擬合。得出酚醛防火板-自攻螺釘拉拔承載力計算公式及適用范圍：

當5 mm≤tc≤7 mm，3 mm≤d≤5 mm時：

通過式（1）計算得到單個自攻螺釘拉拔極限承載力計算值與實測值對比，如表4所示。

從表4 中可以看出，單個自攻螺釘拉拔極限承載力計算值與實測值之間規律吻合良好，實測值與計算值之比的均值為0.97，變異系數δ 為13.4%，整體上計算值略小于實測值。

表4 單釘拉拔極限承載力計算值與實測值對比Table 4 Comparison of calculated and measured ultimate bearing capacity for single nail drawing

鉆入深度一定時，為比較兩個螺釘共同拉拔時拉拔極限承載力與相同直徑的2 倍單個螺釘拉拔承載力的比值關系以及確定合適的相鄰螺釘間距。類似于樁基礎工程中的群樁效應，引入雙螺釘拉拔效應系數η表示。

通過式（2）計算雙螺釘拉拔效應系數η 值如表5所示。

表5 雙螺釘拉拔效應系數η值Table 5 Coefficient of pulling effect of double screw

從表5 中可以明顯看出，相同自攻螺釘直徑下，兩個自攻螺釘共同參與拉拔受力時其極限承載力并不等同于單個螺釘拉拔極限承載力的2倍。同時可以看出，當螺釘間距越大螺釘直徑越小時，雙螺釘拉拔效應系數越大。設兩螺釘中心線間距與螺釘直徑的比值為λ，作出雙螺釘拉拔效應系數η與λ關系如圖7所示。

圖7 η與λ關系Fig.7 Relationship between η and λ

從圖7中可以看出η與λ呈正相關，即當兩螺釘間距與螺釘直徑的比值λ 越大，雙螺釘拉拔效應系數η 亦越大。但是在實際中η 并不會無限地增大。設計時，應當注意對拉拔極限承載力折減或者通過構造來防止雙螺釘拉拔效應系數η小于1。通過對以上試驗數據的擬合可以得出，當η大于1時的λ值，即

如式（3）所示，即要求相鄰自攻螺釘中心線間距大于6 倍自攻螺釘直徑。由此可知，若按照《冷彎薄壁型鋼結構設計規范》（GB 50018—2021）［8］中規定的自攻螺釘間距不小于3 倍螺釘直徑和《木結構設計規范》（GB 50005—2017）［9］中規定的自攻螺釘間距不小于4 倍螺釘直徑，這均將偏于不安全。

3 結 論

本文通過對以酚醛防火纖維板為基材的自攻螺釘拉拔試驗研究，可以總結得出以下結論：

（1）增加鉆入深度相比增加自攻螺釘直徑更能提高拉拔極限承載力，同時隨著螺釘直徑的增大，拉拔極限承載力增加有放緩趨勢。結合以上規律，通過試驗數據擬合的方法提出在一定鉆入深度和一定螺釘直徑范圍內的酚醛防火纖維板-自攻螺釘拉拔極限承載力計算公式。

（2）當螺釘直徑和鉆入深度一定時，不同間距的兩個自攻螺釘同時拉拔時其拉拔極限承載力與單個螺釘拉拔極限承載力相比并非是2 倍關系，兩個螺釘拉拔效應的發揮與兩螺釘間距和螺釘直徑的比值有關。通過試驗數據的分析，建議相鄰自攻螺釘間距大于6倍自攻螺釘直徑。