自攻螺釘釘入角度對鋼板-正交膠合木節點剪切性能的影響*

周 斌 王昕萌 張柳柳 安 昕 陳志淵 闕澤利 王菲彬

(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)

近年來，我國建筑產業向綠色低碳轉型，木結構建筑作為節能、低碳的代表，受到廣泛關注和大力扶持(戴崢楠，2017； 唐菠，2014)。正交膠合木(cross-laminated timber，CLT)是以強度相對較低的速生材為原料，由至少3層實木鋸材或結構復合板材縱橫交錯組坯、采用結構膠黏劑壓制而成的，這種利用工程技術將實木材料轉化為更加復雜穩定的現代工程木材料，正在動搖曾經牢牢扎根建筑行業的混凝土和鋼材，改變傳統的建筑格局(彭思等，2020)。CLT結構體系是一種以螺釘、鋼制承載板和角支架連接CLT樓板、墻板、屋面板以及混凝土基礎的裝配式木結構體系，角支架和鋼制承載板一般使用環孔柄釘連接，破壞時釘子容易拔出。EN 1995-1-1、DIN 1052和 CNR-DT 206等規范提出基于螺釘側向剪切強度和軸向強度的二次方程計算螺釘軸向-側向復合承載的承載力，國外Bejtka等(2002)、Hossain等(2015)、Kavaliauskas等(2007)和Jacquier等(2014)基于歐洲屈服理論研究螺釘主軸與紋理方向呈一定角度釘入發現，連接節點的極限承載力源于抗拔強度及由螺釘抗拉應力導致的木材間擠壓摩擦，國內亦有學者探究斜螺釘以不同角度釘入對LVL(laminated veneer lumber，單板層積材)、CLT和膠合木抗拔、抗剪承載力和剛度的影響(Wangetal.，2019； 鹿相戎等，2020； 常程等，2019)。以往這些單向承載參數的計算多以鋸材為研究對象，未充分考慮目前最常用的工程木產品(如膠合木、CLT 等)與實木材料的區別，且計算模型中唯一體現木構件材料性能的參數為密度，其他參數如木材紋理等均未考慮在內。此外，現行EC5歐洲設計規范中對釘連接鋼-木節點的承載力計算公式基于側向承載的屈服理論，只包括銷釘的抗彎屈服性能和木材銷槽承壓強度，即只能用于計算螺釘90°釘入時的特征強度，而當螺釘以一定角度釘入時，還涉及抗拔強度以及鋼板與木材之間的摩擦力； 規范中提到鋼-木節點的剛度應是木-木節點的2倍，但其設計的剛度公式只包括銷型緊固件垂直連接木-木節點的剛度，且在現有螺釘連接節點研究中，多為木-木節點和鋼-木節點，對側邊鋼-木單剪連接的探討較少。

鑒于此，本研究通過探究斜螺釘連接鋼板-正交膠合木(CLT)節點的抗剪切承載性能以及鋼板-CLT節點通過自攻螺釘連接的破壞模式和受力機理，分析螺釘釘入角度對剪切強度、剛度的影響規律，以期為新型連接件的開發和應用提供理論模型和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究用鋼板-正交膠合木剪切性能試驗試件為兩側通過自攻螺釘連接的單剪結構。定制具有不同角度預鉆孔的鋼板，各角度孔位符合EC5歐洲設計規范對銷軸類連接件節點連接中的邊距、端距要求。鋼板為6 mm厚Q235鋼，尺寸172 mm×440 mm×6 mm(長×寬×厚)。自攻螺釘選用國產美固全螺紋自攻螺釘，直徑6 mm，長100 mm。正交膠合木由35 mm厚花旗松(Pseudotsugamenziesii)層板正交組坯而成(5層，江蘇省惠優林集成建筑科技有限公司加工)，密度540 kg·m-3，含水率12.8%。膠黏劑為單組分聚氨酯PUR，壓制壓力1.2 MPa，壓制時間4 h，膠合成尺寸為175 mm×172 mm×344 mm(厚×寬×長)的試件。

自攻螺釘主軸與鋼板所成夾角作為剪切試驗變量，垂直鋼板釘入記為90°S，螺釘釘帽偏向鋼板受拉方向為拉-剪受力(T-S： tensile-shear)，根據螺釘主軸與鋼板所成夾角依次記為75°T-S、60°T-S、45°T-S； 螺釘釘帽偏向鋼板受壓方向為壓-剪受力(C-S： compressive-shear)，根據螺釘主軸與鋼板所成夾角依次記為75°C-S、60°C-S、45°C-S(圖1)。剪切試件制作過程如圖2所示，首先確定一側鋼板與膠合木的相對位置，然后用F形夾具夾緊，借助角度輔助裝置確定釘入角度后旋入一顆自攻螺釘，接著采用相同方式固定好另一側，兩側自攻螺釘相對位置相同。試件制作完畢，置于三思力學試驗機上固定，固定完畢進行試驗。

圖1 剪切試件原理Fig. 1 Schematic of shear specimens

圖2 剪切試件制作過程Fig.2 Production process of shear specimens

1.2 試驗方法

圖3 鋼板-正交膠合木剪切試驗裝置Fig. 3 Configuration of shear test of steel-CLT joint

采用獨立的加載系統和位移采集系統，試驗裝置如圖3a、b所示，位移傳感器示意如圖3c所示。加載系統為10 t三思力學試驗機，在試件兩側設置4個位移傳感器，其中2個量程為100 mm的YWC-100 型位移傳感器(精度為0.01 mm)用于測量鋼板相對試驗機面的絕對位移，2個量程為50 mm的YWC-50型位移傳感器(精度為0.01 mm)用于測量CLT與鋼板的相對位移。在動橫梁上設置1個YBY-50 kN 型荷載傳感器(精度為10 N)。4個位移傳感器和1個荷載傳感器均接入TDS-530 數據采集儀，采集頻率1 Hz。參考美國標準(ASTM D1761-12)以1 mm·min-1的速度勻速加載，直到試件破壞或荷載降至最大荷載的80%時停止加載。試驗設7組，每組試件均為6個，共進行42次剪切試驗。從施加荷載開始，觀察節點的受力情況，記錄試件破壞過程中出現的偶然小幅度下降及達到的最大荷載。試驗結束后，觀察試件破壞現象，將自攻螺釘小心旋出觀察釘子變形情況以及木材破壞特征。

2 結果與分析

2.1 破壞模式及分析

2.1.1 拉-剪和90°剪切受力模式 45°T-S受力模式，釘子破壞模式皆為一側自攻螺釘被剪斷，另一側螺釘產生2個塑性鉸，分別位于距離釘帽 8 mm和20 mm 左右處； 荷載-位移曲線整體規律相似，開始以一定斜率直線上升，當達到最大值時，由于一顆自攻螺釘達到自身承載力被剪斷，曲線突然下降；但45°T-S-6曲線并未突然下降，這是因為該試件加載過程中，兩側自攻螺釘均出現相同程度彎曲變形，未被剪斷(圖4)。

60°T-S、75°T-S、90°S受力模式，釘子破壞模式皆為一側自攻螺釘被剪斷，另一側螺釘產生2個塑性鉸； 荷載-位移曲線開始以一定斜率直線上升，當達到最大值時，由于一顆自攻螺釘達到自身承載力被剪斷，曲線突然下降，隨著角度增大，承載力逐漸減小，剛度逐漸減小(圖5)。

圖4 拉-剪45°受力模式荷載-位移曲線及試驗現象Fig. 4 Tensile-shear 45° force mode load-displacement curve and test phenomenon

圖5 拉-剪60°、75°和90°剪切受力模式荷載-位移曲線及試驗現象Fig. 5 Tensile-shear 60°,75° and 90°S force mode load-displacement curve and test phenomenon

2.1.2 壓-剪受力模式 75°C-S、60°C-S受力模式，一側自攻螺釘產生2個明顯的塑性鉸，分別位于距離釘帽8 mm和20 mm左右處，另一側自攻螺釘在距離釘帽8 mm處被剪斷； 荷載-位移曲線在達到最大值前產生類似于波浪形的上升緩沖曲線，開始為一小段直線上升(鋼板孔與釘帽產生接觸的線彈性階段)，隨著受力增大釘帽一側被鋼板抬升，達2 500 N左右曲線逐漸變緩，這是因為在抬升過程中，釘帽逐漸由向下傾斜轉變為向垂直方向移動，慢慢遠離與鋼板的接觸，鋼板變為抬升自攻螺釘釘桿，該轉換過程中，承載力緩慢變化，釘頭一側也在同時向下擠壓木材，導致自攻螺釘產生2個明顯塑性較，也是曲線波動的原因； 當達到屈服極限時，一側自攻螺釘被剪斷，曲線直線下降(圖6)。

45°C-S受力模式，當2顆釘均被剪斷時停止加載，釘子出現3種斷裂方式(圖7)： 第1種為每一側螺釘均在距離釘帽20 mm處被剪斷，剪斷部位位于CLT試件第一層內部，如試件1和5； 第2種為一側在距離釘帽20 mm處被剪斷，另一側在距離釘帽8 mm左右處被剪斷，剪斷部位位于鋼板與CLT形成的剪切面處，如試件2、3、4、6； 第3種為兩側均在距離釘帽8 mm左右處被剪斷，如試件7。荷載-位移曲線產生1次或2次小幅度下降后，節點突然失效，曲線降至最低。第1次下降是因為花旗松密度較大，自攻螺釘傾斜角度也較大，到一定位移后達螺釘極限承載能力，一顆釘被剪斷，但由于剪斷部位位于木材內部，螺釘仍連接著鋼板與木材，剪斷時拉動鋼板的拉力未突然減少，因此曲線只產生小幅度下降； 隨后當另一側自攻螺釘也被剪斷時，節點失效，曲線突然降至最低。因節點徹底失效前一側自攻螺釘已被剪斷，所以選用第一顆釘剪斷前產生的曲線(圖7右)評估壓-剪45°的真正承載能力。

2.2 釘入角度對剪切強度、剛度和能量耗散的影響

采用PickPoint軟件對荷載-位移數據進行統計分析，得到最大承載力、最大承載力對應的位移、剛度和能量耗散，具體數值如表1所示。

圖6 壓-剪75°、60°受力模式荷載-位移曲線及試驗現象Fig. 6 Compressive-shear 75°,60° force mode load-displacement curve and test phenomenon

圖7 壓-剪45°受力模式荷載-位移曲線及試驗現象Fig. 7 Compressive-shear 45° force mode load-displacement curve and test phenomenon

表1 不同釘入角度對剪切性能的影響①Tab.1 Effect of different nailing angles on shear performance

對于承載力而言，拉-剪狀態下，隨著角度減小，承載力逐漸增大，45°、60°、75°節點的承載力分別為90°的1.46、1.35、1.22倍，這是因為拉-剪狀態下，角度越小，自攻螺釘的軸向分力越大，增加了剪切面的承載力。壓-剪狀態下，角度越小，承載力越小，90°節點的承載力分別為45°、60°、75°的4.43、2.27、1.08倍，這是因為壓-剪狀態下，鋼板在向上拉動過程中，由于自攻螺釘彎曲變形，鋼板逐漸離開木材表面，摩擦力消失，導致壓-剪狀態的承載力小于拉-剪狀態。

對于剛度而言，拉-剪狀態下，隨著角度減小，剛度逐漸增大，45°、60°、75°節點的剛度分別為90°的3.58、2.42、2.08倍。壓-剪狀態下，剛度明顯低于拉-剪狀態，45°、60°、75°節點的剛度分別為 90°的0.45、0.31、0.36倍。

對于能量耗散而言，無論是拉-剪狀態還是壓-剪狀態，75°的能量耗散最大，且隨著角度減小，能量耗散逐漸減小。

對于最大承載力對應的位移而言，不同角度壓-剪狀態下的位移明顯大于拉-剪狀態，壓-剪狀態下由于45°在較小位移時即發生斷裂，導致其達到最大荷載時的位移遠小于75°和60°； 而拉-剪狀態下，隨著角度減小，達到最大荷載時的位移逐漸減小。

3 結論

1) 對于承載力而言，壓-剪狀態的承載力小于拉-剪狀態，拉-剪狀態下，隨著角度減小，承載力逐漸增大，而壓-剪狀態下，角度越小，承載力越小。

2) 對于剛度而言，壓-剪狀態的剛度明顯低于拉-剪狀態，拉-剪狀態下，隨著角度減小，剛度逐漸增大，而壓-剪狀態下，隨著角度變化剛度變化不明顯。

3) 對于能量耗散而言，無論是拉-剪狀態還是壓-剪狀態，75°的能量耗散最大，也高于90°剪切。

4) 對于最大承載力對應的位移而言，不同角度壓-剪狀態下的位移明顯大于拉-剪狀態，拉-剪狀態下，隨著角度減小，達到最大荷載時的位移逐漸減小。