钉入角度对自攻螺钉连接胶合木承载性能的影响

木结构建筑中节点连接性能对整体结构的承载性能极其重要，在某种程度上，节点连接性直接决定了木结构建筑的承载力、刚度及延性等承载性能。 国内外相关标准中对钉连接的边距、端距和间距提出要求，并给出了节点承载性能计算模型。

目前，针对斜螺钉群连接的研究成果主要体现在EN1995-1-1中，该标准给出了对带有钉入角度的钉连接和螺钉群连接的设计要求；而国内GB 50005—2017《木结构设计标准》和GB/T 50708—2012《胶合木结构技术规范》中未对螺栓、销、六角头木螺钉、圆钉和螺纹钉等几种销轴类紧固件的钉入角度设计要求。

Bejtka和Bla?研究不同钉入角度下自攻螺钉连接节点的承载性能，指出斜螺钉连接节点的承载力主要源于自攻螺钉的轴向抗拔强度及其侧向抗力在木构件连接面上的分力以及木构件之间的摩擦力。滕启城等采用云杉规格材制成的胶合木和结构用自攻螺钉作为试验研究的主要材料，研究斜螺钉连接胶合木的受力机理，对规格材的握钉力、胶合木的握钉力及销槽承压的基础性能进行了测试，探究侧边钢板–胶合木剪切承载性能和胶合木梁柱节点的抗侧承载性能。

本文探究钉入角度对斜螺钉连接胶合木承载性能的影响，测试以不同角度钉入胶合木中测试的承载能力强弱，分析节点的承载力、刚度及延性随钉入角度变化的规律。

1??试验材料与过程

1.1??试验设计

参考我国GB 50005—2017《木结构设计标准》、欧洲 EN1995-1-1、美国 ASTM 《Standard test methods for mechanical fasteners in wood》ASTM D1761-12，采用双单剪构件，每个试件由各颗自攻螺钉分别从辅材两侧边距为36?mm，端距为108?mm 处钉入主材进行连接，钉入角度分别为45°，60°，75°，90°，每组重复试件为6个，试件设计如图1所示。

1.2??试件制备

试验所用胶合木为某公司产品，主材尺寸为300?mm×90?mm×140?mm（长×宽×厚），辅材尺寸为300?mm×90?mm×70?mm（长×宽×厚）。

试验所用螺钉为上海美固澄梵紧固件有限公司产FTLD 圆柱头全螺纹结构用自攻螺钉，选用规格为6?mm×140?mm（直径×长度）。

按图2所示，将主材与辅材紧密贴合并用夹具固定在一起（图2a），采用角度固定器将自攻螺钉按指定角度钉入辅材（图2b），将辅材上的自攻螺钉继续钉入主材（图2c），完成3个构件的组装（图2d）。

1.3??试验方法

加载方法参考标准ASTM D1761-12，以0.9（±50%）mm/min的速度单调加载，在5~20?min时达到最大荷载，待足够位移或荷载降至最大荷载的80%以下后停止加载。

试验设备为万能力学试验机及UTM5105三思万能力学试验机，使用TDS-530 数据采集仪进行数据采集。

采用YWC-50应变式位移传感器测量位移，位移计固定在主材两侧，将位移感应端顶住固定在辅材上的塑性亚克力板，以此测量构件在承载过程中产生的相对位移，装载方式如图3所示。

刚度和延性系数计算方法分别参考标准 EN 26891、EN 12512计算刚度和延性系数。 

刚度计算公式：

式中： F _est 为最大荷载预估值； V _0.4 为0.4 F _est 所对应的位移值； V _0.1 为 0.1 F _est 所对应的位移值。

延性系数计算公式：

式中： V _u 为最大容许荷载所对应的最大容许位移值； V _y  为屈服荷载所对应的屈服位移值。

2??试验结果

2.1??试验现象

加载过程中，随荷载和位移增加木材由弹性阶段向弹塑性阶段过渡，至屈服位移开始发出木材压裂的呲呲声，在最大荷载附近声音较剧烈，钉入角度为75°和90°的试件钉帽分别被拉陷进入木材约7?mm和 15?mm。

卸载后各试件主材与辅材接触部位均出现缝隙，但范围不同，其原因可能是自攻螺钉钉入角度不同，构件受拉剪力的作用点及范围不同，其中钉入角度45°的试件出现较大缝隙在主材与辅材接触部位的下半部分，缝隙宽2.5~7?mm。

钉入角度为60°的试件有微小缝隙出现在整个接触部位，宽1~5?mm。钉入角度为75°的试件缝隙宽3~5?mm。钉入角度为90°的试件缝隙最大且出现在整个接触部位，缝隙宽3~9?mm。主材与辅材之间的缝隙越大，说明主材与辅材受载分离的现象越明显（图4）。

拆开构件后发现钉入角度45°试件的自攻螺钉及钉槽没有明显变化，但自攻螺钉从主材中拔出，主要原因可能是自攻螺钉以45°角度钉入，与木纹方向的夹角偏小，嵌入主材的有效长度较小，在主材被加载下移过程中，自攻螺钉易从主材中拔出而使构件连接失效（图5a）。

钉入角度60°试件的自攻螺钉在主材和辅材接缝处发生弯曲，出现一个塑性铰，螺钉在塑性铰以外的部位仍然刚直，钉槽局部被挤压破坏，形成“一铰屈服”的破坏模式，其原因可能是自攻螺钉的直径相对较小，钉槽周围的木材具有很大的钳制力，在拉剪力作用时自攻螺钉销身弯曲产生塑性铰，在其发生转动倾斜时构件内外边缘区域里发生局部挤压破坏（图5b）。

钉入角度75°和90°试件的自攻螺钉在接缝处两侧均有弯曲，出现2个塑性铰，其中钉入角度90°试件的弯曲程度更大，主材与辅材接缝处出现明显的钉槽挤压破坏且槽宽增大，形成“两铰屈服”的破坏模式，其原因可能是自攻螺钉的直径相对较小，构件都具有很大的钳制力，在受到拉剪力后接缝处两侧的构件中均有塑性铰产生于在2个塑性铰之间的区域内，自攻螺钉销身发生转动倾斜，导致两侧构件在接缝处的边缘区域均被挤压破坏（图5c、图5d）。

（a）

（b）

2.2??承载性能分析

由不同钉入角度的试件荷载–位移曲线如图6所示，各组试件的试验数据见表1，试验结果表明钉入角度对自攻螺钉连接的胶合木承载力、刚度和延性系数均有一定的影响。

（a）

（b）

（c）

钉入角度为45°时节点的承载力最小，但刚度最大，高达31.92?kN/mm，延性系数也最大，为12.45，可见钉入角度为45°时节点的塑性变形能力和抵抗弹性变形的能力更强。

钉入角度为75°时节点承载力最大，为18.07?kN。

钉入角度为90°时刚度和延性系数均为4组中的最小值。

随钉入角度增加节点，刚度逐渐减小，延性系数也呈减小趋势。

在45°~75°变化范围内，节点的承载力随角度增加而增大，至90°又减小。

45°试件表现出较弱承载力的原因可能是由于自攻螺钉嵌入主材的有效长度较短，致使其锚固连接效果不佳。

钉入角度为60°~75°时，节点具有较高承载力，说明在一定范围内自攻螺钉与木纹成夹角钉入进行连接时，可有效提高节点的承载力。

3??结论

本文对45°, 60°, 75°, 90° 4个不同钉入角度情况下的自攻螺钉连接的胶合木进行剪拉试验，结果表明钉入角度为60°时，节点在具有较大承载力的同时，还具有较高的刚度和延性系数，其承载力为18.17?kN，刚度为15.63?kN/mm，延性系数为6.11。

根据测得试验数据可知，钉入角度为45°时节点的刚度和延性系数最大，而承载力最小；钉入角度为 75°时节点的承载力最大，而刚度和延性系数相对较小。