木钉斜接对SPF连接性能的影响

木结构连接分为胶连接、接触连接和机械连接三大类。 在传统木结构中，榫卯连接属接触连接形式，具有很好的强度和稳定性，但唯一的缺点是刚度较小。

随着现代木结构向大跨和高层结构发展，对连接件的强度、刚度及延展性等性能的要求显著提高，传统的榫卯连接形式已无法满足建筑需求，需要使用标准化、规格化的连接件替代，这种连接方式称为机械连接。

机械连接主要采用销类（钉，木螺丝，螺钉，螺栓，销钉等）、承压型（剪板，裂环）、齿板等金属连接件，其中销连接有较好的承载形式和较大的刚度是现代木结构中使用最多的连接形式。

在早期建筑中，暴露在潮湿环境中的木结构采用硬木连接件（如木钉、木楔子、木销）连接。木钉、木销也广泛用于造船、桥梁、水磨及轨道枕木，避免金属紧固件腐蚀问题，即“钉病”（nail sickness）。

木钉易用刀具切割且不会出现单宁酸染色反应，经研究发现由山毛榉制成的木钉强度足以将定向刨花板OSB固定到镀锌的CW钢材上[6–8]。使用木钉将板条固定到天花板上或墙壁上比铁钉与石膏或石灰石膏兼容性能更好，故木楔，木钉，木销等被广泛用于木材连接。

在建筑工程中使用木质紧固件对环境友好，可拆卸，提高木材资源的利用率，绿色环保。本文研究木钉以不同钉入角度对木材连接性能的影响。

1??试件制作

（1）规格材云杉–松–冷杉（Spruce-Pine-Fir, SPF），产地加拿大，试件主材/辅材尺寸为300?mm×38?mm×89?mm，试件长度方向为顺纹方向，试件等级为IIc级，平均含水率为14.54%，平均气干密度为0.490?g/cm3。

（2）木钉尺寸为 ? 5.3×90和? ? 5.3×65，木钉材质为山毛榉，由意大利的BECK公司生产（图1），每颗木钉最多使用一次，不得重复使用。

图1??木钉外形

（3）参考我国GB 50005—2017《木结构设计标准》、欧洲标准 Eurocode 5、美国ASTM 标准Standard test methods for mechanical fasteners in wood ASTM D1761-12，采用双单剪构件，由3个构件组成，中间为主材，两侧为辅材。

每个试件由2颗木钉分别从辅材两侧（边距为35?mm，端距为100?mm）钉入主材进行连接，钉入角度分别为剪–拉TS（shear-tension）30°, 45°, 60°, 75°，纯剪90°，剪–压CS（shear-compression）30°, 45°, 60°, 75°，每组试验重复进行3组获得结果，试件设计如图2所示。

图2??不同钉入角度试件设计示意

（a）试件外形；（b）钉入角度示意

2??试验步骤

在试件上画线，两侧边的辅材沿顺纹方向放在主材离端头7?cm位置，在辅材上画出钉入木钉的位置（即离端头10?cm，离测边距3.5?cm）；木钉表面经清洁后装入木钉枪，待空压机压力升至0.8?MPa时连接空压机与木钉枪；用夹具固定试件后画出角度辅助线，再以不同角度钉入木钉并编号，木钉钉入的试件应避开节子、树脂道、裂缝等，以保证试验结果的精确。

将钉入木钉的SPF试件放到万能力学试验机上，以2.5?mm/min的加载速度匀速加载，记录的拉力最大荷载即为木钉斜接SPF的抗剪切力值，试验进行到节点完全破坏后停止，绘制荷载–位移曲线图。试验过程如图3所示。

（b）

（c）

（d）

图3??试件组装示意

（a）示意1；（b）示意2；（c）示意3；（d）示意4

3??试验结果与分析

3.1??试件破坏模式

按顺纹方向劈开主材和辅材发现木钉均能很好地嵌入试件中，木钉与试件结合紧密，木钉取出时还携有许多木材的碎屑。大多数木钉在主材与辅材接触的位置发生断裂，有的是两处断裂，有的一处断裂，钉槽并无明显变化，由于TS45°的木钉钉入时与木纹的夹角较小，嵌入主材的有效长度不深，在剪拉力时从主材中拔出而使试件失效。各角度破坏形式如图4所示。

（d）         （e）          （f）

（g）        （h）

图4??不同钉入角度的钉子和钉槽

（a）CS30°；（b）CS45°；（c）CS60°；（d）CS75°； （e）TS30°；（f）TS45°；（g）TS60°；（h）TS75°

3.2??试验数据与分析

从表1可知，木钉以不同的角度钉入试件，对木结构节点的承载力、刚度和延性系数均有影响。当节点受到剪压力时，其承载力和刚度普遍比受剪拉力时小；当节点受到剪拉力时，TS45°的承载力、刚度和延性系数较小，而TS60°的承载力最大，为4?206.25?N，刚度也最大，为1?240.22?N/mm，TS75°的承载力比TS75°稍小，为3?970.42?N，但延性系数最大，为2.74。

表1??各组试件的试验平均值

从数据中还可观察到，TS60°~TS75°时，试件的承载力最大，刚度也较大。说明木钉斜接可有效提高试件节点的承载力。

从综合数据看，木钉以TS60°与试件连接具有较高的承载力，具有较高的刚度和很好的延性。因此，木钉以60°钉入试件，受到剪拉力时为最佳角度。

4??结论

本文以剪拉TS30°, 45°, 60°, 75°，以剪压CS30°, 45°, 60°, 75°，纯剪90°等9个不同角度钉入试件进行节点处的剪切试验，试验结果证明，钉入角度为60°试件受到剪拉力时节点的承载力最大，且刚度最大、延性系数较高，因此试件受剪拉力时钉入角度为60°，为最佳角度；钉入75°时的试件也具有较高的承载力、刚度和延性系数。