重复钉入次数对花旗松握钉力的影响

岳 孔，程秀才 ，刘伟庆，陆伟东

（1. 南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211800；2. 南京市产品质量监督检验院，江苏 南京 210091）

重复钉入次数对花旗松握钉力的影响

岳 孔1，程秀才2，刘伟庆1，陆伟东1

（1. 南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211800；2. 南京市产品质量监督检验院，江苏 南京 210091）

为准确评价重复钉入次数对花旗松木材握钉力的影响，选用2.60、3.16、3.52和4.14 mm 4种直径的普通低碳镀锌光圆钉和进口花旗松气干材为研究对象，开展了花旗松气干材对光圆钉的重复握钉力变化规律研究。结果表明：花旗松气干材对光圆钉的握钉力与钉直径呈正相关；花旗松气干材对不同直径光圆钉重复握钉力的衰减规律相似；建立的花旗松气干材重复握钉力计算公式能够较好地拟合其重复握钉力。结果可为震后或重复拆装后木材的钉连接剩余强度提供参考。

花旗松木材；光圆钉；重复钉入次数；握钉力

花旗松Pseudotsuga menziesii又称北美黄杉，是北美地区重要的商品材和出口树种[1]。花旗松不仅木材纹理均匀、细致，密度适中，强度大，变异性小，同时具有浅淡的玫红色、纹理美观以及良好的油漆和粘结性能，因而受到工程师和建筑师的青睐[2]。近年来，国际木材资源的需求连年递增，北美花旗松生长迅速且成材早，是全世界大径级锯材来源的树种，也是中国重要的进口材种之一[3]。钉是木结构金属连接件中使用最广泛的一种，早在20世纪30年代北美就开始了木材握钉力试验并提出了基于木材密度、钉直径的握钉力设计值强度极限值。经过多年的应用与研究，对钉入深度、钉直径和形状及使用条件等参数都开展了试验研究[4-8]。我国的《木结构设计规范》(GB 50005-2003)[9]对钉连接做了简单介绍，但在地震等外荷载作用下钉节点会出现拔出—压入的低周反复现象，另外工程中也经常会遇到构件更换、设计调整等问题，因此原位重复钉入后握钉力的衰减规律以及残余握钉力保持率的研究就显得尤为重要。文章以花旗松结构材为研究对象，研究分析木材横纹方向重复握钉力的变化规律，结果可为花旗松气干材光圆钉重复握钉力的安全性评估等提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

花旗松：购于上海龙吴港口岸，北美进口材，平均年轮宽度为1.7～2.5 mm。烘干至含水率为8%～12%，按照文献[9]对钉排列最小间距的要求以及ASTM D 1761: 2000[10]中关于钉排列间矩的要求，截取试件，尺寸为50 mm×50 mm×240 mm，长度为顺纹方向。

光圆钉：购自南京建材市场，为普通低碳镀锌光圆钢钉（以下简称光圆钉），按照文献[9]中关于按构造设计轻型木结构的钉连接要求，选用规格分别为2.6 mm×38 mm、3.1 mm×60 mm、3.5 mm×85 mm和4.1 mm×100 mm（直径×长度）4种钉型，选取用钉钉杆均不弯曲，且无表面缺陷。

1.2 试验方法

花旗松试件在温度为20±2 ℃、相对湿度为（60±5）%的环境下调质至恒质量（间隔6 h的2次质量差低于0.2%），试验也在该环境下进行。测试试件密度并记录。按照《木材握钉力试验方法》(GB/T 14018-2009)[11]的要求钉入光圆钉，钉入深度，30 mm（钉入位置见图1，单位mm），通过万能力学性能试验机测试并记录最大握钉力（见图2）。待光圆钉拔出后，从原位将圆钉再次钉入，进行第2次试验，如此在原位共进行10次钉入－拉拔试验。光圆钉重新钉入时间自上次试验结束控制在5 min内。每组试件数量15个。

图1 重复握钉力试件Fig.1 Samples for replicate nail-holding power

图2 试件加载装置Fig.2 Apparatus for replicate nail-holding power

2 结果与分析

2.1 首次握钉力

花旗松木材对光圆钉的握钉力与时间关系规律的典型曲线见图3。

图3 木材光圆钉握钉力—时间关系曲线Fig.3 The curve of nail-holding power of wood and time

由图3可知，花旗松光圆钉的握钉力—时间曲线可分为3个阶段：第1阶段为花旗松握钉力的线性快速上升阶段；第2阶段为握钉力达到最大握钉力后的震荡阶段，握钉力总体呈下降趋势；第3阶段为握钉力的急速衰减阶段，直至圆钉被拔出。

由于木材在实际使用中不仅有径向的圆钉钉入，还有弦向、半径向等，因此参考[12-14]，采用相邻的径面和弦面握钉力平均值作为握钉力强度值。图4中握钉力为15组沿径向钉入和15组沿弦向钉入的初次握钉力的平均值。

图4 木材首次握钉力与光圆钉直径关系曲线Fig.4 Relationship between fi rst nail-holding power and nail diameter

花旗松光圆钉握钉力的大小取决于钉杆表面与木材纤维之间的摩擦力[15]。光圆钉钉入后，对接触的木材产生机械挤压作用，因此钉拔出时钉杆表面与周围的木材存在摩擦力，在达到摩擦力极限强度前握钉力主要是静摩擦力，随着加载荷载的增大而增大，这个过程中钉杆相对木材位置保持不变，握钉力达到极限值时静摩擦力达到了最大值，继续加载之后随着相对位移的增大其主要握钉力由静摩擦力转变为动摩擦力，此时握钉力强度值为动摩擦系数的函数，与拔钉速度相关。

根据握钉力计算公式[14]。

式中：P为握钉力，kN；D、L分别为钉直径和钉入深度，mm；G为木材绝干密度，g/cm3；a、b为计算常数。

结合本试验边界条件，式(1)可表达为：

式中：P1为花旗松气干材光圆钉首次握钉力，kN；a、b、c为计算常数。

试验范围内，以式(2)为模型，采用Origin软件进行非线性曲线拟合，可得到式(2)中的a、b和c。花旗松气干材首次握钉力与不同直径光圆钉间的关系见图4，其计算公式见式(3)。

2.2 重复握钉力

花旗松木材对不同直径光圆钉的重复握钉力见图5。

图5 花旗松木材重复握钉力变化趋势Fig.5 Relationship between nail-holding power and replicate frequency

由图5可以看出，花旗松的重复握钉力随钉入次数的增加而逐渐减小，随着重复次数的提高，握钉力减小的速度放缓。这是由于木材本身的塑性优于其他建筑材料，第一次钉入时木材内部会沿纵向产生细小裂纹并伴随有部分木纤维断裂，靠近钉孔处的木纤维细胞腔被压扁达到硬化点，稍远处木纤维细胞被弹性压缩；当圆钉拔出后被压扁的细胞不能完全恢复至初始状态，而被弹性压缩的木纤维细胞恢复至初始状态。具体表现为当圆钉拔出后由于木纤维的弹性作用钉孔会恢复至小于钉直径的尺寸。重复钉入后仍有少许木纤维断裂但数量明显减少，木纤维细胞重新被弹性压缩，因此握钉力虽有减少但下降程度减弱。

文献[16]指出，结构抗力随时间的变化是一维或多维非平稳随机过程。为得到结构可靠度实用分析方法，可将非平稳随机过程平稳化。由于结构抗力为衰减函数，且指数型衰减模型最为常用，因此使用n年后的结构其保留抗力函数可表示为：

式中：R(n)为结构在第n年的剩余抗力；R0为结构的初始抗力；k为结构抗力的衰减系数；T为设计使用年限；t为已使用年限。

通过分析，材料在长期使用过程中，其使用功能逐渐降低，即是时间(或使用次数)的衰减函数，与在本试验中花旗松握钉力随着光圆钉重复钉入次数的增加而减小的实质相同。因此，采用指数函数对花旗松木材圆钉重复握钉力规律进行分析。设初始函数关系式为：

式中：ηt为第t次花旗松木材握钉力保持率(%)；T为重复次数；m、n、s为常数。

根据公式（5），利用Origin软件，按照最小二乘法基本原理对花旗松木材重复握钉力保持率进行回归分析，拟合曲线见图5。

因此，试验范围内，花旗松气干材光圆钉的重复握钉力可表达为式(6)：

3 结 论

(1) 大直径圆钉钉入后会在花旗松木材材身产生细小裂缝而影响握钉力，所以建议对3.5 mm直径以上的圆钉在钉入时需开导向孔，否则应考虑由于表面裂缝引起的握钉力的折减。

(2) 花旗松气干材原位钉入同直径圆钉时，握钉力随钉入次数的增加而减小。第一次重复握钉力值约为初次握钉力的80 %，随后减小速度放缓，10次试验后重复握钉力值约为初次的40 %。

(3) 分析并求解了花旗松气干材重复握钉力计算公式，能够较好地预测木材重复握钉力。

[1]Hermann R K, Lavender D P. Douglas fir planted forests [J].New Forests, 1999, 17: 53-70.

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Study of replicate frequency on nail-holding power of Douglas fi r wood

YUE Kong1, CHENG Xiu-cai2, LIU Wei-qing1, LU Wei-dong1
(1. College of Civil Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 211800, Jiangsu, China;2. Nanjing Institute of Product Quality Inspection, Nanjing 210091, Jiangsu, China)

To evaluate the effect of replicate frequency on nail-holding power accurately, Douglas fi r wood and 2.60 mm, 3.16 mm, 3.52 mm and 4.14 mm diameter low carbon galvanized smooth nail were taken as tested objects, and the replicate nail-holding power was conducted and analyzed. The results showed, the nail-holding power was proportional to the diameter of smooth nail; the decreased trend of replicate nail-holding power with different nail’s diameter was similar, and the calculation formula can fi t the replicate nail-holding power. The results can provide and be used as reference for evaluating residual strength of nail connection after the earthquake and disassembly and assembly of timber structure.

Douglas fi r wood; smooth nail; replicate frequency; nail-holding power

S791.161；S781.64

A

1673-923X(2016)05-0129-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.05.023

2015-03-17

林业公益性行业科研专项（201304504）；国家自然科学基金（31100418）；江苏省高校自然科学研究项目（14KJB220002）；江苏省质量技术监督局科技项目（KJ155425）

岳 孔，副研究员，博士后； E-mail：yuekong@njtech.edu.cn

岳 孔，程秀才，刘伟庆，等. 重复钉入次数对花旗松握钉力的影响[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(5): 129-132.

[本文编校：谢荣秀]