木结构中新型自攻螺钉连接性能的研究综述

陈 浩 刘志彬 栗生泽 何星蒲

(东北林业大学，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

木结构是目前非常适应绿色建筑的结构之一，其所构成的整体结构性能方面远远优于原木结构体系;同时，相比于混凝土、水泥、钢材等高能耗传统材料，木材又是一种低能耗、无污染的天然可再生材料，其环保性能、绿色节能效果是其他任何建筑材料都无法匹敌的。所以，作为“人类未来之家”的木结构建筑在我国建筑业正处在蓬勃发展的时期。随着政策的支持以及行业的发展，木结构建筑其环保、节能保温、结构安全等方面也将会具有独特的优势。因此现代木结构建筑能更好地顺应我国发展绿色环保、节能减排建筑的理念，具有很大的发展前景［1-5］。新型自攻螺钉连接作为木结构中一种拥有良好受力性能的操作简洁的连接新方法，其连接性能的研究也具有重要意义。

1 新型自攻螺钉简介

新型自攻螺钉是目前国际木结构建筑中性能最优秀的连接件之一，自身具有较强的力学性能，其抗拔性能和抗剪性能都远远优于其他钢钉。而且施工时无需预先钻孔，仅使用扭力足够的电动工具即可快速安装。图1为一种新型木结构自攻螺钉，目前该类型自攻螺钉国内常见直径为6 mm，8 mm和10 mm，长度80 mm～400 mm，国外产品的最大直径可达16 mm，长度可达2 000 mm。

图1 新型自攻螺钉构造图

这种新型自攻螺钉具有以下特点［6］:

1)尖部采用的割尾设计使得安装过程中，螺钉接触木材表面时即可瞬间切断木质纤维，同时降低木质板材开裂的可能性;

2)在螺纹段设置割线，当螺钉旋入木材的过程中有效切断粗密的纤维，方便螺钉的攻入并降低木材劈裂可能性;

3)光杆区域与螺纹区域之间增设斜纹滚花段，加粗了杆径，使螺钉产生较大的扭矩，避免旋入过程中螺钉发生断裂。同时起到了扩孔效果，便于头部的下凸起顺利埋入安装件表面。

这类自攻螺钉材质采用淬火钢且表面经过硬化处理，上述特点使其具有较大的连接锚固能力，其抗拉强度可达1 200 N/mm2，是目前国际木结构建筑中性能最优秀的连接件产品之一，由于自身较强的力学性能，更可将其视为受拉构件。正是由于上述的优异性能，新型自攻螺钉的应用可以更好地推动我国木结构及绿色建筑的发展。

2 新型自攻螺钉连接性能的研究

2.1 拉拔锚固性能的研究

目前在国外的一些与自攻螺钉计算的相关技术文件［7-9］中，其拔出刚度计算公式如下:

在上述公式中，拔出刚度与螺钉的直径(d)以及其有效埋置长度(lef)相关，并没有考虑其他影响因素，比如:新型自攻螺钉与木纹顺纹的夹角。而且，上述公式只考虑单根螺钉抗拔刚度情况，当有多根螺钉同时使用时，其螺钉间距、螺钉排数等因素是否对整体抗拔刚度有影响也并没有考虑在内。此外，在上述公式中，当新型自攻螺钉直径一定时，螺钉拔出刚度与lef在式(1)中为非线性关系，在式(2)中为线性关系。但是当lef过长时，其拔出刚度则不受lef的影响。所以，新型自攻螺钉的拔出刚度公式仍需要进一步的完善。

在国内诸多学者中，倪鸣等［10］针对自攻螺钉在胶合木中的拉拔锚固性能进行了试验研究。通过调整自攻螺钉的锚入深度、直径以及钉入角度等因素，研究不同因素对自攻螺钉拉拔锚固刚度的影响。在对10组共120个胶合木构件(如图2所示)的试验来看，针对花旗松胶合木构件得出的结论为:

1)建议锚固长度为12d(d为自攻螺钉直径);

2)自攻螺钉拉拔锚固刚度随自攻螺钉的直径增大而增大;

3)弦向锚固构件极限拉拔荷载均大于径向锚固构件。

程小武等［11］通过对4组共60个试件进行试验(见图3)，研究了不同锚入深度、倾斜角度对自攻螺钉抗拔能力的影响。试验结果表明，自攻螺钉的抗拔承载力随着锚固深度的增大而变大，同时也随着与木材顺纹方向倾斜角度的增大而变大。

图2 自攻螺钉拉拔锚固性能试验构件示意图

图3 自攻螺钉抗拔能力试验装置示意图

2.2 轴向受力连接

图4 木材轴向受力时的自攻螺钉性能研究示意图

Roberto Tomasi等［12］对自攻螺钉连接的节点进行轴向受力试验(见图4)，研究不同的螺钉旋入角度对节点承载力和刚度的影响并给出此类连接节点的承载力计算公式:

其中，Fv，Rk为平行于剪切面的特征承载力;α为自攻螺钉钉入方向与钉入面垂线间的夹角;Fax，Rk为设计轴向强度;F1，Rk为设计抗剪强度。

试验结果表明，欧洲规范的计算方法没有考虑自攻螺钉的倾角，在受剪—受压载荷的情况下，在安全性方面大多是不利的;相反，在受剪切—拉力载荷的情况下，它在安全性方面是有利的。

2.3 抗弯连接

Ellingsb等［13］通过对长自攻螺钉连接的胶合木悬臂梁进行了试验研究(见图5)。试验结果表明，长自攻螺钉可以提高胶合木悬臂梁的抗弯承载能力，并且能够有效地抑制胶合木悬臂梁横纹的开裂。当自攻螺钉的锚入深度大于800 mm时，其破坏是长自攻螺钉的自身破坏。

图5 长自攻螺钉连接胶合木悬臂梁试验示意图

图6 自攻螺钉加强胶合木梁柱节点试验示意图

何敏娟等［14］通过对4组20个试件进行试验研究(见图6)。试验结果表明:自攻螺钉可以保证节点在大变形下有持续承载的能力;自攻螺钉能够较好地抑制木材横纹的开裂，极大的提高了胶合木梁柱螺栓节点试件的抗弯承载能力。

3 结语

作为连接木结构的一种新型连接件，新型自攻螺钉的螺钉直径、螺钉间距、旋入角度等诸多因素都会影响新型自攻螺钉对木结构的连接作用。国内对于新型自攻螺钉的研究仍处于初级阶段，诸多学者目前多是针对自攻螺钉的拉拔锚固性能进行研究。所以在今后的一段时间内，我们在学习国外有关新型自攻螺钉的技术成果和成功经验的同时，还要加强螺钉直径、螺钉间距、旋入角度等影响因素的研究。此外，也可以将新型自攻螺钉钉入胶合木梁梁底，达到加强胶合木梁受弯性能的目的。在充分研究新型自攻螺钉的相关性能后，出台符合我国实际的新型自攻螺钉加工规范、操作设计规范等。为我国木结构中新型自攻螺钉的使用以及木结构的推广发展起到促进作用。