圆钢钉和自攻螺钉钉入角度对规格材握钉力性能的影响*

滕启城 王菲彬 阙泽利 曾 楠

(1. 南京林业大学材料科学与工程学院 南京 210037； 2. 南京林业大学风景园林学院 南京 210037； 3. 保国寺古建筑博物馆 宁波 315033)

销轴类连接是现代木结构建筑应用最广泛的连接方式，而钉是木结构中出现最早也是最常见的一种金属连接件，因具有连接紧密、操作方便和耗能能力强等优点在木结构中普遍使用(阙泽利等， 2014a； 费建波等， 2010； 常程等， 2019)，如用于屋面与楼面木龙骨间的连接、结构板材与搁栅间的连接、剪力墙的蒙皮结构、墙面挂板的铺装、施工时临时支撑的固定等(陈恩灵， 2008)。通常，钉都是以90°垂直钉入被连接件，但在一些特殊场合，如轻型木结构中墙骨柱采用斜圆钢钉与底板相连(图1a)，或采用斜自攻螺钉与顶梁板相连(图1b)，自攻螺钉钉长最长可达1 m。美国木结构设计规范(NDS)最早根据试验测得的握钉力强度极限值，提出了基于木材密度、钉直径和钉入深度的普通圆钢钉和木螺钉等握钉力设计值计算公式(ANSI/AF&PA NDS—2005)。我国国标规定了关于木材圆钢钉握钉力试验方法和人造板材的自攻螺钉握钉力试验方法，但未对不同角度的木材螺钉握钉力测试和计算方法提出明确要求。

图1 木结构建筑中斜螺钉连接实例Fig.1 Example of inclined nails and self-tapping screws used in timber structure

钉连接节点可分为垂直于钉轴线的侧向剪力和平行于钉杆的拔出力2个方向上的承载(陈恩灵等， 2008)，握钉力是衡量钉连接性能的重要指标之一，多年来，国内外许多学者对钉入深度、钉直径、钉表面形状及放置时间和环境等参数对握钉力的影响开展了大量试验研究(Thomas， 1997； Douglasetal.， 2001； 2004； Bejtka， 2006； Freseetal.， 2010； 阙泽利等， 2014b)。欧洲木结构规范(BS EN 1995-1-1:2004)提供了一个握钉力关于钉入角度的设计值计算公式(BS EN 1995-1-1:2004)，但国内外针对相对木纤维的钉入角度对握钉力性能的影响试验研究较少。鉴于此，本研究以木结构中常用的落叶松(Larixgmelinii)和白云杉(Piceaglauca)规格材为对象，研究不同钉入角度、木材密度和木材径、弦向对握钉力性能的影响，以期为木结构钉连接设计提供更完善的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

落叶松规格材产地俄罗斯，其纹理通直，有部分活节，尺寸为38 mm×89 mm×4 200 mm，平均密度为0.657 g·cm-3，平均含水率为16.4%； 白云杉规格材产地加拿大，其纹理通直，有少量活节，尺寸为38 mm×89 mm×4 000 mm，平均密度为0.469 g·cm-3，平均含水率为15.3%。参考《木质结构材料用销类连接件连接性能试验方法》(LY/T 2377—2014)中对握钉力试件尺寸的规定，从2种规格材上顺纹截取150 mm长无瑕试件。圆钢钉为普通低碳圆钢钉，依据《木材握钉力试验方法》(GB/T 14018—2009)要求，钉型选取为Φ2.5 mm×50 mm，钉杆光滑，表面无锈迹、无缺失、钉尖挂铁或弯曲等缺陷； 螺钉选用如图2所示十字沉头型自攻螺钉，表面镀锌。

图4 多角度握钉力试验夹持装置示意(左)与实物(右)Fig.4 Device for withdrawal strength test with multi angles schematic(left)and photo(right)

图2 握钉力测试用自攻螺钉Fig.2 Self-tapping screws used in withdrawal testl: 长度Length(50 mm)； dh: 钉帽直径Head diameter(7.1 mm)； d1: 螺纹内径Inner thread diameter(3.0 mm)； d2: 螺纹外径Outer thread diameter(4.0 mm)； P: 螺纹间距Screw pitch(1.65 mm)； y: 不完整螺纹长度Length of incomplete thread(4.6 mm).

1.2 试件制备

如图3所示，与木纤维分别成90°(横纹)、60°、45°和0°(顺纹)钉入自攻螺钉和圆钢钉。每个试件仅测试同一角度2颗钉，钉的间距和边距依据《木质结构材料用销类连接件连接性能试验方法》(LY/T 2377—2014)规定: 顺纹方向上间距和边距不小于10d，横纹方向上不小于5d。自攻螺钉钉入时不预钻引导孔，直接用螺丝刀手工拧入30 mm，圆钢钉采用锤子手工匀速钉入30 mm。钉入前，采用游标卡尺(精度为0.02 mm)测量钉的直径和长度。一钉一测，即钉入一颗圆钢钉或自攻螺钉在10 min内完成握钉力测试，再在试样的下一个位置钉入下一测试钉，且每次钉入后测量钉的外露长度，以精确计算钉入深度。

图3 不同角度钉入自攻螺钉(左)和圆钢钉(右)示意Fig.3 Schematic diagram of screws(left)and nails(right)driven with different angles

1.3 试验方法

采用最大荷载为100 kN的岛津万能力学试验机(型号AG-10C)，测试时环境温度20～25 ℃，相对湿度35%～45%。因《木结构握钉力试验方法》(GB/T 14018—2009)和《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》(GB/T 17657—2013)仅提供了垂直钉入试件的握钉力测试和夹持装置，并不能测试斜角钉入时的握钉力，因此本研究根据试验要求，自主设计了一套多角度握钉力试验夹持装置(阙泽利等， 2017)，如图4所示，其中α为钉入角度。测试时，先调整好圆盘角度，使钉保持竖直方向，握紧钉头后以3 mm·min-1的速度均匀加载，1～2 min内将钉子拔出。记录最大荷载，按照式(1)计算试件的握钉力，精确至0.01 N·mm-1:

P=Pmax/L。

(1)

式中:P为试件的握钉力(N·mm-1)；Pmax为最大荷载(N)；L为钉入深度(mm)。

2 结果与分析

2.1 试验结果

对落叶松和白云杉规格材进行不同钉入角度的握钉力试验，结果如表1、2所示。

表1 落叶松和白云杉自攻螺钉握钉力试验结果①Tab.1 The screw withdrawal strength of larch and spruce

①括号内数值为标准差。下同。 The values in paretheses are standard deviations.The same below.

表2 落叶松和白云杉圆钢钉握钉力试验结果Tab.2 The nail withdrawal strength of larch and spruce

2.2 试验现象

圆钢钉以不同角度钉入规格材时，仅少数硬度较大的落叶松弦切面上出现轻微开裂现象(图5a)，被拔出过程中没有明显现象，钉子完全拔出后，规格材表面仍保持平整，钉杆仍笔直光滑，没有黏附木纤维(图5b)。

图5 圆钢钉和自攻螺钉钉入和拔出中的现象Fig.5 The phenomena during nailing and pull-out process of round nails and screws

由于没有预导孔，自攻螺钉以不同角度拧入时略显困难，少数落叶松试件横纹面出现轻微开裂(图5c)，拔出时可观察到明显的木纤维黏附在自攻螺钉上被一同拔出，完全拔出后，规格材横纹面上钉孔周围鼓起(图5d)。从横纹面拔出的钉杆表面裹一层絮状木纤维，易脱落，端面拔出的钉杆表面裹一层束状木纤维，紧密不易脱落。

图6 不同角度下钉尖部位剖视Fig.6 The section view of tips position under different angles

图6所示为2种规格材不同钉入角度握钉力测试后靠近钉尖位置钉槽剖面图。结合表1和表2，落叶松和白云杉的年轮宽度在1.0～1.9 mm之间，落叶松晚材率为25%～38%，白云杉晚材率为23%～42%，圆钢钉直径2.5 mm和自攻螺钉直径4.0 mm均大于2种木材的年轮宽度，所以钉入点均在年轮上。圆钢钉钉槽内壁光滑，且整个钉入和拔出过程中仅在钉径2.5 mm范围内的木纤维受到明显挤压破坏。横纹面上自攻螺钉钉孔在2倍钉径8.0 mm范围内木纤维发生明显变形，且越靠近表面范围越大，而端面上自攻螺钉被拔出后除在平整的槽内留下明显的螺钉刻痕外，钉径4.0 mm范围外木纤维没有明显破坏现象。

2.3 不同钉入角度时抗拔荷载-位移关系

相同角度相同钉型时，落叶松和白云杉荷载-位移曲线的规律均较一致(图7)。由于落叶松密度大于白云杉，因此落叶松荷载-位移曲线均高于白云杉。90°圆钢钉拔出时，荷载-位移曲线呈线性，达到最大力后并没有立即下降，而是表现为明显的延性，呈线性缓慢降低，随着钉入角度逐渐减小，荷载最高点处出现越来越明显和尖锐的峰； 0°时荷载达到最大力后骤然降低，因为拔钉时钉杆挤压周围木材，形成一定摩擦力，在达到极限强度前握钉力主要由抵抗静摩擦力产生，静摩擦力最大时握钉力达到极限，随着位移继续增大，静摩擦力转变为动摩擦力，动摩擦力逐渐减小到一定程度后又转变为静摩擦力，逐渐增大，在静摩擦力和动摩擦力的转换中，荷载-位移曲线上下波动，但由于钉杆与木材间的接触面减少，握钉力整体呈下降趋势。90°钉入自攻螺钉时，曲线线性增长，达到最大力后缓慢下降，形成一个圆钝的峰，但随着钉入角度减小，峰逐渐变得尖锐，与圆钢钉握钉力峰随角度变化规律相同，且钉入角度越小，曲线下降过程中出现更多矮峰。落叶松对自攻螺钉握钉力的刚度略大于白云杉。

图7 不同角度圆钢钉和自攻螺钉的荷载-位移曲线Fig.7 The load-displacement curve of screws and nails with different angles

2.4 钉入角度对握钉力的影响

随着钉入角度减小，落叶松和白云杉圆钢钉的握钉力均呈先增大后减小的趋势，且0°时握钉力小于90°，与顺纹方向上圆钢钉握钉力小于横纹方向上的规律一致(图8)。落叶松和白云杉自攻螺钉的握钉力随着钉入角度减小先减小后增大，0°时握钉力同样小于90°，这是因为当90°钉入规格材时，木材像楔子一样嵌入螺纹的两齿之间，当螺钉拔出时，两齿之间的楔形木材受到剪切破坏，此时剪切力较大。而以0°钉入，即螺钉平行于木纤维，对螺钉产生束缚作用的仅为平行贴近钉杆外侧的少数木纤维，且平行木纤维易完全被螺钉带出，抗拔力主要来自木材顺纹抗剪力。握钉力强度的通用计算公式P=KGaDL(K为经长期荷载、含水率变化等因素调整后的常数，a为密度指数，G为木材密度，D为钉直径，L为钉入深度)，在相同钉型和相同钉入深度条件下，木材密度越大，握钉力越大。试验落叶松规格材密度为0.657 g·cm-3，白云杉密度为0.469 g·cm-3，所以落叶松的握钉力均大于白云杉。

2.5 径、弦面对握钉力的影响

当圆钢钉或自攻螺钉以非0°钉入，即与木纤维不平行时，必然与年轮之间存在一个角度。试验时，根据钉位于径面或弦面来区分与年轮之间的角度，将结果分为2组。3种角度白云杉自攻螺钉的握钉力为径面>弦面，但落叶松没有明显规律； 3种角度落叶松圆钢钉的握钉力为径面<弦面，而白云杉没有明显规律(图9)。可见径面和弦面对握钉力没有直接影响，在握钉力设计值计算时，不需要引入年轮角度调整系数(赵荣军等， 2010)。

图8 不同钉入角度时握钉力的比较Fig.8 Comparison of withdrawal strength at different angles

图9 径面和弦面握钉力的比较Fig.9 Comparison of withdrawal strength in tangential face and radial face

3 结论

与木纤维所成钉入角度发生改变时，圆钢钉和自攻螺钉的握钉力表现出明显变化。由于圆钢钉握钉力来自摩檫力，自攻螺钉握钉力来自剪切力，不同机制使二者产生截然相反的变化趋势。

不同树种木材的握钉力受密度影响产生差异，而达到最大拔出荷载时的位移受钉型影响较大。

自攻螺钉连接构件端面应考虑采用交叉布置等增强方式避免出现轴向抗拔超过极限荷载后的脆性破坏，增强节点承载的安全系数。相比于圆钢钉和传统木螺钉，自攻螺钉有连接强度高、易拆装和可重复使用等优势。针对自攻螺钉连接节点的深入研究有助于完善节点设计体系，避免不合理方式连接构件，对建造更加绿色、环保、安全、经济的木结构建筑有重要意义。