国产自攻螺钉抗钉帽拉穿强度研究∗

殷天啸 桂 涛 刘艺肖 王志强

（1.南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037； 2.安徽农业大学林学与园林学院，合肥 230036）

近年来，新型木结构连接件和连接方式不断出现，其中，自攻螺钉（Self-tapping screw, STS）由于具有无需预钻孔、抗拉强度高、施工快捷方便等优点，在木结构，尤其是胶合木和正交胶合木构件连接中的应用广泛。国外对于木结构用STS的研究较早，Blass等研究发现，使用STS可以增强木构件横纹方向的承载力[1]。Frese等根据大量试验，通过回归分析给出了适用于针叶材的STS拔出强度计算公式和参数方程[2]。Dietsch等对STS和螺纹杆加强木构件进行相关研究，表明STS可以作为增强构件来承受胶合木构件层板间的应力和剪切应力[3]。目前国内对于STS的研究和应用也越来越多，王志强等对国产STS的机械性能进行测评，获得了国产STS机械性能基础数据[4]。倪鸣等对胶合木STS拉拔锚固性能进行研究，总结了胶合木STS锚固试件的破坏形态，并认为STS抗拔强度随STS直径增加而增大[5]。孙兆洋等对钢板-STS加固残损古建筑木结构直榫节点抗震性能进行研究，认为钢板--STS适合加固强度或刚度明显不足的榫卯节点[6]。刘慧芬等针对STS参数设置对胶合木梁柱节点受力性能的影响进行研究，得出了STS个数、直径、布置间距等参数对胶合木梁柱节点受力性能的影响[7]。

为发挥STS轴向抗拔强度，可采用STS斜向钉入木构件（STS轴向与钉入板面纹理之间的夹角小于90°），但STS钉帽拉穿破坏，是这种斜向连接节点处常见的破坏模式之一。本文主要测试、评价不同直径和钉帽形式的国产STS在加拿大产云杉-松-冷杉（Spruce-Pine-Fir，SPF）规格材和国产重组竹中垂直表面钉入时的抗钉帽拉穿强度和破坏模式，以期为STS在国内木结构构件连接中的推广应用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料

云杉-松-冷杉（Spruce-Pine-Fir，SPF）规格材：平均密度0.45 g/cm3，平均含水率13.39 %，3 600 mm（L）×184 mm（T）×38 mm（R），等级J级，产地加拿大。

重组竹，平均密度1.19 g/cm3，平均含水率5.51%，1 860 mm（L）×1 260 mm（T）×20 mm（R）， 福建驰宇装饰材料有限公司生产。

STS：钉长度160 mm，半螺纹（螺纹长度90mm），6 mm和8 mm两种公称直径，钉帽类型有平头、大扁头、平头加垫圈三种，钉材质为低碳钢，上海檀筑实业有限公司生产。

1.2 试验设备

岛津万能力学试验机，型号为AG-IC，量程100 kN，日本岛津仪器公司生产。

1.3 试验方法

参考欧洲标准EN 1383—2016 “Timber structures -Test methods - Pull through resistance of timber fasteners”和国内行业标准LY/T 2377—2014《木质结构材料用销类连接件连接性能试验方法》中STS抗钉帽拉穿强度测试要求加工SPF和重组竹试件[8-9]，即保持两种材料的厚度不变，将两种材料的宽度和长度都加工为160 mm。在试件表面中心处垂直钉入STS，如图1。

图1 抗钉帽拉穿试件Fig.1 Test specimen of STS head pull-through

采用两种公称直径（6 mm和8 mm），三种头型（平头，大扁头和平头+垫圈，如图2所示），分别在SPF规格材和重组竹材料中进行抗钉帽拉穿试验，具体试件分组如表1，每组试件数量为3个。

根据LY/T 2377—2014进行STS抗钉帽拉穿强度测试。加载方向沿STS轴向，加载速度设置为3 mm/min，在（300±120）s内达到最大荷载Fmax并记录[9]。

图2 钉帽类型Fig.2 Types of the STS heads

表1 试件分组Tab.1 Specimen grouping

根据公式（1）计算STS在SPF规格材和重组竹中的钉帽拉穿强度：

式中：fh——拉穿强度，N/mm2;

Fmax——最大荷载，N；

dh——STS钉帽直径，mm。

2 结果与分析

SPF规格材和国产重组竹试件STS抗钉帽拉穿试验数据和主要破坏模式如表2所示。

2.1 STS抗钉帽拉穿强度

2.1.1 SPF规格材中的抗钉帽拉穿强度

首先比较相同直径，不同钉帽类型的STS在SPF规格材中抗钉帽拉穿强度。由表2可见，钉直径相同时，大扁头钉帽试件的抗钉帽拉穿强度为最大，其次是平头+垫圈钉帽形式的试件，平头钉帽试件的强度最低。直径为6 mm和8 mm的大扁头钉帽试件与相应直径的平头钉帽试件相比，其抗钉帽拉穿强度分别高出21.8%和26.9%。增加垫圈可以有效提升平头钉帽试件抗钉帽拉穿的最大荷载，其抗钉帽拉穿强度比平头钉帽试件的强度分别高18.4%和8.6%。

表2 STS抗钉帽拉穿试验结果Tab.2 Experimental results of STS head pull-through test

当钉帽类型相同时，对于SPF规格材而言，直径较大者钉帽拉穿最大荷载较大，如直径8 mm的平头和大扁头试件钉帽拉穿最大荷载分别比直径6 mm的平头和大扁头试件高20.4%和100.3%。这是由于相同钉帽类型的STS直径较大者，其钉帽直径较大，如直径8 mm的平头和大扁头试件钉帽直径分别比直径6 mm的平头和大扁头试件大22.0%和54.1%。然而，对于钉帽拉穿强度，直径较大的STS相比于直径较小的STS有所减小，如直径8 mm的平头和平头加垫圈试件的钉帽拉穿强度比直径6 mm的平头和平头加垫圈试件分别小23.5%和34.6%。这是由于STS的钉帽拉穿强度是由最大荷载Fmax和钉帽直径的平方dh2共同决定的。

综上，减小钉帽直径有利于抗钉帽拉穿强度的提高，但对抗钉帽拉穿最大荷载具有负面影响。

2.1.2 重组竹中的抗钉帽拉穿强度

本次试验中，6组重组竹试件的STS抗钉帽拉穿强度表现了较大差异。只有1组试件（Bamboo-8-A），即直径8 mm的平头试件，发生了钉帽拉穿破坏，最大荷载达到了23 kN，与相同规格的STS在SPF规格材中的钉帽拉穿最大荷载相比增加了485.5%，钉帽拉穿强度增加了485.6%。这主要是由于重组竹的密度、硬度等性能都比SPF规格材高很多，STS的钉帽拉穿性能与其连接的木质材料物理力学性能有直接的关系[10-12]。

2.2 荷载-位移曲线和破坏模式

2.2.1 荷载-位移曲线

典型的荷载-位移曲线如图3所示 。SPF试件在加载过程中，木材表面逐渐被钉帽压溃，在达到最大荷载的过程中，木材发出被压溃的声响。当钉帽穿透试件表面进入试件内部后，木材出现劈裂等破坏，承载力下降。STS在试验过程中螺纹部分被夹具磨损，出现短暂的滑移，以及木材局部被压溃，导致图像出现抖动，如图3。重组竹试件在试验中出现了多种破坏模式，以螺钉拉断破坏为主，图像的抖动也是由于螺纹被夹具所磨损而出现滑移如图3。

图3 典型荷载-位移曲线Fig.3 Typical load-displacement curves

2.2.2 破坏模式

本次试验中，SPF规格材的18组试件均出现钉帽拉穿破坏现象，如图4所示。钉帽拉穿破坏形式主要是在达到最大荷载时，木材发生劈裂，STS钉帽部分穿过木材表面进入木材内部并导致木材局部压溃，失去承载力。

图4 SPF试件钉帽拉穿破坏Fig.4 STS head pull-through failures in SPF specimens

而重组竹试件中，只有直径8 mm的平头STS试件发生了钉帽拉穿破坏，如图5所示。

图5 重组竹试件钉帽拉穿破坏Fig.5 STS head pull-through failures in reconstituted bamboo specimens

直径为8 mm的大扁头STS在试验中出现重组竹劈裂破坏，此种情况表明连接件充分发挥了其连接性能，自身没有受到破坏，破坏的产生是由于被连接的重组竹材料达到了自身强度极限（图6）。

图6 重组竹试件劈裂破坏Fig.6 Splitting failure of reconstituted bamboo specimens

表3 STS抗拉强度Tab.3 Tensile strength of STS

图7 STS拉断破坏Fig.7 Tensile breaking failure of STS

其余4组重组竹试件均发生了STS被拉断的情况，重组竹表面没有或仅有很细微的压痕（图7）。这表明在重组竹出现钉帽拉穿破坏之前，所施加的荷载达到了STS的抗拉强度极限，故螺钉被拉断。参考 LY/T2059—2012《木结构用钢钉》，对每种STS测试了3个抗拉强度。由表3可知，STS的抗拉强度均大于标准规定（＞600 MPa）[13]。

3 结论

通过测试不同直径、不同钉帽类型的STS在SPF规格材和重组竹中的抗钉帽拉穿强度，得到以下结论：

1）国产STS在SPF规格材中的抗钉帽拉穿强度与钉帽类型和螺钉直径有关。钉直径相同时，STS在SPF规格材中抗钉帽拉穿强度大小次序为：大扁头钉帽试件＞平头+垫圈钉帽形式试件＞平头钉帽试件；当钉帽类型相同时，直径较大者其钉帽拉穿最大荷载较大，钉帽拉穿强度较小。因此减小钉帽直径有利于抗钉帽拉穿强度的提高，但对抗钉帽拉穿最大荷载具有负面影响。

2）STS在SPF中均发生钉帽拉穿破坏，在重组竹中则更易发生螺钉拉断破坏，表明自攻螺钉在重组竹中的钉帽拉穿强度远大于在SPF规格材中强度。