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峨杜
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1 第 38 卷第 5 期 2016 年 9 月南京工业大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNAL OF NANJING TECH UNIVERSITY ( Natural Science Edition) Vol.38 No.5 Sep doi: / j.issn 自攻螺钉在杉木中的抗拔性能试验研究程小武 1, 李银鹏 1, 刘伟庆 1, 陆伟东 1 2, 刘杏杏 (1. 南京工业大学土木工程学院, 江苏南京 ; 2. 南京工大建设工程技术有限公司, 江苏南京 ) 摘要 : 进行了不同倾斜角度不同锚固深度的自攻螺钉在杉木中的抗拔性能试验主要研究自攻螺钉在杉木中的拉拔破坏形态和不同倾斜角度锚固深度对拉拔性能的影响试验结果表明 : 破坏形态分为自攻螺钉拔出破坏和自攻螺钉屈服破坏自攻螺钉的抗拔承载力随着锚固深度与木材顺纹方向倾斜角度的增大而增大 ; 只有锚固深度为 16d(d 为自攻螺钉的直径 ) 时, 试件才会发生自攻螺钉屈服破坏 ; 单考虑倾斜角度的因素, 倾斜角度接近木材横纹方向抗拔性能最好关键词 : 木结构建筑 ; 抗拔承载力 ; 自攻螺钉中图分类号 : TU366 2 文章编号 : (2016) Experimental study on withdrawal capacity of self tapping screws in Chinese fir CHENG Xiaowu 1,LI Yinpeng 1,LIU Weiqing 1,LU Weidong 1,LIU Xingxing 2 (1.College of Civil Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing ,China; 2.Nanjing Gongda Construction Engineering Technology Limited Co.Ltd.,Nanjing ,China) Abstract:The withdrawal capacity of self tapping screw in Chinese fir was investigated by different angles and anchoring depths. The failure mode of self tapping screw in Chinese fir and different angle and the anchoring depth affect the performance of withdrawing were mainly studied. The test results show that: failure modes include self tapping screw pull out and yielding failure of screw. The withdrawal capacity was increased with the increase in anchoring depth and dip angle. The ductile failure of yielding screws occurred with the slenderness ratio of screws up to 16d ( d is the diameter of self tapping screws). Considering angle only,the withdrawal capacity is the best if the screw angle is heading to wood grain direction as close as possible. Key words:timber structure; withdrawal capacity; self tapping screws 自攻螺钉具有轻质高强施工简单价格低廉等特点, 特别是其具有较高的屈服强度抗拉强度抗扭强度等, 逐渐被应用到实际工程中在钢结构领域, 自攻螺钉被广泛应用在轻钢结构的连接处 [1-4] 随着时间的推移, 国内外学者将自攻螺钉应用在木结构中, 利用自攻螺钉进行木结构的连接加固等研究 [5] Tannert 等对燕尾型梁柱节点利用自攻螺钉连接后进行了研究, 采用 3 种方式在榫头打入自攻螺钉, 试验结果表明, 使用 3 种方法的加固都可以明 [6] 显增大榫头的承载力 Tomasi 等通过试验和理论分析得出了自攻螺钉用于木材连接增强了构件结构性能的结论 : 构件的刚度承载力延性都得到 [7] 了提高孙洪锋运用自攻螺钉增强胶合木梁柱收稿日期 : 作者简介 : 程小武 (1970), 男, 上海松江人, 副教授, 主要研究方向为历史建筑保护修缮,E mail: @ qq.com. 引用本文 : 程小武, 李银鹏, 刘伟庆, 等. 自攻螺钉在杉木中的抗拔性能试验研究 [J]. 南京工业大学学报 ( 自然科学版 ),2016,38(5):

2 112 南京工业大学学报 ( 自然科学版 ) 第 38 卷螺栓节点并进行试验, 结果表明自攻螺钉抑制木材的开裂, 且增强后节点的承载力和延性都有明显提 [8] 高 Ellingsbo 等研究了自攻螺钉沿顺纹方向的抗拔性能, 与有限元模拟结果较一致, 并得到抗拔承 [9] 载力计算公式倪鸣等对胶合木自攻螺钉的抗拔锚固性能进行了试验研究, 其研究表明自攻螺钉抗拔承载力随自攻螺钉直径和锚固长度的变大而增大, 锚固长度宜取自攻螺钉直径的 12 倍笔者研究了自攻螺钉在杉木中的拉拔破坏形态和倾斜角度锚固深度对自攻螺钉在杉木中的拉拔性能影响为自攻螺钉在木结构建筑中的加固增强研究奠定基础 1 试验概况 1 1 试件设计本次试验目的是通过设置不同倾斜角度不同锚固深度的自攻螺钉研究倾斜角度锚固深度对自攻螺钉抗拔能力的影响根据 Standard Test Methods for Mechanical Fasteners in Wood ASTM D1761 [10], 进行试件设计本次试验制作 4 组共 60 个试件, 尺寸示意图如图 1 所示 4 组试件按照 4 种倾斜角度分类, 每组又分为 3 个不同锚固深度的小组, 每小组有 5 个试件试件尺寸示意图中 :a b h 分别为试件的长宽高, β 为自攻螺钉与木材顺纹方向 Z 的夹角固深度 ; 试件编号中表示自攻螺钉与木材顺纹方向的倾斜角度, 8d 12d 16d 表示锚固深度材料含水率 / % 表 1 Table 1 顺纹抗压强度 / 杉木材料参数 Details of Chinese fir 顺纹抗拉强度 / 顺纹抗剪强度 / 弹性模量 / GPa 杉木型号表 2 Table 2 强度等级自攻螺钉材料参数 Details of self tapping screws 直径 / mm 屈服强度 / 抗拉强度 / WTS 试验装置与测点布置试验采用 60 t 电液伺服万能试验机, 使用 2 个开槽的钢套筒通过螺纹锚杆和试验机的上下夹头固定加载端和锚固木材端试验采用位移控制, 单调均速加速, 速率为 5 mm / min, 每个试件的加载时间为 3 min, 加载至试件发生破坏或位移加载结束为止荷载由万能试验系统采集, 木材与自攻螺钉之间相对位移由拉线位移计测量, 拉拔试验加载装置及量测装置如图 2 所示 2 结果与分析图 1 试件尺寸示意 Fig.1 Diagram of test specimens 木材种类选择杉木, 性能见表 1 自攻螺钉选用直径 6 5 mm 的 8 8 级碳钢双螺纹自攻螺钉, 螺钉及木材的参数通过材性试验可得 ( 表 2) 试验分组及试件尺寸具体参数如表 3 所示, 其中 d d r 分别为自攻螺钉的直径和预钻孔孔径,l s 为自攻螺钉锚 2 1 试验现象所有试件在试验加载初期, 均没有明显的破坏现象, 由于套筒与锚杆之间有缝隙, 荷载滑移曲线没有明显上升, 随着套筒与锚杆贴合紧密, 荷载滑移曲线开始逐渐上升, 此时自攻螺钉的滑移很小随着位移增大, 荷载滑移曲线上升明显, 此时曲线斜率变大加载至极限荷载时, 试件中有轻微声响, 自攻螺钉被拔出, 此时曲线斜率变小并达到峰值 ; 随着控制位移继续增加, 曲线出现明显下降段并趋于平稳 2 2 试件破坏形态与分析综合所有试件的破坏形态发现, 主要破坏形态是自攻螺钉拔出和自攻螺钉屈服锚固深度在 12d 16d 的部分试件发生自攻螺钉屈服破坏沿顺纹方向 (β = 0 ) 所有试件都发生螺钉被拔出破坏, 木

3 第 5 期程小武等 : 自攻螺钉在杉木中的抗拔性能试验研究 113 表 3 试件尺寸参数 Table 3 Details of test specimens β 试件分组编号 a / mm b / mm h / mm d / mm d r / mm l s / mm 试件个数 0 8d d = ( 顺纹 ) 0 12d d = d d = d d = d d = d d = d d = d d = d d = d d = d d = ( 横纹 ) 90 16d d = 图 2 试验装置 Fig.2 Test device 材破坏不明显, 螺钉上有少许木屑 ; 其他方向的试件出现木材局部被剪切破坏, 尤其在 β = 60 β = 90 时, 木材剪切破坏明显, 破坏形态如图 3 所示图 3 破坏形式 Fig.3 Failure modes 在锚固较短的试件中, 由于自攻螺钉与木材之间的接触面积较小, 木材受到剪切应力大于木材的抗剪强度时, 引起自攻螺钉周围的木材发生破坏, 自攻螺钉在外力作用下被缓慢拔出自攻螺钉出现屈服破坏是由于木材的抗剪强度大于自攻螺钉的屈服强度, 在外力作用下, 自攻螺钉先于木材发生屈服木材出现的剪切破坏, 由于自攻螺钉倾斜角度的不同使得破坏范围不同, 横纹方向时木材剪切范围大, 顺纹方向时剪切范围最小倾斜角度 (β) 不同时, 自攻螺钉周围的木材发生不同程度的剪切破坏根据木材自身的材性, 木材是各向异性材料, 其各个方向的剪切模量不同 ; 同时在木结构设计手册 ( 第 3 版 ) 中指出, 木材的剪切模量与顺纹弹性模量的比值可近似按式 (1) 取值 G LR ìï 0 05 ï E L ï ïg LT í (1) ï E L ï G RT ï î E L 式中 :G LR 为 LR 平面内剪切模量,G LT 为 LT 平面内剪切模量,G RT 为 RT 平面内剪切模量,E L 为顺纹方向弹性模量由此可知, 在相同变形的情况下, 自攻螺钉与木材顺纹方向的夹角越大, 其对应方向木材的剪切模量越大, 同时木材受到的剪应力越大 2 3 荷载滑移曲线荷载滑移曲线直观反映出在相对位移的变化下自攻螺钉受到的荷载变化趋势以及极限荷载各组试件的荷载滑移曲线如图 4 所示

4 南京工业大学学报自然科学版１１４第３８卷图４荷载滑移曲线Ｆｉｇ４Ｌｏａｄｖｅｒｓｕｓｓｌｉｐｃｕｒｖｅｓ由图４可以看出试件在试验加载开始阶段曲表４极限荷载Ｔａｂｌｅ４Ｕｌｔｉｍａｔｅｌｏａｄｓ线有小段没有明显上升随着加载位移的增加荷载滑移曲线开始明显上升曲线斜率变大加载至极限荷载时曲线达到峰值并开始下降或曲线斜率明显变小并达到峰值随着控制位移继续增加曲分组２６５０１６ｄ５９３３０１２ｄ０１２ｄ移值越来越大随着倾斜角度 β 由０３０６０９０３０８ｄ变化对应的极限荷载变大出现极限荷载的位移值也越来越大２４极限荷载分析１０８ｄ线出现明显下降段随着锚固深度由８ｄ１２ｄ１６ｄ变化极限荷载愈来愈大同时出现极限荷载的位试件编号３０１６ｄ６０８ｄ４９５５８６４４２４６３４４５３３６３９１３１４５５２极限荷载进行优选后汇总分析各组极限荷载的９０８ｄ３３８具体数据如表４图５所示根据数据对比发现以下特点９０１２ｄ９０１６ｄ４２６６６０１２ｄ６０１６ｄ３由图４可以看出随着锚固深度倾斜角度的变化极限荷载呈现不同的变化趋势对每组试件的２６４７３２０３４８４７０９５８９６４７０６５５８３８１５３８９８６２４４５１０６３６平均值１９９３９１７７９８８８５４３１３３８４５０６８７３７４３２６３４６７７７８８４７９８５９１８６０１００９５６０３８５７８８９７７

5 第 5 期程小武等 : 自攻螺钉在杉木中的抗拔性能试验研究 115 图 5 极限荷载对比 Fig.5 Comparison of ultimate loads 1) 在同一倾斜角度的情况下, 对极限荷载随锚固深度的变化进行定量分析得到以下结果倾斜角度 β = 0 时, 锚固深度 12d 的极限荷载是 8d 时的 1 77 倍, 锚固深度 16d 的极限荷载是 8d 时的 2 29 倍倾斜角度 β = 30 时, 锚固深度 12d 的极限荷载是 8d 时的 1 33 倍, 锚固深度 16d 的极限荷载是 8d 时的 2 03 倍倾斜角度 β = 60 时, 锚固深度 12d 的极限荷载是 8d 时的 1 62 倍, 锚固深度 16d 的极限荷载是 8d 时的 2 55 倍倾斜角度 β = 90 时, 锚固深度 12d 的极限荷载是 8d 时的 2 05 倍, 锚固深度 16d 的极限荷载是 8d 时的 2 54 倍 2) 在同一锚固深度的情况下, 对极限荷载随倾斜角度的变化进行定量分析得到以下结果锚固深度为 8d 时, 倾斜角度从 0 ~ ~ ~ 90 变化, 平均极限荷载分别增大 39% 2 4% 11 3% 锚固深度为 12d 时, 倾斜角度从 0 ~ ~ ~ 90 变化, 平均极限荷载分别增大 4 4% 24 4% 40 7% 锚固深度为 16d 时, 倾斜角度从 0 ~ ~ ~ 90 变化, 平均极限荷载分别增大 23 1% 28 7% 10 5% 3 结论 1) 自攻螺钉在杉木中的抗拔试验, 其破坏形态主要是自攻螺钉拔出自攻螺钉屈服 ; 自攻螺钉拔出时会引起周围木材出现剪切破坏, 由于自攻螺钉倾斜角度的不同使得破坏范围不同 2) 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在锚固深度相同的条件下, 沿横纹方向的极限荷载最大 ; 当锚固深度达到 16d 时, 倾斜角度从顺纹方向变为横纹方向, 极限荷载依次增大, 且增大的幅度均超过 10% 3) 从单一因素考虑, 自攻螺钉在杉木中的抗拔性能, 当倾斜角度接近木材横纹方向效果最优, 锚固深度在 12d~16d 效果最好建议临界锚固长度取自攻螺钉直径的 12~16 倍, 自攻螺钉倾斜角度宜取 60 ~ 90, 当超过以上范围后, 会出现自攻螺钉屈服破坏参考文献 : [ 1 ] SONG X B,JIANG R,ZHANG W P,et al.compressive behavior of longitudinally cracked wood columns retrofitted by self tapping screws [ J ]. Journal of zhejiang university science A: applied physics&engineering,2015,16(12):964. [ 2 ] BLASS H J,BEJTKA I.Reinforcements perpendicular to the grain using self tapping screws [ C ] Proceedings 8th World Conference on Timber Engineering.Lahti:[ s.n.],2004. [ 3 ] JENSEN J L, NAKATANI M, QUENNEVILLE P, et al. A simplified model for withdrawal of screws from end grain of timber [ J].Construction and building materials,2012,29:557. [ 4 ] KASAL B,GUINDOS P,POLOCOSER T,et al. Heavy laminated timber frames with rigid three dimensional beam to column connections[ J]. Journal of performance of constructed facilities, 2014,28(6):A [ 5 ] TANNERT T, LAM F. Self tapping screws as reinforcement for rounded dovetail connections [ J]. Structural control and health monitoring,2009,16(3):374. [ 6 ] TOMASI R, CROSATTI A, PIAZZA M. Theoretical and experimental analysis of timber to timber joints connected with inclined screws[ J].Construction and building materials,2010,24 (9):1560. [ 7 ] 孙洪锋. 自攻螺钉增强木结构螺栓节点承载力性能研究 [ D]. 南京 : 南京工业大学,2014. [ 8 ] ELLINGSBO P, MALO K A. Withdrawal capacity of long self tapping screws parallel to grain direction[ C] Proceedings 11th World Conference on Timber Engineering. Auckland: [ s. n.],2012. [ 9 ] 倪鸣, 陆伟东, 路奎, 等. 胶合木自攻螺钉拉拔锚固性能试验研究 [J]. 结构工程师,2015,31(2):175. [10] RAMMER D R.Standard test methods for mechanical fasteners in wood:astm D1761[ S].West Conshohocken:ASTM,2000. ( 责任编辑陈怡 )

708 北京工业大学学报 2011 年以往的试验结果进行对比, 选取 15D 20D 作为对比参数, 试件参数见表 1. Fig. 1 图 1 试件尺寸及配筋图 ( mm) Geometry and reinforcement

708 北京工业大学学报 2011 年以往的试验结果进行对比, 选取 15D 20D 作为对比参数, 试件参数见表 1. Fig. 1 图 1 试件尺寸及配筋图 ( mm) Geometry and reinforcement 第 37 卷第 5 期 2011 年 5 月北京工业大学学报 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol. 37 No. 5 May 2011 植筋钢筋混凝土锚固构件抗震性能试验研究邓宗才 1, 钟林杭 1, 张永方 1, 曾洪超 1 2, 范世平 ( 1. 北京工业