云杉胶合木钢板斜螺钉连接的剪切性能研究

鹿相戎 ，滕启城，2，李哲瑞，3，张晓兰，3，王昕萌，小松幸平，3，阙泽利∗

（1.南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037；2.保国寺古建筑博物馆，浙江 宁波 315033；3.日本京都大学生存圈研究所，宇治6 110011）

随着建筑产业不断向绿色环保发展，木结构建筑作为节能与低碳的象征，其地位也相应水涨船高。当前正不断加大节能建筑材料开发的投入，并促进其广泛应用［1-3］。基于现代木建筑设计“强节点弱构件”的理念，节点设计也是当今木结构研究的重要环节。斜螺钉以其优良的轴向承载能力和安全可靠性，在现代重型木结构构件连接中广泛应用。斜螺钉连接节点中，螺钉同时承受轴向荷载和侧向荷载。目前，涉及斜螺钉连接设计计算公式的规范主要为EN 1995-1-1 “ Design of timber structures-Part 1-1： General -Common rules and rules for buildings”、DIN 1052 “Design of timber structures-General rules and rules for buildings”、BKR 2003“Design regulations of Swedish board of housing，building and planning”、NS 3470-1“Timber structures-Design rules.Part 1：Common rules”、AS1720-1 “ Timber structures Part 1： Design methods”、CNR-DT 206“Istruzioni per il progetto，l'esecuzione ed il controllo delle strutture in legno”以及日本的《木質構造設計規準》。这些规范中大多提出了基于螺钉侧向剪切强度和轴向强度的二次组合公式，从而定义荷载状态下同时受到剪应力和轴应力的螺钉连接承载能力。但是，这种计算方法极大低估了斜螺钉连接的强度，计算模型得出的理论值过于保守。同时，新型结构的自攻螺钉不断发展，具有较强刚度和轴向承载性能的自攻螺钉通常以一个倾斜角度连接木-木构件、钢-木构件等节点，以获得相比于传统连接形式具有更好承载性能的连接节点［4-8］。已有研究也验证了斜螺钉连接显著提升了节点的承载性能，如Wang 等［9］研究了角度和摩擦力对自攻螺钉连接单板层积材承载力及承载刚度的影响。

Bejtka 等［10］提出以Johansen［11］屈服理论中带有塑性铰的破坏模式Ⅲ为理论基础的一种新的设计方法，该方法指出，斜螺钉连接节点的承载能力源于自攻螺钉的轴向抗拔强度和侧向抗力在木构件连接面上的分力，以及由侧向抗力产生的木构件之间的摩擦力。但在计算连接构件的侧向承载能力时，只考虑了木材密度（ρ）和自攻螺钉倾斜度（α），并未将其他参数，如螺钉的几何构型、螺纹结构等考虑在内。而且Bejtka 的设计公式只考虑到螺钉承受剪-拉应力的情况，并未涉及螺钉承受剪-压应力及同时承受剪-压和剪-拉复合应力的情况。

为解决这一问题，采用自攻螺钉连接侧边钢板-胶合木（钢-木）节点，通过改变不同钉入角度，实现剪切单应力、剪-压和剪-拉复合应力，以研究自攻螺钉倾斜角度对节点承载性能的影响。同时对比欧洲木结构设计规范EC5（BSEN 1995-1-1：2004+A2：2014“Eurocode 5： Design of timber structures-Part 1-1： General-Common rules and rules for buildings”）中钢-木节点承载力计算公式和Tomasi［12］木-木斜螺钉连接节点滑移模量计算模型，以期掌握现有斜螺钉连接节点的理论模型，同时更好地预测钢-木斜螺钉连接节点的承载性能。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料包括云杉（Picea glauca（Moench）Voss.）规格材、钢板和自攻螺钉。其中，云杉规格材产自加拿大，J 级，纹理通直，无病虫害，有少量活节，尺寸为38 mm×89 mm×4 000 mm，平均密度为0.469 g／cm3，平均含水率为15.3%。胶合时取用无缺陷试件，制成胶合木后其平均气干密度为0.460 g／cm3，平均含水率为13.5%。美国木结构设计规范“National design specification for wood construction”中规定，除特殊情况或另有说明外，研究单一树种的连接设计值适用于该树种的所有等级，故锯解时不分等级。钢-木剪切性能试验的试件中间为胶合木，两侧为钢板，是通过自攻螺钉连接的三片式单剪结构，如图1a 所示。其中，主材胶合木在工厂胶合成400 mm×360 mm×180 mm 胶合木。自攻螺钉为意大利Rothoblass 公司生产的结构用VGS 9×200 型全螺纹自攻螺钉，其力学性能为：公称外径9 mm、抗拉强度929.05 kN、抗弯屈服强度1 000 MPa、抗弯屈服弯矩27 244.1 N·mm、扭转强度35 N·m。两侧边钢板选用Q235 号钢，其尺寸为480 mm×180 mm×10 mm。

在剪切试验中，自攻螺钉主轴与侧边钢板的夹角为α，垂直于剪切面命名为SS90，向两侧分别偏转30°，45°和60°时，偏向钢板受力方向依次为CS60、CS45 和CS30，偏离钢板受力方向为TS60、TS45 和TS30（CS 为compressive-shear，TS 为tensile-shear），如图1a 所示，共7 组，每组重复3 个试件。由于对钢板与自攻螺钉之间的配合有一定要求，每个角度需有单独的孔位，结合欧洲木结构设计规范EC5 和国家标准GB 50005—2017《木结构设计规范》对销轴类连接件在节点连接中的边距和端距要求，钢板上实际孔位按图2 进行加工。钢板上的孔位与钉子的钉入角度是一致的，可以确保钉入角度的准确性。制备剪切试件时，确定钢板在胶合木中位置后用F夹紧固，在相应角度垫块的辅助下，采用不预钻孔方式直接完全旋入自攻螺钉。

图1 钢-木剪切性能试验原理及斜钉钉入过程Fig.1 Configuration of shear test of steel-glulam joint and the process of driving inclined screw

图2 带角度孔位钢板加工示意图Fig.2 Schematic diagram of inclined holes processing in steel plate

1.2 试验方法

在前期试验研究的基础上，对钢-木剪切试验通过加载获得自攻螺钉相对胶合木的滑移进行研究，分析测试过程中的荷载-滑移曲线，解析不同角度下自攻螺钉连接的力学性能。试验采用独立的加载系统和采集系统（图3）。加载系统为UTM5105 型三思电子万能力学试验机。采集系统包括设置在胶合木四边测量钢板与胶合木间相对位移，量程100 mm 的YWC-100 型位移传感器（精度0.01 mm），以及设置在动横梁上的YBY-50kN型荷载传感器（精度10 N），同时接入TDS530 数据采集仪，采集频率1 Hz。试验时环境温度5～15℃，相对湿度55%～65%。

试验以2.5 mm／min 的恒定速度进行加载，当试件发生突然破坏或荷载下降至80%极限荷载以下时停止加载。测试结束后，沿自攻螺钉钉入的铅垂面劈开胶合木试件，观察不同组剪切试验的自攻螺钉塑性变形和胶合木压溃变形情况。

图3 钢-木斜螺钉连接节点剪切试验Fig.3 Shear test of steel-glulam joint connected by inclined screw

2 结果与分析

2.1 钢-木节点剪切破坏模式

剪-压复合应力、垂直剪切面和剪-拉复合应力情况下，斜螺钉连接钢-木节点的剪切破坏模式以及自攻螺钉的变形情况见图4。在剪-压区，两侧自攻螺钉在其连接胶合木近表面3～5 cm 处，发生接近90°的弯曲变形，钉槽出现明显木材压溃现象，破坏时，自攻螺钉均出现2 个塑性铰，一侧钉头被拉断；垂直剪切面钉入时，自攻螺钉弯曲角度和胶合木承压变形区域均较小，自攻螺钉呈不明显的2 个塑性铰；而在剪-拉区，最终破坏都表现为一侧自攻螺钉被拔出，钉头处发生较小的转动。

图4 不同角度钢-木节点剪切试验典型破坏模式Fig.4 Characteristic failure modes of shear test of steel-glulam joint

2.2 钢-木节点承载滑移模量理论计算模型

自攻螺钉连接钢-木节点承载力直接采用EC5给出的计算公式进行计算，如公式（1）所示。基于Bejtka［13］和Kevarinmäki［14］的设计理论与公式，参考Tomasi 的木-木自攻螺钉连接节点的剪-拉、剪-压复合应力状态下的理论分析模型，对自攻螺钉连接侧边钢板-木节点的刚度进行理论分析。

式中：Kser为单个剪切面中单颗自攻螺钉的滑移模量，N／mm；ρm为木材的平均密度，kg／m3；def为有效自攻螺钉直径，mm；def=1.1dcore，dcore为自攻螺钉螺纹根部直径，mm。

单颗自攻螺钉以α角倾斜钉入钢-木节点中的典型斜螺钉连接形式见图5。图5 中：

式中：Fv，Rk为单个剪切面上单颗自攻螺钉的承载力，N。

考虑到现行标准和研究基础还没有建立完善的斜螺钉承载刚度计算模型，因此主要借鉴Tomasi的分析思路展开。Tomasi 的试验结果表明：剪-压复合时滑移模量并不受倾斜角（α）的影响，滑移模量基本与垂直剪切面时相同。因此，剪-压复合时直接取EC5 给出的垂直剪切面时自攻螺钉节点的滑移模量理论值。但是在剪-压复合时，EC5 中垂直剪切面时的刚度计算模型不能准确评估斜螺钉节点的滑移模量值，因此，采用以下方法进行计算。

图5 斜螺钉连接钢-木节点受力分析Fig.5 Force analysis of steel-glulam joint connected by inclined screws

斜螺钉承受剪-拉复合应力时在剪切面上的变形情况见图6。由图6 可知：

式中：δ为平行于剪切面的自攻螺钉横向位移；δ⊥和δ‖分别为相对于未变形的自攻螺钉位移δ的垂直和平行分量。

图6 斜螺钉连接钢-木节点在剪切面上的变形Fig.6 The deformation in shear plane of steel-glulam joint connected by inclined screws

假设自攻螺钉在正常使用状态下表现为线弹性，可得到如下公式：

式中：Flat和Fax分别为垂直和平行于轴线方向的弹性力；K⊥和K‖分别为横向荷载和抗拔作用的节点刚度。由EC5 中垂直剪切面时的刚度计算模型得到K⊥，而K‖通过抗拔试验得出。

在沿剪切面的外力作用方向上，结合式（1）和（2），考虑侧边钢板与木构件间的摩擦系数（μ），由平衡关系得：

式中：Fser为自攻螺钉承受剪-拉复合应力状态时的合力。将式（6）和（7）代入式（8）得：

而Kser=Fser∕δ，从而可得到：

综上所述，斜螺钉连接钢-木节点的刚度计算公式为：1）当自攻螺钉承受剪-压复合应力并垂直于剪切面时，刚度计算依据EC5 中垂直剪切面时的刚度计算模型获得；2）当自攻螺钉承受剪-拉复合应力时，刚度计算公式为式（10）。

2.3 钢-木节点承载力和安全系数

不同角度斜螺钉连接钢-木节点中单个剪切面中单颗自攻螺钉的极限承载力试验平均值，以及与EC5 纯理论计算值和结合前期胶合木的不同角度抗拔强度和销槽承压强度实测值得到的计算值间的比较如图7 所示。

图7 斜螺钉连接钢-木节点承载力平均试验值与理论值的比较Fig.7 Comparison of mean test values and theoretical bearing capacity of steel-glulam joint with inclined screws

根据公式η=Fmax/ Fv，Rk（Fmax为试验过程中的最大荷载） 计算得到的理论计算模型的安全系数见表1。

表1 依据EC5 计算的安全系数Table 1 Safety factor calculated according to EC5

从图7 中试验值对应的曲线可知，当钢-木节点中自攻螺钉承受剪-压复合应力时，角度变化对其承载力影响不明显，但随着自攻螺钉角度偏转进入剪-拉复合应力时，承载力快速上升，并在30°和45°之间出现最大值。在剪-压复合应力时，EC5 对节点的自攻螺钉承载力纯理论计算值高于试验值，而代入前期试验所得的自攻螺钉抗拔强度和销槽承压强度实测值得到的结果更大。自攻螺钉VGS9×200 的抗拔强度实测值高于EC5 公式计算值，虽然前期试验中胶合木的销槽承压强度实测值低于EC5 中的公式计算值，但在斜螺钉承载节点中，自攻螺钉的抗拔强度对其极限承载力影响更大。剪-压侧的安全系数均小于1，表明采用现行EC5 中的公式计算剪-压节点的极限承载力非常不利，需尽快补充研究剪-压侧承载的实际受力情况及影响因素，推导出安全系数和预测能力更高的计算公式。相比剪-压复合应力，垂直剪切面和剪-拉复合应力情况下，基于EC5 计算公式的安全系数范围为1.30～1.60，而基于抗拔强度和销槽承压强度实测值计算结果的安全系数为1.21～1.39，更接近试验值。因此，斜螺钉连接钢-木节点承受剪-拉复合应力和自攻螺钉垂直于剪切面情况下更安全。

2.4 钢-木节点承载刚度

不同角度斜螺钉连接钢-木节点承载滑移模量的试验平均值与EC5 模型结果和Tomasi 模型结果的对比见图8。现行EC5 中未将自攻螺钉倾斜角度对节点滑移模量的影响体现在计算公式中。从图8 可以看出，在剪-压复合应力区和垂直剪切面钉入时，EC5 的预测结果与试验值吻合度较高，而Tomasi 通过其木-木节点的剪切试验也发现EC5在非剪-拉区的刚度预测较准确，因此在其修正的模型中，直接采用了EC5 原来的方法。但是EC5对剪-拉区的节点滑移模量几乎没有预测性。随着角度的减小，滑移模量试验值呈增大趋势，但在30°时出现降低。根据前述基于Tomasi 模型的斜螺钉连接钢-木节点滑移模量理论计算模型，结合自攻螺钉抗拔试验得出的K‖，在45°～90°计算结果与试验值吻合度极高，证明Tomasi 提出的基于单颗自攻螺钉的抗拔刚度计算节点滑移模量的方法极为有效。对于剪-拉30°情况下试验值与理论模型之间的差别，还需更多试验进一步探明角度较小时的剪-拉节点承载力变化规律。

图8 斜螺钉连接钢-木节点承载刚度平均试验值与理论值的比较Fig.8 Comparison of mean test values and theoretical stiffness of steel-glulam joint with inclined screws

3 结论

通过使用自攻螺钉连接钢-木节点，改变螺钉轴线与剪切面之间的夹角，测试了剪切单应力、剪-压和剪-拉复合应力情况下，斜螺钉连接节点的承载性能，对比了国外规范中的节点承载力模型与滑移模量计算模型对钢-木斜螺钉连接节点承载性能的预测能力，得到了以下结论：

1）自攻螺钉与剪切面之间的角度变化对其在钢-木节点承受剪-压复合应力的承载力影响不明显，但随着自攻螺钉偏转为剪-拉复合应力时，节点承载力明显增大，并在30°～45°获得最大值。

2）在自攻螺钉处于剪-压复合应力状态时，EC5 对节点的自攻螺钉承载力纯理论计算值高于试验值。现行EC5 公式计算剪-压节点的极限承载力非常不安全。

3）EC5 的刚度预测结果在剪-压复合应力区和垂直剪切面钉入时，与试验值吻合度非常高，但对剪-拉区节点的滑移模量没有预测性。

4）将Tomasi 模型应用于斜螺钉连接钢-木节点滑移模量理论计算时，在45°～90°时与试验值吻合度极高。单颗自攻螺钉的抗拔刚度计算节点滑移模量的方法极为有效，具有较高的借鉴意义。