1、结构用自攻螺钉机械及连接性能 王志强 姚悦 张敬婷 殷天啸 汪可馨 程堃 南京林业大学材料科学与工程学院 上海美固澄梵紧固件有限公司 摘 要： 测试、评价了不同直径、不同长度国产新型自攻螺钉的抗拉强度、抗弯屈服强度、钉入正交胶合木拔出强度和钉帽拉穿强度。试验结果表明:直径 8 mm、长度 120 mm 的自攻螺钉具有较好的抗拉和抗弯屈服强度;直径 6 mm 自攻螺钉的钉帽拉穿强度比直径 8 mm 的自攻螺钉高 25.4%。在本试验条件下, 自攻螺钉的直径、长度、钉入深度和有无预钻孔等因素对自攻螺钉钉入正交胶合木拔出强度的影响都不显著。关键词： 自攻螺钉; 机械性能; 拔出强度; 钉帽拉穿强度;
2、 正交胶合木; 作者简介：王志强 (1978) , 男, 副教授, 博士, 研究方向为工程木产品和木结构建筑, E-mail:wangzhiqiangnj-。收稿日期：2017-10-18基金：国家自然科学基金项目 (31570559) Mechanical and Connection Properties of Self-Taping Screws for StructuresWANG Zhi-qiang YAO Yue ZHANG Jing-ting YIN Tian-xiao WANG Ke-xin CHENG Kun College of Materials Science and
3、Engineering, Nanjing Forestry University; Shanghai Moregood C Abstract： The mechanical and connection properties, i. e. tension strength, bending yield strength, withdraw capacity, and pull through parameter, of self-typing screw ( STS) with various diameters and lengths are tested and evaluated in
4、this paper. The test result shows that the self-typing screws with 8 mm diameter and 120 mm length have better tension and bending yield strengths. The pull through parameter of STS with 6 mm diameter is 25. 4% higher than that of STS with 8 mm diameter. The effect of diameter, length, thread depth
5、and pre-drilled hole/non-pre-drilled hole of STS are not significant in this test.Keyword： self-typing screw; mechanical properties; withdraw capacity; pull-through parameter; cross-laminated timber; Received： 2017-10-18随着国内外正交胶合木 (Cross-laminated timber, CLT) 材料和中高层木结构建筑的快速发展, 一些不同于轻型木结构和普通木结构 (原木屋
6、) 的连接形式, 但适合于 CLT 大尺寸、板类型产品特性的新型连接件及其连接形式随之产生。有代表性的 CLT 构件连接件如新型自攻螺钉 (Self-typing screw, STS) , 其具有自攻头、切削螺纹和表面覆层, 不需要预先钻孔, 使用电动工具即可方便、快捷地安装, 自攻螺钉的特殊螺纹形状使木材不易劈裂, 而且自攻螺钉的抗拉、抗弯等强度都有明显提高。不同类型的自攻螺钉具有不同的直径、长度、螺纹长度和头型, 其中直径分为头部直径 (d Head) 、螺杆直径 (d Shank) 、螺纹直径 (dThead) , 自攻螺钉示意图如图 1 所示1。图 1 自攻螺钉示意图 下载原图目前,
7、 国外对 STS 用于重型木结构 (如胶合木结构和 CLT 结构) 的研究较多, 市场上产品型号齐全, 产品性能参数和连接性能设计值等方面都有较详细的数据2-3。国内在 STS 连接胶合木节点的性能方面也有所研究4-5, 并且随着国内 CLT 的研究、生产和应用的逐渐增多6-11, STS 的生产及其在 CLT 建筑中的应用也逐渐引起重视。然而, 由于新型 STS 在材料、产品长度和直径、螺纹等方面都与普通木螺钉有较大区别, 国内目前还缺少针对 STS 的产品标准、连接件本身机械性能和不同节点连接性能设计值等基础资料。本文以国产 STS为测试对象, 评价其机械和连接性能, 以期为国内相关 ST
8、S 标准制定和产品应用提供参考数据。1 试验材料与方法1.1 试验材料自攻螺钉:两种直径 6 mm 和 8 mm, 两种长度 120 mm 和 140 mm, 半螺纹, 材质为低碳钢, 型号 0078B, 上海美固澄梵紧固件有限公司生产。云杉-松-冷杉规格材 (SprucePineFir, SPF) :加拿大进口, 平均含水率14%, 平均密度 0.42 g/cm, J 等级, 实际尺寸为宽 89 mm, 厚 38 mm, 长 2.0 m。1.2 试验方法1.2.1 抗拉强度测试参考欧洲标准 EN 1383 测试三种类型 STS 的抗拉强度。测量自攻螺钉螺纹内径, 去除自攻螺钉头部 (钉帽)
9、, 用夹具夹紧试件, 加载速度 0.5 mm/min, 试验至试样拉断, 记录最大荷载并观察破坏形式12。每种类型螺钉的试件数量为 10个。1.2.2 抗弯屈服强度测试参考 LY/T 2059-2012 测试三种类型 STS 的抗弯屈服强度。采用跨中加载的三点弯曲试验方式, 支座间距为 11.5 倍的钉杆直径。经测量, 公称直径分别为 8 mm、6 mm 的自攻螺钉杆部直径分别为 5.72 mm 和 4.26 mm, 因此这两种 STS 的支座间距分别为 66 mm 和 49 mm。加载速度 3 mm/min13, 每种类型螺钉的试件数量为 10 个。自攻螺钉抗弯屈服强度的计算公式为:式中:F
10、 yb为抗弯屈服强度 (MPa) ;S 为自攻螺钉塑性截面模量 (mm) ;M y为自攻螺钉承受的弯矩 (Nmm) 。1.2.3 钉帽拉穿强度测试图 2 所示为抗钉帽拉穿试验装置。参考 LY/T2377-2014 测试三种类型 STS 抗钉帽拉穿强度, 将 STS 从正方形 SPF 材料中心穿过 (SPF 厚度 16 mm, 边长 89 mm) , 匀速加载至自攻螺钉拉穿木构件, 加载速度为 3 mm/min14, 每种类型螺钉的试件为 10 个。拉穿强度的计算公式为:式中:F h为拉穿强度 (MPa) ;F max为最大荷载 (N) ;d h为自攻螺钉钉帽直径 (mm) 。图 2 抗钉帽拉穿
11、试验装置 下载原图1.2.4 钉入 CLT 拔出强度测试图 3 所示为自攻螺钉钉入 CLT 拔出强度试件及试验装置。参考 LY/T 2377-2014测试 STS 钉入 CLT 的拔出强度。改变钉入深度、自攻螺钉长度、直径 (螺纹外径) 和是否有预钻孔等参数, STS 钉入 CLT 参数见表 1。将 STS 钉入长 162 mm、宽 89 mm、厚 114 mm 的 3 层 SPF 正交胶合木, STS 钉入木构件深度在 8 d (d 为钉公称直径) 和 20 d 之间, 边距大于 5 d。以 5 mm/min 匀速加载拔出自攻螺钉, 记录最大荷载, 每种类型试件数量为 5 个。拔出强度的计算
12、公式为:式中:f w为拔出强度 (MPa) ;F max为最大荷载 (N) ;d 为自攻螺钉直径 (mm) ;l p为自攻螺钉拧入 CLT 的深度 (mm) 。表 1 STS 钉入 CLT 参数 下载原表 图 3 钉入 CLT 拔出强度试件及装置 下载原图2 试验结果与分析2.1 STS 抗拉强度、抗弯屈服强度和钉帽拉穿强度三种 STS 抗拉强度、屈服强度和钉帽拉穿强度测试值见表 2。从表 2 可以看出, STS-8-120 型 STS 的抗拉和抗弯屈服强度最高, 分别比 STS-8-140 型和 STS-6-140 型高 28.8%、7.89%和 10.1%、8.33%。LY/T 2059-
13、2012 中规定, 用于木结构的结构用钢钉抗拉强度最小为 600 MPa, 当钉杆直径 4.50 mmd6.45 mm 时, 钢钉抗弯屈服强度应大于 550 MPa。可以看出, 本次试验采用的三种类型自攻螺钉的抗拉强度和抗弯屈服强度都超出了标准要求。对于钉帽拉穿最大荷载, 较大直径 STS 的钉帽拉穿最大荷载相对较大, 如 8 mm直径的 STS 平均钉帽拉穿最大荷载比 6 mm 直径的高 25.4%。而对于钉帽拉穿强度, 直径较小的 6 mm STS 试件值高于直径 8 mm 的 STS 试件, 相同直径两种STS 的值差别不大。EN1995 中认为钉帽拉穿强度只与试件材料有关15, 对 3
14、组试件的钉帽拉穿强度进行单因素方差分析, 结果表明 STS 钉的长度和直径对钉帽拉穿强度影响不显著。试验中自攻螺钉的拉伸破坏区域大多集中在螺纹段, 这主要是由于该部位的直径最小, 最容易发生破坏, 自攻螺钉的拉伸破坏如图 4 所示。抗弯屈服强度试验后, 自攻螺钉的抗弯屈服变形及破坏如图 5 (a) 、图 5 (b) 和图 5 (c) 所示。表 2 STS 抗拉强度、抗弯屈服强度和钉帽拉穿强度测试值 下载原表 图 4 自攻螺钉拉伸破坏 下载原图图 5 自攻螺钉抗弯屈服变形及破坏 下载原图2.2 STS 钉入 CLT 拔出强度STS 钉入 CLT 拔出强度见表 3。比较 A 类与 B 类试件 (钉
15、长度不同) , 较小长度的 STS 拔出强度要高 10.8%;比较 A 类与 C 类试件 (钉公称直径不同) , 公称直径 6 mm 的自攻螺钉比公称直径 8 mm 的拔出强度要高 25.6%;比较 A 类与 D 类试件 (钉入深度不同) , 由于两种试件钉入深度都在螺纹段内, 因此两者拔出强度差别很小;比较 A 类与 E 类试件 (是否有预钻孔) , 单因素方差分析表明, 是否预钻孔对 STS 的拔出强度影响不显著。EN1995 中规定, 当木材密度大于 500 kg/m 或螺钉直径超过 8 mm 时, 均需要有预钻孔。表 3 STS 在 CLT 中的拔出强度 下载原表 3 结论通过测试,
16、比较不同直径、长度和钉入深度等因素对 STS 机械性能和连接性能的影响, 可以得到以下结论:(1) 国产 STS 的抗拉强度、抗弯屈服强度平均值均超出目前国内普通结构用钢钉的要求。(2) 钉帽直径较大的 STS, 钉帽拉穿最大荷载较大, 但钉帽拉穿强度相对较小。(3) 本试验条件下, STS 的直径、长度、钉入深度和有无预钻孔等因素对 STS的钉入 CLT 拔出强度影响都不显著。(4) 由于 STS 的材料、螺纹、直径、长度等参数都与目前普通木结构用钢钉不同, 因此有必要建立 STS 的产品标准和确定连接性能设计值等基础数据。参考文献1姚悦, 张敬婷, 周甲林, 等.正交胶合木建筑连接形式及新
17、型自攻螺钉的发展J.林业机械与木工设备, 2017, 45 (9) :4-9. 2Hossain A, Danzig I, Tannert T.Cross-Laminated Timber Shear Connections with Double-Angled Self-Tapping Screw AssembliesJ.Journal of Structural Engineering, 2016, 142 (11) . 3Hossain A, Popovski M, Tannert T.Static and Cyclic Performance of Shear Connections
18、with Self-Tapping-Screws for Cross-Laminated-Timber PanelsC/World Conference on Earthquake Engineering, 16WCEE, 2017. 4刘慧芬, 何敏娟.自攻螺钉参数设置对胶合木梁柱节点受力性能的影响J.建筑结构学报, 2015, 36 (7) :148-156. 5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) :175-179. 6王志强, 罗冬, 郑维, 等.混合结构对正交胶合木剪力墙抗侧性能的影响J.林业工程学报, 2017
19、(2) :145-151. 7王志强, 付红梅, 罗欢, 等.速生杨木横向层正交胶合木滚动剪切性能J.南京工业大学学报:自然科学版, 2016, 38 (5) :116-120. 8王志强, 付红梅, 陈银慧.锯材/单板层积材混合正交胶合木力学性能研究J.中南林业科技大学学报, 2016, 36 (8) :121-124. 9王志强, 付红梅.不同树种木材复合交错层压胶合木的力学性能J.中南林业科技大学学报, 2014, 34 (12) :141-145. 10刘一楠, 郑海威, 刘巍岩, 等.杨木单板层积材力学性能足尺检测试验分析J.森林工程, 2016 (5) :31-34. 11Gong
20、 Y, Wu G, Ren H.Block Shear Strength and Delamination of Cross-Laminated Timber Fabricated with Japanese LarchJ.Bioresources, 2016, 11 (4) :10240-10250. 12Timber structures-Test methods-Pull through resistance of timber fastentersS.European Committee for Standardisation, Brussels Belgium, 2016. 13LY/T 2059-2012, 木结构用钢钉S.2012. 14LY/T 2377-2014, 木质结构材料用销类连接件连接性能试验方法S.2012. 15Design of timber structures-Part 1-1:General-Common rules and rules for buildingsS.European Committee for Standardisation, Brussels Belgium, 2004.
