木結(jié)構(gòu)雙自攻釘協(xié)同抗拔力試驗(yàn)研究

張建興，施 剛，王元清，石永久，黃慧娟，張振宏

（1.清華大學(xué) 土木水利學(xué)院，北京100084；2.北京東方誠(chéng)國(guó)際鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，北京100124）

輕型木結(jié)構(gòu)是由規(guī)格材與木基結(jié)構(gòu)覆面板通過(guò)釘子連接而成的墻體和樓蓋，以及木桁架組成的平臺(tái)式木框架結(jié)構(gòu)。輕型木結(jié)構(gòu)建筑具有環(huán)保、舒適、節(jié)能、施工快捷、構(gòu)造簡(jiǎn)單、節(jié)能美觀、抗震性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)際上歷次地震災(zāi)害調(diào)查均表明，多數(shù)木結(jié)構(gòu)房屋可以承受地震作用，沒(méi)有造成倒塌和嚴(yán)重的人員傷亡。因此在北美和北歐的低、多層建筑中得到廣泛應(yīng)用，其中90%以上的居住建筑（獨(dú)戶、聯(lián)體住宅以及4層以下的公寓），都采用這種結(jié)構(gòu)形式，近年來(lái)在日本、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣等多震害地區(qū)，也得到了大量的應(yīng)用［1］。

輕型木結(jié)構(gòu)的體系，是將小截面構(gòu)件按一定的間距等距離平行排列形成框架，然后在框架外根據(jù)受力需要，包上結(jié)構(gòu)面板，形成建筑物的墻體、樓蓋和屋蓋等基本構(gòu)件。整個(gè)結(jié)構(gòu)體系就是由這些墻體、樓蓋和屋蓋構(gòu)成的箱形建筑體系。作為一種高次超靜定的結(jié)構(gòu)體系，輕型木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通過(guò)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件（框架）和次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件（墻面板、樓面板和屋面板）的共同作用形成［2－3］。

輕型木結(jié)構(gòu)的主要豎向抗側(cè)力構(gòu)件為剪力墻，剪力墻的抗剪能力主要取決于覆面板和墻骨之間釘連接的側(cè)向抗剪性能。在輕型木結(jié)構(gòu)建筑中，剪力墻是抵抗風(fēng)、地震等側(cè)向作用的主要構(gòu)件，其承載力主要由墻骨與覆面板通過(guò)釘連接組成的“蒙皮結(jié)構(gòu)”所提供［4］。釘連接的承載性能是控制剪力墻乃至整個(gè)輕型木結(jié)構(gòu)受力性能的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)釘連接進(jìn)行了深入的研究，文章主要就木結(jié)構(gòu)自攻釘連接的抗拔性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

國(guó)產(chǎn)帶螺紋自攻釘，螺紋規(guī)格ST2.6，實(shí)測(cè)平均釘長(zhǎng)26.5mm，實(shí)測(cè)平均直徑為2.84mm，平均屈服強(qiáng)度為828MPa，平均彈性模量為1.91×105MPa。進(jìn)口木材，產(chǎn)地俄羅斯，實(shí)測(cè)平均含水率為12.5%，平均基本密度為0.41g／cm3，由中國(guó)某現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)制造公司提供。國(guó)產(chǎn)普通木材，實(shí)測(cè)平均含水率為12.7%，平均基本密度為0.42g／cm3，由中國(guó)某現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)制造公司提供。其中木材經(jīng)過(guò)高壓防腐防蛀處理。木材含水率符合《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的有關(guān)要求［5］。此次試驗(yàn)中有2組（每組3試件）共6個(gè)試件，其中試件 A－1、A－2、A－3，為國(guó)產(chǎn)木材，紋路較細(xì)，試件 B－1、B－2、B－3為進(jìn)口木材，紋路較粗。檢測(cè)試件由木塊，鐵籠和受拉鋼筋組成。木塊長(zhǎng)13.7cm，寬7.0cm，厚3.3cm。左孔距邊緣2.0cm，右孔距邊緣2.0cm，兩孔距3.0cm。鋼籠板厚2.0mm。自攻釘釘長(zhǎng)2.65cm。木塊及試件示意圖和實(shí)物圖見(jiàn)圖1、2所示。

圖1 木材材料及自攻釘位置示意圖

圖2 木材材料及試件實(shí)物圖（單位：mm）

主要試驗(yàn)設(shè)備為液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)采用 WE－100B型，最大試驗(yàn)力100kN。荷重傳感器選用BHR－5型，用于量測(cè)荷載量值最大100kN，通道號(hào)1－1。位移計(jì)（10mm）通道號(hào)1－2，位移計(jì)（10mm）通道號(hào)1－3。IMP分散式精密測(cè)量模板采用IPM35951B型。

1.2 試驗(yàn)方法

為使試驗(yàn)條件盡可能接近實(shí)際剪力墻結(jié)構(gòu)的使用和受力特點(diǎn)，在試件制作完成后，在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中放置時(shí)間不少于2周。采用單調(diào)勻速加載直到試件破壞的加載模式，以荷載作為加載控制。長(zhǎng)度和直徑用游標(biāo)卡尺對(duì)木塊及自攻釘進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)加載方案見(jiàn)圖3、4所示。傳感器初始化，記錄初始狀態(tài)，液壓千斤頂緩慢加載，加載速率應(yīng)符合木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 50329－2002）中的有關(guān)要求［6］，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集所有傳感器的數(shù)據(jù)，并選擇力傳感器、夾具處位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，每5s采集一次數(shù)據(jù)，千斤頂加載至自攻釘?shù)目拱瘟咏?后卸載。

圖3 測(cè)量加載情況

圖4 加載和測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

國(guó)產(chǎn)木材和國(guó)產(chǎn)木材試件 A－1、A－2、A－3、B－1、B－2、B－3的全部試驗(yàn)曲線如圖5所示，其破壞形式如圖6，主要表現(xiàn)為：①木板孔處木材撕裂、②自攻釘被拔出，與木材粘結(jié)作用喪失。

圖5 國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口木材試件的荷載位移曲線

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN26891［7］規(guī)定：當(dāng)釘連接試驗(yàn)曲線上最大荷載對(duì)應(yīng)的滑移值≤15mm時(shí)，取該最大荷載值作為Pmax；當(dāng)釘連接試驗(yàn)曲線上最大荷載對(duì)應(yīng)的滑移值＞15mm時(shí)，取15mm滑移值對(duì)應(yīng)的荷載值作為Pmax。釘連接的剛度K取為10%Pmax和40%Pmax兩點(diǎn)間曲線的割線斜率。K＝（P0.4－P0.1）／（S0.4－S0.1），采用以上規(guī)則計(jì)算各類試件平均擬合曲線的Pmax和K值如表1所示。

由于試件是采用兩個(gè)自攻釘共同協(xié)同作用，故兩個(gè)連接釘?shù)暮奢d相同，但位移不一定相同；兩個(gè)自攻釘?shù)暮奢d位移曲線有一定相互關(guān)聯(lián)，故分別求出兩個(gè)自攻釘?shù)倪B接剛度K，同時(shí)為衡量?jī)蓚€(gè)自攻釘?shù)膮f(xié)同工作系數(shù)，取兩個(gè)自攻釘連接剛度的比值為ζ，ζ＝Ki／Kj（Ki＜Kj），ζ的取值范圍為0～1，且ζ越接近于1，則協(xié)同工作效果越好。

圖6 國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口木材試件的破壞形態(tài)

表1 國(guó)產(chǎn)木材單調(diào)加載試驗(yàn)釘連接強(qiáng)度和剛度

表2 進(jìn)口木材單調(diào)加載試驗(yàn)釘連接強(qiáng)度和剛度

1）從表1、表2中可知，每類試件的A型和B型，分別代表與自攻釘連接的木材的材質(zhì)，排除個(gè)別超出平均值的試件，可以看到，A型試件的抗拔承載力與B型試件的抗拔承載力相當(dāng)，其對(duì)試件的Pmax影響并不明顯，即木材材質(zhì)并不明顯影響普通圓釘連接的抗拔承載力性能。

2）A型試件的抗拔承載力與B型試件的抗拔剛度試驗(yàn)結(jié)果具有較大離散性；釘連接剛度與自攻釘與木材的咬合強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)受木材木紋方向的影響，以及計(jì)算釘連接剛度時(shí)應(yīng)計(jì)入剪力作用方向與木材木紋方向的角度影響。

2.3 破壞形態(tài)分析

1）此次試驗(yàn)在試件的T型鋼籠上的自攻釘外側(cè)約距1cm處分別設(shè)置了一個(gè)位移計(jì)，用于測(cè)量自攻釘在受拉時(shí)的荷載與拔出位移關(guān)系的趨勢(shì)，由于構(gòu)件本身的制作初始缺陷及安裝偏差，所測(cè)的位移值在數(shù)值上并不具備參考價(jià)值。

2）從荷載位移變化趨勢(shì)看，能夠推測(cè)出構(gòu)件在受拉時(shí)的受力情況是一側(cè)鋼釘受拉，而另一側(cè)鋼釘提供的拉力近似為0，故而破壞形態(tài)均是一側(cè)鋼釘被拔出后，另一側(cè)鋼釘開(kāi)始承受拉力，兩側(cè)鋼釘在受拉時(shí)并未協(xié)同工作。在位移圖上表示為有一個(gè)位移進(jìn)入峰值平臺(tái)，而另一個(gè)位移值開(kāi)始進(jìn)入較大的上升段。故此次試驗(yàn)測(cè)出的抗拔力數(shù)值應(yīng)與單個(gè)自攻釘與木材的抗拔力的數(shù)據(jù)相近。

2.4 強(qiáng)度影響因素分析

1）首先是螺釘位置不對(duì)中，導(dǎo)致一側(cè)自攻釘受拉力較大，另一側(cè)自攻釘受拉力較小，從而導(dǎo)致兩個(gè)自攻釘不能協(xié)同工作，影響自攻釘抗拔承載力的充分發(fā)揮。

2）另外影響構(gòu)件抗拔力的主要因素是自攻釘與木材的摩擦連接情況，當(dāng)木材中的孔較小，木材與自攻釘?shù)腻^固性能較好，自攻釘被拔出時(shí)帶出的木材纖維較多，而當(dāng)木材的孔較大時(shí)，木材與自攻釘?shù)腻^固較差，自攻釘被拔出時(shí)木材被帶出的木材纖維較少。

3）此外木材的材質(zhì)對(duì)自攻釘?shù)囊灿幸欢ǖ挠绊懀绊懖蝗缜笆鰞烧摺?/p>

3 結(jié) 論

1）釘連接強(qiáng)度主要決定于破壞形式，從文章的試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，雙釘達(dá)到最大荷載時(shí)的位移值相近時(shí)，強(qiáng)度值最高。

2）釘與木材的契入效應(yīng)不足影響自攻釘?shù)目拱纬休d力的發(fā)揮，從試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，承載力較高的木材試件破壞時(shí)，釘子口的木材纖維被拔出，說(shuō)明木與釘?shù)哪Σ烈Ш献饔幂^強(qiáng)，承載力較高。

3）釘連接剛度試驗(yàn)結(jié)果具有較大離散性；試驗(yàn)表明釘連接剛度明顯受墻骨木材木紋方向的影響，計(jì)算釘連接剛度時(shí)應(yīng)計(jì)入剪力作用方向與木材木紋方向的角度影響。

4）自攻釘?shù)目拱瘟?qiáng)度及抗拔剛度的計(jì)算公式尚未給出，需要通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究探討。

［1］陳松來(lái)，陳志勇，樊承謀，等.木結(jié)構(gòu)剪力墻中釘連接的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，47（4）：133－138.

［2］邢繼勝，王元清，陳宏，石永久.美國(guó)多層木結(jié)構(gòu)房屋的應(yīng)用與設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)建筑，2006（Sup1）：1634－1639.

［3］熊俊，石永久，王元清，等.輕型木結(jié)構(gòu)住宅節(jié)點(diǎn)構(gòu)造研究［J］.工業(yè)建筑，2006（Sup1）：1665－1670.

［4］陳志勇，陳松來(lái)，樊承謀，等.木結(jié)構(gòu)釘連接研究進(jìn)展［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2009，25（4）：152－157.

［5］GB／T 50005－2003木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［6］GB／T 50329－2002木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［7］European standard.EN 26891.Timber structures－Jointsmade with mechanical fasteners－general principles for the determination of strength and deformation characteristics［S］.European Committee forStandardization，Brussels，2001.