重復釘入次數(shù)對花旗松握釘力的影響

岳 孔，程秀才 ，劉偉慶，陸偉東

（1. 南京工業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 211800；2. 南京市產品質量監(jiān)督檢驗院，江蘇 南京 210091）

重復釘入次數(shù)對花旗松握釘力的影響

岳 孔1，程秀才2，劉偉慶1，陸偉東1

（1. 南京工業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 211800；2. 南京市產品質量監(jiān)督檢驗院，江蘇 南京 210091）

為準確評價重復釘入次數(shù)對花旗松木材握釘力的影響，選用2.60、3.16、3.52和4.14 mm 4種直徑的普通低碳鍍鋅光圓釘和進口花旗松氣干材為研究對象，開展了花旗松氣干材對光圓釘?shù)闹貜臀蔗斄ψ兓?guī)律研究。結果表明：花旗松氣干材對光圓釘?shù)奈蔗斄εc釘直徑呈正相關；花旗松氣干材對不同直徑光圓釘重復握釘力的衰減規(guī)律相似；建立的花旗松氣干材重復握釘力計算公式能夠較好地擬合其重復握釘力。結果可為震后或重復拆裝后木材的釘連接剩余強度提供參考。

花旗松木材；光圓釘；重復釘入次數(shù)；握釘力

花旗松Pseudotsuga menziesii又稱北美黃杉，是北美地區(qū)重要的商品材和出口樹種[1]?；ㄆ焖刹粌H木材紋理均勻、細致，密度適中，強度大，變異性小，同時具有淺淡的玫紅色、紋理美觀以及良好的油漆和粘結性能，因而受到工程師和建筑師的青睞[2]。近年來，國際木材資源的需求連年遞增，北美花旗松生長迅速且成材早，是全世界大徑級鋸材來源的樹種，也是中國重要的進口材種之一[3]。釘是木結構金屬連接件中使用最廣泛的一種，早在20世紀30年代北美就開始了木材握釘力試驗并提出了基于木材密度、釘直徑的握釘力設計值強度極限值。經過多年的應用與研究，對釘入深度、釘直徑和形狀及使用條件等參數(shù)都開展了試驗研究[4-8]。我國的《木結構設計規(guī)范》(GB 50005-2003)[9]對釘連接做了簡單介紹，但在地震等外荷載作用下釘節(jié)點會出現(xiàn)拔出—壓入的低周反復現(xiàn)象，另外工程中也經常會遇到構件更換、設計調整等問題，因此原位重復釘入后握釘力的衰減規(guī)律以及殘余握釘力保持率的研究就顯得尤為重要。文章以花旗松結構材為研究對象，研究分析木材橫紋方向重復握釘力的變化規(guī)律，結果可為花旗松氣干材光圓釘重復握釘力的安全性評估等提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

花旗松：購于上海龍吳港口岸，北美進口材，平均年輪寬度為1.7～2.5 mm。烘干至含水率為8%～12%，按照文獻[9]對釘排列最小間距的要求以及ASTM D 1761: 2000[10]中關于釘排列間矩的要求，截取試件，尺寸為50 mm×50 mm×240 mm，長度為順紋方向。

光圓釘：購自南京建材市場，為普通低碳鍍鋅光圓鋼釘（以下簡稱光圓釘），按照文獻[9]中關于按構造設計輕型木結構的釘連接要求，選用規(guī)格分別為2.6 mm×38 mm、3.1 mm×60 mm、3.5 mm×85 mm和4.1 mm×100 mm（直徑×長度）4種釘型，選取用釘釘桿均不彎曲，且無表面缺陷。

1.2 試驗方法

花旗松試件在溫度為20±2 ℃、相對濕度為（60±5）%的環(huán)境下調質至恒質量（間隔6 h的2次質量差低于0.2%），試驗也在該環(huán)境下進行。測試試件密度并記錄。按照《木材握釘力試驗方法》(GB/T 14018-2009)[11]的要求釘入光圓釘，釘入深度，30 mm（釘入位置見圖1，單位mm），通過萬能力學性能試驗機測試并記錄最大握釘力（見圖2）。待光圓釘拔出后，從原位將圓釘再次釘入，進行第2次試驗，如此在原位共進行10次釘入－拉拔試驗。光圓釘重新釘入時間自上次試驗結束控制在5 min內。每組試件數(shù)量15個。

圖1 重復握釘力試件Fig.1 Samples for replicate nail-holding power

圖2 試件加載裝置Fig.2 Apparatus for replicate nail-holding power

2 結果與分析

2.1 首次握釘力

花旗松木材對光圓釘?shù)奈蔗斄εc時間關系規(guī)律的典型曲線見圖3。

圖3 木材光圓釘握釘力—時間關系曲線Fig.3 The curve of nail-holding power of wood and time

由圖3可知，花旗松光圓釘?shù)奈蔗斄Α獣r間曲線可分為3個階段：第1階段為花旗松握釘力的線性快速上升階段；第2階段為握釘力達到最大握釘力后的震蕩階段，握釘力總體呈下降趨勢；第3階段為握釘力的急速衰減階段，直至圓釘被拔出。

由于木材在實際使用中不僅有徑向的圓釘釘入，還有弦向、半徑向等，因此參考[12-14]，采用相鄰的徑面和弦面握釘力平均值作為握釘力強度值。圖4中握釘力為15組沿徑向釘入和15組沿弦向釘入的初次握釘力的平均值。

圖4 木材首次握釘力與光圓釘直徑關系曲線Fig.4 Relationship between fi rst nail-holding power and nail diameter

花旗松光圓釘握釘力的大小取決于釘桿表面與木材纖維之間的摩擦力[15]。光圓釘釘入后，對接觸的木材產生機械擠壓作用，因此釘拔出時釘桿表面與周圍的木材存在摩擦力，在達到摩擦力極限強度前握釘力主要是靜摩擦力，隨著加載荷載的增大而增大，這個過程中釘桿相對木材位置保持不變，握釘力達到極限值時靜摩擦力達到了最大值，繼續(xù)加載之后隨著相對位移的增大其主要握釘力由靜摩擦力轉變?yōu)閯幽Σ亮?，此時握釘力強度值為動摩擦系數(shù)的函數(shù)，與拔釘速度相關。

根據(jù)握釘力計算公式[14]。

式中：P為握釘力，kN；D、L分別為釘直徑和釘入深度，mm；G為木材絕干密度，g/cm3；a、b為計算常數(shù)。

結合本試驗邊界條件，式(1)可表達為：

式中：P1為花旗松氣干材光圓釘首次握釘力，kN；a、b、c為計算常數(shù)。

試驗范圍內，以式(2)為模型，采用Origin軟件進行非線性曲線擬合，可得到式(2)中的a、b和c?；ㄆ焖蓺飧刹氖状挝蔗斄εc不同直徑光圓釘間的關系見圖4，其計算公式見式(3)。

2.2 重復握釘力

花旗松木材對不同直徑光圓釘?shù)闹貜臀蔗斄σ妶D5。

圖5 花旗松木材重復握釘力變化趨勢Fig.5 Relationship between nail-holding power and replicate frequency

由圖5可以看出，花旗松的重復握釘力隨釘入次數(shù)的增加而逐漸減小，隨著重復次數(shù)的提高，握釘力減小的速度放緩。這是由于木材本身的塑性優(yōu)于其他建筑材料，第一次釘入時木材內部會沿縱向產生細小裂紋并伴隨有部分木纖維斷裂，靠近釘孔處的木纖維細胞腔被壓扁達到硬化點，稍遠處木纖維細胞被彈性壓縮；當圓釘拔出后被壓扁的細胞不能完全恢復至初始狀態(tài)，而被彈性壓縮的木纖維細胞恢復至初始狀態(tài)。具體表現(xiàn)為當圓釘拔出后由于木纖維的彈性作用釘孔會恢復至小于釘直徑的尺寸。重復釘入后仍有少許木纖維斷裂但數(shù)量明顯減少，木纖維細胞重新被彈性壓縮，因此握釘力雖有減少但下降程度減弱。

文獻[16]指出，結構抗力隨時間的變化是一維或多維非平穩(wěn)隨機過程。為得到結構可靠度實用分析方法，可將非平穩(wěn)隨機過程平穩(wěn)化。由于結構抗力為衰減函數(shù)，且指數(shù)型衰減模型最為常用，因此使用n年后的結構其保留抗力函數(shù)可表示為：

式中：R(n)為結構在第n年的剩余抗力；R0為結構的初始抗力；k為結構抗力的衰減系數(shù)；T為設計使用年限；t為已使用年限。

通過分析，材料在長期使用過程中，其使用功能逐漸降低，即是時間(或使用次數(shù))的衰減函數(shù)，與在本試驗中花旗松握釘力隨著光圓釘重復釘入次數(shù)的增加而減小的實質相同。因此，采用指數(shù)函數(shù)對花旗松木材圓釘重復握釘力規(guī)律進行分析。設初始函數(shù)關系式為：

式中：ηt為第t次花旗松木材握釘力保持率(%)；T為重復次數(shù)；m、n、s為常數(shù)。

根據(jù)公式（5），利用Origin軟件，按照最小二乘法基本原理對花旗松木材重復握釘力保持率進行回歸分析，擬合曲線見圖5。

因此，試驗范圍內，花旗松氣干材光圓釘?shù)闹貜臀蔗斄杀磉_為式(6)：

3 結 論

(1) 大直徑圓釘釘入后會在花旗松木材材身產生細小裂縫而影響握釘力，所以建議對3.5 mm直徑以上的圓釘在釘入時需開導向孔，否則應考慮由于表面裂縫引起的握釘力的折減。

(2) 花旗松氣干材原位釘入同直徑圓釘時，握釘力隨釘入次數(shù)的增加而減小。第一次重復握釘力值約為初次握釘力的80 %，隨后減小速度放緩，10次試驗后重復握釘力值約為初次的40 %。

(3) 分析并求解了花旗松氣干材重復握釘力計算公式，能夠較好地預測木材重復握釘力。

[1]Hermann R K, Lavender D P. Douglas fir planted forests [J].New Forests, 1999, 17: 53-70.

[2]陳太安,王昀昕,龐樹聲,等. 人工林花旗松建筑材的干燥變形分析[J]. 木材工業(yè), 2010, 24(6): 33-35.

[3]張利萍, 王書強, 孫夏杰, 等. 美國花旗松鋸材剩余物的制漿造紙性能[J]. 福建農林大學學報:自然科學版, 2014, 43(3):327-331.

[4]Thomas E McLain. Design axial withdrawal strength from wood:Ⅱ .Plain-shank common wire nails[J]．Forest products journal, 1997, 47(6): 103-109.

[5]楊小軍, 孫友富. 木構件螺釘結合持久性能研究[J]. 福建林學院學報, 2012, 32(1): 93-96.

[6]李吉慶, 陳禮輝, 蘇 團. 3種常用螺釘對家具用竹集成材面握釘力的研究[J].福建林學院學報, 2011, 31(3): 271-275.

[7]闕澤利, 楊 玲, 王菲彬, 等. 導孔直徑對木結構用規(guī)格材握螺釘力性能的影響[J]. 西北林學院學報, 2014,30(5):195-198.

[8]郭 勇, 李大綱, 陳玉霞, 等. 拆裝次數(shù)對螺釘連接的木塑構件機械性能的影響[J]. 林產工業(yè), 2009, 36(2): 34-37.

[9]GB 50005-2003, 木結構設計規(guī)范[S].

[10]ASTM D 1761: 2000, Standard Test Methods for Mechanical Fasteners in Wood [S].

[11]GB/T 14018-2009, 木材握釘力試驗方法[S].

[12]American forest &paper association. National Design Specification for Wood Constructions [M]. Washington D.C.:American Forest & Paper Association, 2005: 174.

[13]Lawrence A Soltis. Wood Handbook [M].United states Department of Agriculture, 1999: 1-27.

[14]Douglas R Rammer, Steve G Winistorfer, Donald A Bender.Withdrawal strength of threaded nails [J]. Journal of structural engineering, 2001, 127(4): 442-449.

[15]陳恩靈, 費本華, 郭 偉. 木結構握釘力的研究與發(fā)展[J]. 木材加工機械, 2008, (3): 38-43.

[16]裴永剛, 譚文輝. 工程結構時變可靠度理論的發(fā)展及應用[J].工業(yè)建筑, 2005, 35(增刊): 135-138.

Study of replicate frequency on nail-holding power of Douglas fi r wood

YUE Kong1, CHENG Xiu-cai2, LIU Wei-qing1, LU Wei-dong1
(1. College of Civil Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 211800, Jiangsu, China;2. Nanjing Institute of Product Quality Inspection, Nanjing 210091, Jiangsu, China)

To evaluate the effect of replicate frequency on nail-holding power accurately, Douglas fi r wood and 2.60 mm, 3.16 mm, 3.52 mm and 4.14 mm diameter low carbon galvanized smooth nail were taken as tested objects, and the replicate nail-holding power was conducted and analyzed. The results showed, the nail-holding power was proportional to the diameter of smooth nail; the decreased trend of replicate nail-holding power with different nail’s diameter was similar, and the calculation formula can fi t the replicate nail-holding power. The results can provide and be used as reference for evaluating residual strength of nail connection after the earthquake and disassembly and assembly of timber structure.

Douglas fi r wood; smooth nail; replicate frequency; nail-holding power

S791.161；S781.64

A

1673-923X(2016)05-0129-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.05.023

2015-03-17

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201304504）；國家自然科學基金（31100418）；江蘇省高校自然科學研究項目（14KJB220002）；江蘇省質量技術監(jiān)督局科技項目（KJ155425）

岳 孔，副研究員，博士后； E-mail：yuekong@njtech.edu.cn

岳 孔，程秀才，劉偉慶，等. 重復釘入次數(shù)對花旗松握釘力的影響[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016, 36(5): 129-132.

[本文編校：謝榮秀]