三種規(guī)格材圓鋼釘拔出握釘力性能研究?

鄧麗萍 王 滋 趙榮軍 周賢武 武國芳

釘連接具有連接緊密、制作簡單以及韌性良好等優(yōu)點(diǎn)，是木結(jié)構(gòu)建筑中最常用的一種連接形式[1]。握釘力是木結(jié)構(gòu)設(shè)計中釘連接部分的一個重要指標(biāo)。木材握釘力又稱為木材對釘?shù)目拱瘟?，是木材具有的對釘入的釘或擰入的螺絲釘?shù)膴A持能力[2]。按照釘連接的節(jié)點(diǎn)承受荷載的方向可分為垂直于釘桿的側(cè)向剪力及平行于釘桿的拔出握釘力，故側(cè)向承載力和拔出握釘力是衡量釘連接節(jié)點(diǎn)性能的兩個基本強(qiáng)度指標(biāo)[3]。相關(guān)研究表明，木材的拔出握釘力不僅與釘入位置[2]、密度[3]、樹種[4]和溫濕度[5]有關(guān)，還受到釘子的特性[6]、導(dǎo)向孔有無[7-9]和氣候特點(diǎn)[1]等的影響，但關(guān)于這些因素對木材拔出握釘力影響效應(yīng)的研究比較缺乏。筆者通過對國產(chǎn)日本落葉松、興安落葉松和進(jìn)口云杉規(guī)格材試件握釘性能的測試，分析不同切面、不同直徑釘連接和不同規(guī)格材種類對拔出握釘性能產(chǎn)生的影響及程度，以期為木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

日本落葉松（Larix kaempferi）規(guī)格材，原木采自遼寧清原大孤家林場，采伐后的原木送至江蘇太倉新華木業(yè)公司進(jìn)行鋸解加工；興安落葉松（Larix gmelinii），采購于大興安嶺，經(jīng)蘇州昆侖綠建木結(jié)構(gòu)科技股份有限公司鋸解加工；北美云杉（Picea sitchensis），采購于蘇州昆侖綠建木結(jié)構(gòu)科技股份有限公司。參考GB/T 14018—2009《木材握釘力試驗(yàn)方法》相關(guān)規(guī)定，鋸解制作38 mm×50 mm×150 mm和38 mm×50 mm×220 mm大小的試件。

圓鋼釘為普通低碳鍍鋅圓鋼釘，市購，依照《木結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》中對于木結(jié)構(gòu)釘連接的要求，選擇2.8 mm×60 mm，3.1 mm×70 mm，3.7 mm× 80 mm三種釘型，釘桿光滑，表面無缺陷。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 14018—2009規(guī)格材在20℃、相對濕度65%的恒溫恒濕條件下放置約3個星期，使規(guī)格材含水率調(diào)整到12%左右。

當(dāng)圓釘直徑為2.8、3.1mm時采用長度為150 mm的短試件，當(dāng)圓釘直徑為3.7 mm時采用長度為220 mm的長試件，在每個試件兩端面及相鄰縱面共釘入6顆釘。試件尺寸及釘入位置K見圖1。短試件的K0取50 mm，K1、K4取60 mm，K2、K3取40 mm;長試件的K0取70 mm，K1、K4取90 mm，K2、K3取60 mm。用錘子將釘子釘入30 mm，釘入圓釘后立即進(jìn)行拔出握釘力測試，每組測試30個試件。

圖1 拔出握釘力試件示意圖Fig.1 Sample for nail withdraw strength test

試驗(yàn)設(shè)備為美國制備的Instron 5582 萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，加載頭加載速率為1.5～2.5 mm/min，試件在1～2 min內(nèi)達(dá)到破壞；利用spss軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 日本落葉松規(guī)格材三切面的拔出握釘力

分別將日本落葉松規(guī)格材徑切面、弦切面和端面在2.8、3.1 mm和3.7 mm三種直徑圓鋼釘作用下的拔出握釘力列于表1。

表1 不同直徑圓鋼釘?shù)娜毡韭淙~松規(guī)格材拔出握釘力Tab.1 The nail withdrawal strength of Larix kaempferi of different diameters

由表1可以看出，日本落葉松規(guī)格材的拔出握釘力在選用不同釘直徑時均在端面最?。?.419～0.556 kN），總體而言，除選用直徑為3.7 mm圓鋼釘?shù)娜毡韭淙~松規(guī)格材的徑切面拔出握釘力（0.881 kN）稍大于弦切面拔出握釘力（0.833 kN）外，日本落葉松規(guī)格材三切面的拔出握釘力大小依次為弦切面＞徑切面＞端面。這是由于端面拔出握釘力主要取決于木材纖維間的擠壓力，而徑切面和弦切面的拔出握釘力主要取決于木纖維的抗斷裂性能[10]。由表1對拔出握釘力變異系數(shù)的研究和分析可知，端面拔出握釘力變異系數(shù)（22.1%～27.4%）明顯大于徑切面和弦切面（17.2%～23.1%）。這是因?yàn)槟静亩嗣婵v向木纖維間空隙較多，導(dǎo)致端面變異系數(shù)較大[11]。

表2、3結(jié)果表明，在0.01的顯著性水平下，日本落葉松規(guī)格材三切面的拔出握釘力在選用不同直徑圓鋼釘時均具有極顯著差異。除選用直徑3.1 mm圓鋼釘?shù)娜毡韭淙~松規(guī)格材三切面的拔出握釘力相互間均顯示差異顯著外，在相同直徑圓鋼釘作用下日本落葉松規(guī)格材徑切面和弦切面的拔出握釘力無顯著差異，而與端面的拔出握釘力具有極顯著差異。這是因?yàn)?，徑切面和弦切面的拔出握釘力均主要取決于木纖維的抗斷裂性能，故兩者無顯著差異；而端面拔出握釘力主要取決于木材纖維間的擠壓力，木纖維間的擠壓力遠(yuǎn)小于木纖維的抗斷裂性能，因此端面拔出握釘力與徑切面、弦切面產(chǎn)生極顯著差異。

表3 日本落葉松規(guī)格材三切面拔出握釘力多重分析Tab.3 Multiple comparisons for the nail withdrawal strengthin the three sections of Larix kaempferi

2.2 釘直徑對日本落葉松規(guī)格材拔出握釘力的影響

由表1可知，隨著圓鋼釘直徑的增加，日本落葉松規(guī)格材各切面的拔出握釘力均呈增加趨勢。對比選用直徑為2.8 mm和3.1 mm圓鋼釘?shù)娜毡韭淙~松規(guī)格材的拔出握釘力變異系數(shù)可以看出，除徑切面無明顯變化外，弦切面和端面的拔出握釘力變異系數(shù)均隨圓鋼釘直徑的增大而增大，原因可能是隨著釘子直徑的增大，釘子釘入過程所受阻力增大從而易產(chǎn)生裂紋。選用直徑為3.7 mm的圓鋼釘時，在釘入前預(yù)打2.0 mm×20 mm的導(dǎo)向孔，使得三切面的拔出握釘力變異系數(shù)均明顯下降。由此可見，當(dāng)釘子直徑較大時，采用適宜的導(dǎo)向孔可有效避免木材開裂，提高拔出握釘力的穩(wěn)定性，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性[3]。

從表4、5可知，在0.01的顯著性水平下，三種直徑的圓鋼釘對日本落葉松規(guī)格材各切面的拔出握釘力均具有極顯著影響。除端面在三種直徑圓鋼釘作用下的拔出握釘力均有顯著差異外，日本落葉松規(guī)格材相同切面的拔出握釘力在選用直徑為2.8 mm和3.1 mm的圓鋼釘時無顯著差異，而與直徑為3.7 mm圓鋼釘時的徑切面與弦切面的拔出握釘力表現(xiàn)出顯著差異。這是因?yàn)樵谝欢ǖ尼斨睆椒秶鷥?nèi)（小于4 mm），拔出握釘力與釘直徑成線性正相關(guān)關(guān)系，拔出握釘力隨著釘直徑的增大而增大[3]；直徑2.8 mm和直徑3.1 mm的圓鋼釘直徑差異不大，所以兩者的拔出握釘力無顯著差異，而直徑3.7 mm的圓鋼釘直徑增加較大，因此其拔出握釘力與前面兩者表現(xiàn)出顯著差異。

表4 不同直徑圓鋼釘拔出握釘力方差分析Tab.4 Variance analysis for the nail withdrawal strength of different diameters

表5 不同直徑圓鋼釘拔出握釘力多重分析Tab.5 Multiple comparisons for the nail withdrawal strength of different diameters

2.3 規(guī)格材種類對拔出握釘力的影響

從表6可以看出，在直徑為2.8 mm的圓鋼釘作用下除日本落葉松規(guī)格材徑切面拔出握釘力（0.551 kN）稍小于興安落葉松規(guī)格材徑切面拔出握釘力（0.576 kN）外，總體而言，三種規(guī)格材試樣的拔出握釘力性能為：日本落葉松＞興安落葉松＞云杉。這是因?yàn)樵谙嗤睆綀A鋼釘和木材切面的情況下，試件密度與握釘力成正相關(guān)關(guān)系，高密度試件的拔出握釘力均明顯大于低密度試件的拔出握釘力[3]，故密度最低的云杉拔出握釘力性能最弱；雖然興安落葉松的密度等物理性質(zhì)相比日本落葉松偏高，但其使用性能并不理想，易發(fā)生開裂翹曲、分層等現(xiàn)象[12]，顯著降低了興安落葉松的拔出握釘力性能，綜合來說日本落葉松的拔出握釘力性能最優(yōu)。對拔出握釘力變異系數(shù)的研究分析可知，興安落葉松規(guī)格材握釘力的變異系數(shù)較大而云杉規(guī)格材較小，這是由于相比來說，興安落葉松早晚材差異較大材質(zhì)不均勻[13]，在釘子釘入過程中容易產(chǎn)生細(xì)微裂紋導(dǎo)致變異系數(shù)較大。

對選用直徑為2.8 mm圓鋼釘?shù)娜N規(guī)格材不同切面的拔出握釘力進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果見表7、8。

表6 不同種類規(guī)格材拔出握釘力Tab.6 The dimension lumber nail withdrawal strength of different species

表7 不同種類規(guī)格材拔出握釘力方差分析Tab.7 Variance analysis for the dimension lumber nail withdrawal strength of different species

表8 不同種類規(guī)格材拔出握釘力多重分析Tab.8 Multiple comparisons for the dimension lumber nail withdrawal strength of different species

由表7、8可知，在0.01的顯著性水平下，規(guī)格材種類對各切面拔出握釘力均具有極顯著影響。除在徑切面上日本落葉松規(guī)格材和興安落葉松規(guī)格材的拔出握釘力無顯著差異外，三種規(guī)格材在各切面的拔出握釘力相互間均具有顯著差異。這是因?yàn)樵谄渌麠l件相同的情況下，拔出握釘力主要與試件密度成正比，落葉松規(guī)格材密度高于云杉規(guī)格材，而興安落葉松易發(fā)生開裂顯著降低了其拔出握釘力性能，故材質(zhì)更為均勻的日本落葉松的拔出握釘力性能就優(yōu)于興安落葉松，三種規(guī)格材的材質(zhì)特性決定了其拔出握釘力間具有顯著差異。

2.4 三個拔出握釘力影響因子的效應(yīng)檢驗(yàn)

從表9的影響因子效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，木材切面、釘直徑和規(guī)格材種類對木材拔出握釘力均具有極顯著的影響。偏Eta方是多因素方差分析效果大小的指標(biāo)，其值越大表明該因素是影響因變量的主要因素，其值越小表明該因素是影響因變量的次要因素[13]。故在該研究中，拔出握釘力三個影響因子的效應(yīng)大小為：釘直徑＞木材切面＞規(guī)格材種類，其對拔出握釘力的影響效應(yīng)量（偏 Eta 方）分別為0.339、0.291、0.182。

表9 拔出握釘力影響因子效應(yīng)檢驗(yàn)Tab.9 The effect test of factors affecting the nail withdrawal strength

3 結(jié)論

1）日本落葉松規(guī)格材三切面的拔出握釘力大小依次為弦切面＞徑切面＞端面，且端面拔出握釘力的變異系數(shù)明顯大于徑切面和弦切面；相同直徑圓鋼釘作用下，日本落葉松規(guī)格材不同切面對拔出握釘力具有極顯著影響。

2）日本落葉松規(guī)格材的拔出握釘力隨釘直徑的增加而增加，且除直徑為3.7 mm圓鋼釘因釘入前預(yù)鉆孔導(dǎo)致變異系數(shù)降低外，各切面的拔出握釘力變異系數(shù)隨釘直徑的增加亦呈增大趨勢；相同切面下，圓鋼釘三種直徑大小對日本落葉松規(guī)格的拔出握釘力具有極顯著影響。

3）三種規(guī)格材試樣的拔出握釘力大小依次為：日本落葉松＞興安落葉松＞云杉，且興安落葉松規(guī)格材握釘力的變異系數(shù)較大而云杉規(guī)格材較小；相同切面和圓鋼釘直徑下，規(guī)格材種類對拔出握釘力具有極顯著影響。

4）木材切面、釘直徑和規(guī)格材種類對拔出握釘力均具有極顯著的影響，該研究中的木材拔出握釘力三個影響因子的效應(yīng)大小為：釘直徑＞木材切面＞規(guī)格材種類，其影響效應(yīng)量（偏 Eta 方）分別為0.339、0.291、0.182。

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