木結構雙自攻釘協同抗拔力試驗研究

張建興，施 剛，王元清，石永久，黃慧娟，張振宏

（1.清華大學 土木水利學院，北京100084；2.北京東方誠國際鋼結構工程有限公司，北京100124）

輕型木結構是由規格材與木基結構覆面板通過釘子連接而成的墻體和樓蓋，以及木桁架組成的平臺式木框架結構。輕型木結構建筑具有環保、舒適、節能、施工快捷、構造簡單、節能美觀、抗震性能優越等優點。國際上歷次地震災害調查均表明，多數木結構房屋可以承受地震作用，沒有造成倒塌和嚴重的人員傷亡。因此在北美和北歐的低、多層建筑中得到廣泛應用，其中90%以上的居住建筑（獨戶、聯體住宅以及4層以下的公寓），都采用這種結構形式，近年來在日本、韓國、中國臺灣等多震害地區，也得到了大量的應用［1］。

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

輕型木結構的主要豎向抗側力構件為剪力墻，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向抗剪性能。在輕型木結構建筑中，剪力墻是抵抗風、地震等側向作用的主要構件，其承載力主要由墻骨與覆面板通過釘連接組成的“蒙皮結構”所提供［4］。釘連接的承載性能是控制剪力墻乃至整個輕型木結構受力性能的關鍵，國內外學者已對釘連接進行了深入的研究，文章主要就木結構自攻釘連接的抗拔性能進行試驗研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與設備

國產帶螺紋自攻釘，螺紋規格ST2.6，實測平均釘長26.5mm，實測平均直徑為2.84mm，平均屈服強度為828MPa，平均彈性模量為1.91×105MPa。進口木材，產地俄羅斯，實測平均含水率為12.5%，平均基本密度為0.41g／cm3，由中國某現代鋼結構制造公司提供。國產普通木材，實測平均含水率為12.7%，平均基本密度為0.42g／cm3，由中國某現代鋼結構制造公司提供。其中木材經過高壓防腐防蛀處理。木材含水率符合《木結構設計規范》中的有關要求［5］。此次試驗中有2組（每組3試件）共6個試件，其中試件 A－1、A－2、A－3，為國產木材，紋路較細，試件 B－1、B－2、B－3為進口木材，紋路較粗。檢測試件由木塊，鐵籠和受拉鋼筋組成。木塊長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2.65cm。木塊及試件示意圖和實物圖見圖1、2所示。

圖1 木材材料及自攻釘位置示意圖

圖2 木材材料及試件實物圖（單位：mm）

主要試驗設備為液壓式萬能試驗機采用 WE－100B型，最大試驗力100kN。荷重傳感器選用BHR－5型，用于量測荷載量值最大100kN，通道號1－1。位移計（10mm）通道號1－2，位移計（10mm）通道號1－3。IMP分散式精密測量模板采用IPM35951B型。

1.2 試驗方法

為使試驗條件盡可能接近實際剪力墻結構的使用和受力特點，在試件制作完成后，在室內標準環境中放置時間不少于2周。采用單調勻速加載直到試件破壞的加載模式，以荷載作為加載控制。長度和直徑用游標卡尺對木塊及自攻釘進行測量。試驗加載方案見圖3、4所示。傳感器初始化，記錄初始狀態，液壓千斤頂緩慢加載，加載速率應符合木結構試驗方法標準（GB／T 50329－2002）中的有關要求［6］，計算機自動采集所有傳感器的數據，并選擇力傳感器、夾具處位移進行實時監控，每5s采集一次數據，千斤頂加載至自攻釘的抗拔力接近于0后卸載。

圖3 測量加載情況

圖4 加載和測點布置

2 試驗結果與結果分析

2.1 試驗結果

國產木材和國產木材試件 A－1、A－2、A－3、B－1、B－2、B－3的全部試驗曲線如圖5所示，其破壞形式如圖6，主要表現為：①木板孔處木材撕裂、②自攻釘被拔出，與木材粘結作用喪失。

圖5 國產和進口木材試件的荷載位移曲線

2.2 試驗結果分析

歐洲標準EN26891［7］規定：當釘連接試驗曲線上最大荷載對應的滑移值≤15mm時，取該最大荷載值作為Pmax；當釘連接試驗曲線上最大荷載對應的滑移值＞15mm時，取15mm滑移值對應的荷載值作為Pmax。釘連接的剛度K取為10%Pmax和40%Pmax兩點間曲線的割線斜率。K＝（P0.4－P0.1）／（S0.4－S0.1），采用以上規則計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自攻釘共同協同作用，故兩個連接釘的荷載相同，但位移不一定相同；兩個自攻釘的荷載位移曲線有一定相互關聯，故分別求出兩個自攻釘的連接剛度K，同時為衡量兩個自攻釘的協同工作系數，取兩個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，則協同工作效果越好。

圖6 國產和進口木材試件的破壞形態

表1 國產木材單調加載試驗釘連接強度和剛度

表2 進口木材單調加載試驗釘連接強度和剛度

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，排除個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，其對試件的Pmax影響并不明顯，即木材材質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結果具有較大離散性；釘連接剛度與自攻釘與木材的咬合強度有關，同時受木材木紋方向的影響，以及計算釘連接剛度時應計入剪力作用方向與木材木紋方向的角度影響。

2.3 破壞形態分析

1）此次試驗在試件的T型鋼籠上的自攻釘外側約距1cm處分別設置了一個位移計，用于測量自攻釘在受拉時的荷載與拔出位移關系的趨勢，由于構件本身的制作初始缺陷及安裝偏差，所測的位移值在數值上并不具備參考價值。

2）從荷載位移變化趨勢看，能夠推測出構件在受拉時的受力情況是一側鋼釘受拉，而另一側鋼釘提供的拉力近似為0，故而破壞形態均是一側鋼釘被拔出后，另一側鋼釘開始承受拉力，兩側鋼釘在受拉時并未協同工作。在位移圖上表示為有一個位移進入峰值平臺，而另一個位移值開始進入較大的上升段。故此次試驗測出的抗拔力數值應與單個自攻釘與木材的抗拔力的數據相近。

2.4 強度影響因素分析

1）首先是螺釘位置不對中，導致一側自攻釘受拉力較大，另一側自攻釘受拉力較小，從而導致兩個自攻釘不能協同工作，影響自攻釘抗拔承載力的充分發揮。

2）另外影響構件抗拔力的主要因素是自攻釘與木材的摩擦連接情況，當木材中的孔較小，木材與自攻釘的錨固性能較好，自攻釘被拔出時帶出的木材纖維較多，而當木材的孔較大時，木材與自攻釘的錨固較差，自攻釘被拔出時木材被帶出的木材纖維較少。

3）此外木材的材質對自攻釘的也有一定的影響，但影響不如前述兩者。

3 結 論

1）釘連接強度主要決定于破壞形式，從文章的試驗可以發現，雙釘達到最大荷載時的位移值相近時，強度值最高。

2）釘與木材的契入效應不足影響自攻釘的抗拔承載力的發揮，從試驗結果中發現，承載力較高的木材試件破壞時，釘子口的木材纖維被拔出，說明木與釘的摩擦咬合作用較強，承載力較高。

3）釘連接剛度試驗結果具有較大離散性；試驗表明釘連接剛度明顯受墻骨木材木紋方向的影響，計算釘連接剛度時應計入剪力作用方向與木材木紋方向的角度影響。

4）自攻釘的抗拔力強度及抗拔剛度的計算公式尚未給出，需要通過進一步的實驗進行研究探討。

［1］陳松來，陳志勇，樊承謀，等.木結構剪力墻中釘連接的實驗研究［J］.中山大學學報：自然科學版，2008，47（4）：133－138.

［2］邢繼勝，王元清，陳宏，石永久.美國多層木結構房屋的應用與設計［J］.工業建筑，2006（Sup1）：1634－1639.

［3］熊俊，石永久，王元清，等.輕型木結構住宅節點構造研究［J］.工業建筑，2006（Sup1）：1665－1670.

［4］陳志勇，陳松來，樊承謀，等.木結構釘連接研究進展［J］.結構工程師，2009，25（4）：152－157.

［5］GB／T 50005－2003木結構設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［6］GB／T 50329－2002木結構試驗方法標準［S］.北京：中國建筑工業出版社，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.