三种规格材圆钢钉拔出握钉力性能研究∗

邓丽萍 王 滋 赵荣军 周贤武 武国芳

钉连接具有连接紧密、制作简单以及韧性良好等优点，是木结构建筑中最常用的一种连接形式[1]。握钉力是木结构设计中钉连接部分的一个重要指标。木材握钉力又称为木材对钉的抗拔力，是木材具有的对钉入的钉或拧入的螺丝钉的夹持能力[2]。按照钉连接的节点承受荷载的方向可分为垂直于钉杆的侧向剪力及平行于钉杆的拔出握钉力，故侧向承载力和拔出握钉力是衡量钉连接节点性能的两个基本强度指标[3]。相关研究表明，木材的拔出握钉力不仅与钉入位置[2]、密度[3]、树种[4]和温湿度[5]有关，还受到钉子的特性[6]、导向孔有无[7-9]和气候特点[1]等的影响，但关于这些因素对木材拔出握钉力影响效应的研究比较缺乏。笔者通过对国产日本落叶松、兴安落叶松和进口云杉规格材试件握钉性能的测试，分析不同切面、不同直径钉连接和不同规格材种类对拔出握钉性能产生的影响及程度，以期为木结构节点连接设计提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

日本落叶松（Larix kaempferi）规格材，原木采自辽宁清原大孤家林场，采伐后的原木送至江苏太仓新华木业公司进行锯解加工；兴安落叶松（Larix gmelinii），采购于大兴安岭，经苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司锯解加工；北美云杉（Picea sitchensis），采购于苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司。参考GB/T 14018—2009《木材握钉力试验方法》相关规定，锯解制作38 mm×50 mm×150 mm和38 mm×50 mm×220 mm大小的试件。

圆钢钉为普通低碳镀锌圆钢钉，市购，依照《木结构设计手册》中对于木结构钉连接的要求，选择2.8 mm×60 mm，3.1 mm×70 mm，3.7 mm× 80 mm三种钉型，钉杆光滑，表面无缺陷。

1.2 试验方法

根据GB/T 14018—2009规格材在20℃、相对湿度65%的恒温恒湿条件下放置约3个星期，使规格材含水率调整到12%左右。

当圆钉直径为2.8、3.1mm时采用长度为150 mm的短试件，当圆钉直径为3.7 mm时采用长度为220 mm的长试件，在每个试件两端面及相邻纵面共钉入6颗钉。试件尺寸及钉入位置K见图1。短试件的K0取50 mm，K1、K4取60 mm，K2、K3取40 mm;长试件的K0取70 mm，K1、K4取90 mm，K2、K3取60 mm。用锤子将钉子钉入30 mm，钉入圆钉后立即进行拔出握钉力测试，每组测试30个试件。

图1 拔出握钉力试件示意图Fig.1 Sample for nail withdraw strength test

试验设备为美国制备的Instron 5582 万能力学试验机，加载头加载速率为1.5～2.5 mm/min，试件在1～2 min内达到破坏；利用spss软件对试验结果进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 日本落叶松规格材三切面的拔出握钉力

分别将日本落叶松规格材径切面、弦切面和端面在2.8、3.1 mm和3.7 mm三种直径圆钢钉作用下的拔出握钉力列于表1。

表1 不同直径圆钢钉的日本落叶松规格材拔出握钉力Tab.1 The nail withdrawal strength of Larix kaempferi of different diameters

由表1可以看出，日本落叶松规格材的拔出握钉力在选用不同钉直径时均在端面最小（0.419～0.556 kN），总体而言，除选用直径为3.7 mm圆钢钉的日本落叶松规格材的径切面拔出握钉力（0.881 kN）稍大于弦切面拔出握钉力（0.833 kN）外，日本落叶松规格材三切面的拔出握钉力大小依次为弦切面＞径切面＞端面。这是由于端面拔出握钉力主要取决于木材纤维间的挤压力，而径切面和弦切面的拔出握钉力主要取决于木纤维的抗断裂性能[10]。由表1对拔出握钉力变异系数的研究和分析可知，端面拔出握钉力变异系数（22.1%～27.4%）明显大于径切面和弦切面（17.2%～23.1%）。这是因为木材端面纵向木纤维间空隙较多，导致端面变异系数较大[11]。

表2、3结果表明，在0.01的显著性水平下，日本落叶松规格材三切面的拔出握钉力在选用不同直径圆钢钉时均具有极显著差异。除选用直径3.1 mm圆钢钉的日本落叶松规格材三切面的拔出握钉力相互间均显示差异显著外，在相同直径圆钢钉作用下日本落叶松规格材径切面和弦切面的拔出握钉力无显著差异，而与端面的拔出握钉力具有极显著差异。这是因为，径切面和弦切面的拔出握钉力均主要取决于木纤维的抗断裂性能，故两者无显著差异；而端面拔出握钉力主要取决于木材纤维间的挤压力，木纤维间的挤压力远小于木纤维的抗断裂性能，因此端面拔出握钉力与径切面、弦切面产生极显著差异。

表3 日本落叶松规格材三切面拔出握钉力多重分析Tab.3 Multiple comparisons for the nail withdrawal strengthin the three sections of Larix kaempferi

2.2 钉直径对日本落叶松规格材拔出握钉力的影响

由表1可知，随着圆钢钉直径的增加，日本落叶松规格材各切面的拔出握钉力均呈增加趋势。对比选用直径为2.8 mm和3.1 mm圆钢钉的日本落叶松规格材的拔出握钉力变异系数可以看出，除径切面无明显变化外，弦切面和端面的拔出握钉力变异系数均随圆钢钉直径的增大而增大，原因可能是随着钉子直径的增大，钉子钉入过程所受阻力增大从而易产生裂纹。选用直径为3.7 mm的圆钢钉时，在钉入前预打2.0 mm×20 mm的导向孔，使得三切面的拔出握钉力变异系数均明显下降。由此可见，当钉子直径较大时，采用适宜的导向孔可有效避免木材开裂，提高拔出握钉力的稳定性，增加结构的稳定性和可靠性[3]。

从表4、5可知，在0.01的显著性水平下，三种直径的圆钢钉对日本落叶松规格材各切面的拔出握钉力均具有极显著影响。除端面在三种直径圆钢钉作用下的拔出握钉力均有显著差异外，日本落叶松规格材相同切面的拔出握钉力在选用直径为2.8 mm和3.1 mm的圆钢钉时无显著差异，而与直径为3.7 mm圆钢钉时的径切面与弦切面的拔出握钉力表现出显著差异。这是因为在一定的钉直径范围内（小于4 mm），拔出握钉力与钉直径成线性正相关关系，拔出握钉力随着钉直径的增大而增大[3]；直径2.8 mm和直径3.1 mm的圆钢钉直径差异不大，所以两者的拔出握钉力无显著差异，而直径3.7 mm的圆钢钉直径增加较大，因此其拔出握钉力与前面两者表现出显著差异。

表4 不同直径圆钢钉拔出握钉力方差分析Tab.4 Variance analysis for the nail withdrawal strength of different diameters

表5 不同直径圆钢钉拔出握钉力多重分析Tab.5 Multiple comparisons for the nail withdrawal strength of different diameters

2.3 规格材种类对拔出握钉力的影响

从表6可以看出，在直径为2.8 mm的圆钢钉作用下除日本落叶松规格材径切面拔出握钉力（0.551 kN）稍小于兴安落叶松规格材径切面拔出握钉力（0.576 kN）外，总体而言，三种规格材试样的拔出握钉力性能为：日本落叶松＞兴安落叶松＞云杉。这是因为在相同直径圆钢钉和木材切面的情况下，试件密度与握钉力成正相关关系，高密度试件的拔出握钉力均明显大于低密度试件的拔出握钉力[3]，故密度最低的云杉拔出握钉力性能最弱；虽然兴安落叶松的密度等物理性质相比日本落叶松偏高，但其使用性能并不理想，易发生开裂翘曲、分层等现象[12]，显著降低了兴安落叶松的拔出握钉力性能，综合来说日本落叶松的拔出握钉力性能最优。对拔出握钉力变异系数的研究分析可知，兴安落叶松规格材握钉力的变异系数较大而云杉规格材较小，这是由于相比来说，兴安落叶松早晚材差异较大材质不均匀[13]，在钉子钉入过程中容易产生细微裂纹导致变异系数较大。

对选用直径为2.8 mm圆钢钉的三种规格材不同切面的拔出握钉力进行单因素方差分析，结果见表7、8。

表6 不同种类规格材拔出握钉力Tab.6 The dimension lumber nail withdrawal strength of different species

表7 不同种类规格材拔出握钉力方差分析Tab.7 Variance analysis for the dimension lumber nail withdrawal strength of different species

表8 不同种类规格材拔出握钉力多重分析Tab.8 Multiple comparisons for the dimension lumber nail withdrawal strength of different species

由表7、8可知，在0.01的显著性水平下，规格材种类对各切面拔出握钉力均具有极显著影响。除在径切面上日本落叶松规格材和兴安落叶松规格材的拔出握钉力无显著差异外，三种规格材在各切面的拔出握钉力相互间均具有显著差异。这是因为在其他条件相同的情况下，拔出握钉力主要与试件密度成正比，落叶松规格材密度高于云杉规格材，而兴安落叶松易发生开裂显著降低了其拔出握钉力性能，故材质更为均匀的日本落叶松的拔出握钉力性能就优于兴安落叶松，三种规格材的材质特性决定了其拔出握钉力间具有显著差异。

2.4 三个拔出握钉力影响因子的效应检验

从表9的影响因子效应检验结果可以看出，木材切面、钉直径和规格材种类对木材拔出握钉力均具有极显著的影响。偏Eta方是多因素方差分析效果大小的指标，其值越大表明该因素是影响因变量的主要因素，其值越小表明该因素是影响因变量的次要因素[13]。故在该研究中，拔出握钉力三个影响因子的效应大小为：钉直径＞木材切面＞规格材种类，其对拔出握钉力的影响效应量（偏 Eta 方）分别为0.339、0.291、0.182。

表9 拔出握钉力影响因子效应检验Tab.9 The effect test of factors affecting the nail withdrawal strength

3 结论

1）日本落叶松规格材三切面的拔出握钉力大小依次为弦切面＞径切面＞端面，且端面拔出握钉力的变异系数明显大于径切面和弦切面；相同直径圆钢钉作用下，日本落叶松规格材不同切面对拔出握钉力具有极显著影响。

2）日本落叶松规格材的拔出握钉力随钉直径的增加而增加，且除直径为3.7 mm圆钢钉因钉入前预钻孔导致变异系数降低外，各切面的拔出握钉力变异系数随钉直径的增加亦呈增大趋势；相同切面下，圆钢钉三种直径大小对日本落叶松规格的拔出握钉力具有极显著影响。

3）三种规格材试样的拔出握钉力大小依次为：日本落叶松＞兴安落叶松＞云杉，且兴安落叶松规格材握钉力的变异系数较大而云杉规格材较小；相同切面和圆钢钉直径下，规格材种类对拔出握钉力具有极显著影响。

4）木材切面、钉直径和规格材种类对拔出握钉力均具有极显著的影响，该研究中的木材拔出握钉力三个影响因子的效应大小为：钉直径＞木材切面＞规格材种类，其影响效应量（偏 Eta 方）分别为0.339、0.291、0.182。

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