结构用自攻螺钉机械及连接性能

王志强， 姚 悦， 张敬婷， 殷天啸， 汪可馨， 程 堃

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京210037；2.上海美固澄梵紧固件有限公司，上海 201419)

研究与设计

结构用自攻螺钉机械及连接性能

王志强1， 姚 悦1， 张敬婷1， 殷天啸1， 汪可馨1， 程 堃2

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京210037；2.上海美固澄梵紧固件有限公司，上海 201419)

测试、评价了不同直径、不同长度国产新型自攻螺钉的抗拉强度、抗弯屈服强度、钉入正交胶合木拔出强度和钉帽拉穿强度。试验结果表明：直径8 mm、长度120 mm的自攻螺钉具有较好的抗拉和抗弯屈服强度；直径6 mm自攻螺钉的钉帽拉穿强度比直径8 mm的自攻螺钉高25.4%。在本试验条件下，自攻螺钉的直径、长度、钉入深度和有无预钻孔等因素对自攻螺钉钉入正交胶合木拔出强度的影响都不显著。

自攻螺钉；机械性能；拔出强度；钉帽拉穿强度；正交胶合木

随着国内外正交胶合木(Cross-laminated timber，CLT)材料和中高层木结构建筑的快速发展，一些不同于轻型木结构和普通木结构(原木屋)的连接形式，但适合于CLT大尺寸、板类型产品特性的新型连接件及其连接形式随之产生。有代表性的CLT构件连接件如新型自攻螺钉(Self-typing screw，STS)，其具有自攻头、切削螺纹和表面覆层，不需要预先钻孔，使用电动工具即可方便、快捷地安装，自攻螺钉的特殊螺纹形状使木材不易劈裂，而且自攻螺钉的抗拉、抗弯等强度都有明显提高。不同类型的自攻螺钉具有不同的直径、长度、螺纹长度和头型，其中直径分为头部直径(dHead)、螺杆直径(dShank)、螺纹直径(dThead)，自攻螺钉示意图如图1所示[1]。

图1 自攻螺钉示意图

目前，国外对STS用于重型木结构(如胶合木结构和CLT结构)的研究较多，市场上产品型号齐全，产品性能参数和连接性能设计值等方面都有较详细的数据[2-3]。国内在STS连接胶合木节点的性能方面也有所研究[4-5]，并且随着国内CLT的研究、生产和应用的逐渐增多[6-11]，STS的生产及其在CLT建筑中的应用也逐渐引起重视。然而，由于新型STS在材料、产品长度和直径、螺纹等方面都与普通木螺钉有较大区别，国内目前还缺少针对STS的产品标准、连接件本身机械性能和不同节点连接性能设计值等基础资料。本文以国产STS为测试对象，评价其机械和连接性能，以期为国内相关STS标准制定和产品应用提供参考数据。

1 试验材料与方法

1.1试验材料

自攻螺钉：两种直径6 mm和8 mm，两种长度120 mm和140 mm，半螺纹，材质为低碳钢，型号0078B，上海美固澄梵紧固件有限公司生产。

云杉-松-冷杉规格材(Spruce-Pine-Fir，SPF)：加拿大进口，平均含水率14%，平均密度0.42 g/cm3，J等级，实际尺寸为宽89 mm，厚38 mm，长2.0 m。

1.2 试验方法

1.2.1 抗拉强度测试

参考欧洲标准EN 1383测试三种类型STS的抗拉强度。测量自攻螺钉螺纹内径，去除自攻螺钉头部(钉帽)，用夹具夹紧试件，加载速度0.5 mm/min，试验至试样拉断，记录最大荷载并观察破坏形式[12]。每种类型螺钉的试件数量为10个。

1.2.2 抗弯屈服强度测试

参考LY/T 2059-2012测试三种类型STS的抗弯屈服强度。采用跨中加载的三点弯曲试验方式，支座间距为11.5倍的钉杆直径。经测量，公称直径分别为8 mm、6 mm的自攻螺钉杆部直径分别为5.72 mm和4.26 mm，因此这两种STS的支座间距分别为66 mm和49 mm。加载速度3 mm/min[13]，每种类型螺钉的试件数量为10个。

自攻螺钉抗弯屈服强度的计算公式为：

(1)

式中：Fyb为抗弯屈服强度(MPa)；S为自攻螺钉塑性截面模量(mm3)；My为自攻螺钉承受的弯矩(N·mm)。

1.2.3 钉帽拉穿强度测试

图2所示为抗钉帽拉穿试验装置。参考LY/T 2377-2014测试三种类型STS抗钉帽拉穿强度，将STS从正方形SPF材料中心穿过(SPF厚度16 mm，边长89 mm)，匀速加载至自攻螺钉拉穿木构件，加载速度为3 mm/min[14]，每种类型螺钉的试件为10个。

拉穿强度的计算公式为：

(2)

式中：Fh为拉穿强度(MPa)；Fmax为最大荷载(N)；dh为自攻螺钉钉帽直径(mm)。

图2 抗钉帽拉穿试验装置

1.2.4 钉入CLT拔出强度测试

图3所示为自攻螺钉钉入CLT拔出强度试件及试验装置。参考LY/T 2377-2014测试STS钉入CLT的拔出强度。改变钉入深度、自攻螺钉长度、直径(螺纹外径)和是否有预钻孔等参数，STS钉入CLT参数见表1。将STS钉入长162 mm、宽89 mm、厚114 mm的3层SPF 正交胶合木，STS钉入木构件深度在8 d(d为钉公称直径)和20 d之间，边距大于5 d。以5 mm/min匀速加载拔出自攻螺钉，记录最大荷载，每种类型试件数量为5个。

拔出强度的计算公式为：

(3)

式中：fw为拔出强度(MPa)；Fmax为最大荷载(N)；d为自攻螺钉直径(mm)；lp为自攻螺钉拧入CLT的深度(mm)。

表1 STS钉入CLT参数

类型钉入深度/mm钉公称直径/mm钉长度/mm预钻孔A708140否B708120否C706140否D608140否E708140是

图3 钉入CLT拔出强度试件及装置

2 试验结果与分析

2.1STS抗拉强度、抗弯屈服强度和钉帽拉穿强度

三种STS抗拉强度、屈服强度和钉帽拉穿强度测试值见表2。从表2可以看出，STS-8-120型STS的抗拉和抗弯屈服强度最高，分别比STS-8-140型和STS-6-140型高28.8%、7.89%和10.1%、8.33%。LY/T 2059-2012中规定，用于木结构的结构用钢钉抗拉强度最小为600 MPa，当钉杆直径4.50 mmlt;d≤6.45 mm时，钢钉抗弯屈服强度应大于550 MPa。可以看出，本次试验采用的三种类型自攻螺钉的抗拉强度和抗弯屈服强度都超出了标准要求。

对于钉帽拉穿最大荷载，较大直径STS的钉帽拉穿最大荷载相对较大，如8 mm直径的STS平均钉帽拉穿最大荷载比6 mm直径的高25.4%。而对于钉帽拉穿强度，直径较小的6 mm STS试件值高于直径8 mm的STS试件，相同直径两种STS的值差别不大。EN1995中认为钉帽拉穿强度只与试件材料有关[15]，对3组试件的钉帽拉穿强度进行单因素方差分析，结果表明STS钉的长度和直径对钉帽拉穿强度影响不显著。

试验中自攻螺钉的拉伸破坏区域大多集中在螺纹段，这主要是由于该部位的直径最小，最容易发生破坏，自攻螺钉的拉伸破坏如图4所示。抗弯屈服强度试验后，自攻螺钉的抗弯屈服变形及破坏如图5(a)、图5(b)和图5(c)所示。

表2 STS抗拉强度、抗弯屈服强度和钉帽拉穿强度测试值

钉类型钉公称直径/mm钉长度/mm钉帽直径/mm抗拉强度/MPa抗弯屈服强度/MPa钉帽拉穿强度/MPaSTS-8-12081201461236(62)1064(141)182(158)STS-8-1408140147960(40)986(100)168(189)STS-6-14061401171123(43)982(64)221(212)

注：()中为变异系数，100%。

图4 自攻螺钉拉伸破坏

图5 自攻螺钉抗弯屈服变形及破坏

2.2 STS 钉入CLT拔出强度

STS钉入CLT拔出强度见表3。比较A类与B类试件(钉长度不同)，较小长度的STS拔出强度要高10.8%；比较A类与C类试件(钉公称直径不同)，公称直径6 mm的自攻螺钉比公称直径8 mm的拔出强度要高25.6%；比较A类与D类试件(钉入深度不同)，由于两种试件钉入深度都在螺纹段内，因此两者拔出强度差别很小；比较A类与E类试件(是否有预钻孔)，单因素方差分析表明，是否预钻孔对STS的拔出强度影响不显著。EN1995中规定，当木材密度大于500 kg/m3或螺钉直径超过8 mm时，均需要有预钻孔。

表3 STS在CLT中的拔出强度

类型钉入深度/mm钉公称直径/mm钉长度/mm有无预钻孔拔出强度/MPaA708140否176(105)B708120否195(110)C706140否221(178)D608140否174(139)E708140是171(190)

注：()中为变异系数，%。

3 结论

通过测试，比较不同直径、长度和钉入深度等因素对STS机械性能和连接性能的影响，可以得到以下结论：

(1)国产STS的抗拉强度、抗弯屈服强度平均值均超出目前国内普通结构用钢钉的要求。

(2)钉帽直径较大的STS，钉帽拉穿最大荷载较大，但钉帽拉穿强度相对较小。

(3)本试验条件下，STS的直径、长度、钉入深度和有无预钻孔等因素对STS的钉入CLT拔出强度影响都不显著。

(4)由于STS的材料、螺纹、直径、长度等参数都与目前普通木结构用钢钉不同，因此有必要建立STS的产品标准和确定连接性能设计值等基础数据。

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(责任编辑 张雅芳)

MechanicalandConnectionPropertiesofSelf-TapingScrewsforStructures

WANGZhi-qiang1，YAOYue1，ZHANGJing-ting1，YINTian-xiao1，WANGKe-xin1，CHENGKun2

(1.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing Jiangsu 210037，China；2. Shanghai Moregood Camp;F Fastener Co.，Ltd.，Shanghai 201419，China)

The mechanical and connection properties，i.e.tension strength，bending yield strength，withdraw capacity，and pull through parameter，of self-typing screw(STS)with various diameters and lengths are tested and evaluated in this paper.The test result shows that the self-typing screws with 8 mm diameter and 120 mm length have better tension and bending yield strengths.The pull through parameter of STS with 6 mm diameter is 25.4% higher than that of STS with 8mm diameter.The effect of diameter，length，thread depth and pre-drilled hole/non-pre-drilled hole of STS are not significant in this test.

self-typing screw；mechanical properties；withdraw capacity；pull-through parameter；cross-laminated timber

TS642

A

2095-2953(2017)12-0011-04

2017-10-18

国家自然科学基金项目(31570559)

王志强(1978—)，男，副教授，博士，研究方向为工程木产品和木结构建筑，E-mail：wangzhiqiang@njfu.edu.cn。