自攻螺钉在木结构加固工程中的抗拔性能研究

刘慧芬

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092

0 引言

自攻螺钉可在木构件中自行攻出内螺纹，可有效增强螺钉与木材的粘结性能，从而逐渐应用于木构件以及节点的加固和修复。研究表明[1-2]，自攻螺钉与木材的粘结性能与木材密度、自攻螺钉直径、贯入深度、螺钉与木纹的夹角等因素有关。笔者对胶合木中自攻螺钉抗拔性能进行了试验研究，将试验所得抗拔承载力与欧洲规范和德国规范进行了对比，并建立了自攻螺钉抗拔性能的数值模型，为自攻螺钉在木结构加固工程中应用提供了参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

本文所用自攻螺钉材质为高锰低碳渗透钢，在螺纹处直径分别为8mm和10mm，螺纹沿螺杆满布。自攻螺钉抗拉承载力分别为20kN和32kN。

试验所用木构件为胶合木，由二级北美云杉-松-冷杉(SPF 2#)规格材胶合而成。试验时其平均含水率为11.75%，平均气干质量密度为408kg/m3。试验测得胶合木的顺纹弹性模量=1.218×104MPa、横纹弹性模量=224MPa、顺纹抗压强度MPa、横纹抗拉强度=1.2 MPa及顺纹抗剪强度

1.2 试件设计

试件共两组，一组自攻螺钉直径为8mm，一组为10mm，每组各15个试件。试件构造和尺寸如图1所示。在钉入自攻螺钉之前，在木构件上预钻一个直径为30mm，深为50mm的孔，以避免约束端压应力引起的粘结强度的增大。将自攻螺钉沿垂直于木纹方向打入，且两组试件的自攻螺钉贯入深度均为96mm。为了避免钉尖对粘结强度的影响，自攻螺钉贯入木构件后钉尖全部外露。

图1 试件几何尺寸及构造

图2 加载装置图

1.3 试验装置及加载制度

为了固定试件，试验中设计了一块固定板，固定板采用厚10mm的钢板，钢板四角各有一个螺栓孔，通过螺栓与加载机底座固定；固定板中心有一直径为50mm的开孔，安装试件时，自攻螺钉穿过固定板的中心孔，其轴线通过孔心，自攻螺钉上端与加载头相连，加载装置见图2。加载采用位移加载，加载速率设置为1.74mm/min。

2 试验结果分析

2.1 破坏模式及承载性能

试件破坏时整个自攻螺钉从胶合木中拔出，自攻螺钉螺纹处夹杂部分木屑，试件发生滑移破坏。所有试件均未出现自攻螺钉的受拉断裂破坏，这是因为自攻螺钉的抗拉承载力大于其抗拔承载力。

所测得两组自攻螺平均钉抗拔荷载—位移曲线如图3（a）所示。从图3（a）可以看出，两组自攻螺钉在加载初期，荷载—位移曲线基本呈直线上升趋势，当趋近于峰值点时，抗拔刚度降低，曲线表现出明显的非线性，此后，承载力开始逐渐下降，自攻螺钉与木材之间的粘结失效。

两种自攻螺钉的平均粘结应力—滑移曲线的对比如图3(b)所示，其中粘结强度由式（1）得到。

从图3(b)可以看出，在有效粘结长度相同的情况下，随着自攻螺钉直径增大，螺钉抗拔承载力增大，粘结强度反而减小。这是因为粘结强度并不是单纯的随着粘结长度和螺钉直径的增大而增大，其与粘结长度和螺钉直径的比值有关，当有效粘结长度相同时，直径较小的自攻螺钉其的值较大，其粘结强度也较大。

图3 自攻螺钉抗拔性能曲线

2.2 与规范值的对比

德国规范DIN1052[3]对于自攻螺钉的抗拔承载力规定如下：

本文分别将试验结果与式（2）和式（3）进行了对比，结果如表1所示。由表1可知，本文试验结果与DIN公式计算值较为接近，而EC5公式所得结果明显大于试验值。

表1 自攻螺钉抗拔承载力试验值与规范值对比

3.有限元分析

3.1 模型的建立

在有限元模型中，自攻螺钉采用理想弹塑性模型，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比v =0.3，抗拉强度=400MPa。木材通常可简化为正交各向异性材料，其中，Ex=12175MPa，Ey=224MPa，Gxy=743MPa，Gzy=37MPa，vxy=0.467，vxz=0.372。

针对本模型的几何特性，木构件和自攻螺钉均采用实体单元SOLID185进行模拟，为了简化分析，螺纹与木材之间的咬合作用通过接触单元来模拟，即自攻螺钉和木材的接触采用面面接触，使用Targe170和 Conta174来定义目标单元和接触单元，在模型中建立接触对。有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型图

3.2 有限元结果分析

木构件应力云图如图5所示。从图5（a）中可以看出，木构件中顺纹拉应力最大为6.27MPa，顺纹压应力最大为20.7MPa，分别小于木材的顺纹抗拉与抗压强度；而从图5（b）可以看出，木构件大部分区域处于横纹受压状态，孔周局部区域横纹拉应力较大，超过了木材的横纹抗拉强度，可见孔周木纤维出现了破坏，与试验所观察的破坏模式一致。

图5 木构件应力云图

为了验证有限元模型的有效性，以直径为10mm的自攻螺钉为研究对象，对其进行了有限元抗拔分析，并将分析结果与试验曲线进行对比，如图6所示。从图6中可以看出，有限元曲线与试验平均曲线吻合较好，所得抗拔承载力为11.65kN，与试验平均值（11.38 kN）的误差在5%以内。由此可见，该有限元模型可以较好的模拟自攻螺钉抗拔的破坏模式及承载力。

图6 试验及有限元荷载-位移曲线对比

4 结论

本文对2组自攻螺钉进行了抗拔试验，研究了自攻螺钉直径对抗拔性能的影响，将试验结果与规范公式进行了对比，并进行了有限元模拟，得到了如下结论：

1）试件破坏时整个自攻螺钉从胶合木中拔出，自攻螺钉未发生破坏，且螺纹处夹杂部分木屑，试件发生滑移破坏。

2）在有效粘结长度相同的情况下，随着自攻螺钉直径增大，螺钉抗拔承载力增大，粘结强度反而减小。

3）德国规范DIN1052所得自攻螺钉抗拔承载力与试验结果较为接近，而欧洲规范EC5所得结果明显大于试验值。

4）本文所提出的有限元模型可较好的模拟自攻螺钉抗拔破坏模式与承载性能。