竹胶板钉帽拉穿性能的参数化分析

赵千一，李宏敏，许鑫凯，朱一辛，王志强

(南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037)

竹胶合板(简称竹胶板)由毛竹制成，是毛竹通过高温软化和展平形成竹片，将竹片纹理相互垂直组坯，经热压胶合而成的一种多层结构胶合板。竹胶板强度高、韧性好、耐磨损，有良好的力学性能[1-2]，因此也被用作建筑中的梁、柱、墙和单向板等结构构件[3-4]。国内外学者对竹胶板的力学性能进行了研究[5-9]，为竹胶板在实际工程中的应用提供了理论参考。由于其优异的力学性能，竹胶板也逐渐被用于钢-竹组合结构[10-14]、竹-混组合结构[15-16]、竹-木剪力墙结构[17-20]。在组合结构中节点连接是保障建筑结构安全的重要因素，工程中常采用结构胶黏剂[13-14]、结构胶黏剂-螺钉复合[21-22]、紧固件等方式将竹胶板与其他材料进行连接。仅采用结构胶黏剂易使界面发生脱胶破坏，材料性能没有充分发挥，承载力降低；采用结构胶黏剂-自攻螺钉复合连接能提高构件承载力并延缓局部脱胶引起的连续破坏；在竹胶板覆面剪力墙试验中，Varela等[19]和Correal等[20]发现与传统木框架剪力墙相比，竹胶板覆面板板面损伤较小，在避免板面撕裂和拉穿失效方面有积极作用。竹胶板覆面的剪力墙研究中所用钉子多为普通光圆钉，其较低的锚固性能和屈服强度易造成钉子拔出破坏以及钉子弯曲屈服，竹胶板优异的性能没有充分发挥[23-24]，进而影响整体力学性能，导致其刚度、承载力与传统木框架剪力墙相差不大[18,25-26]。自攻螺钉作为木结构连接中的重要紧固件，表面硬度高，芯部韧性好，在淬火硬化后能提高抗弯能力和抗扭转能力[27]，被广泛应用于各种工程中。采用自攻螺钉的竹胶板覆面钉连接试件在刚度和极限承载力方面较同等条件下用普通圆钉连接提升了4～5倍[28]。由此可见，自攻螺钉与竹胶板相结合在连接上有较大潜力。

影响拉穿承载力的因素主要有板材厚度、紧固件直径、紧固件钉帽类型等，但目前对拉穿承载力影响因素的研究较少，缺乏对竹胶板钉帽拉穿承载力显著影响参数的清晰认识。笔者针对竹胶板厚度、自攻螺钉直径及钉帽类型对竹胶板钉帽拉穿力学性能的影响展开试验研究，对其破坏模式和拉穿承载力、强度等进行系统分析，为竹胶板在竹木节点连接中的应用提供数据基础。

1 材料与方法

1.1 试件设计

试验选用浙江梦丽宏竹木有限公司生产的竹胶板。根据欧洲标准BS EN 1383：2016 “Timber structures-Test methods-Pull through resistance of timber fasteners”和国内行业标准LY/T 2377—2014《木质结构材料用销类连接件连接性能试验方法》对自攻螺钉钉帽拉穿强度测试竹胶板试件进行加工，试件尺寸如图1所示，在试件对角线交点处垂直钉入自攻螺钉。竹胶板尺寸为120 mm×120 mm，厚度分别为12，15和18 mm。竹胶板主要材性参数：密度0.85 g/cm3、含水率7.90%、纵向静曲强度78.81 MPa、纵向弹性模量6 428 MPa。根据ASTM D2395-07a “Standard test methods for specific gravity of wood and wood-based materials”对竹胶板进行含水率测试，根据GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测定竹胶板弹性模量和静曲强度。自攻螺钉选用上海美固澄梵紧固件有限公司生产的半螺纹沉头(TCC)自攻螺钉、全螺纹沉头(FTCD)自攻螺钉、全螺纹圆柱头(FTLD)自攻螺钉3种(图2)，根据LY/T 3219—2020《木结构用自攻螺钉》对其进行抗拉强度和抗弯屈服强度测试，材性参数见表1。根据BS EN 1995-1-1：2004+A1 “Eurocode 5:Design of timber structures-Part 1-1:General-Common rules and rules for buildings”中的规定，木材密度大于500 kg/m3或螺钉直径超过8 mm时需要预钻孔，孔径大小取约螺杆直径的70%。因此，所有试件加工均使用了预钻孔，直径为6，8和10 mm的自攻螺钉预钻孔孔径大小分别为4，5和6 mm。

表1 自攻螺钉材性参数Table 1 Property parameters of self-tapping screws 单位：MPa

图1 竹胶板试件Fig.1 Plybamboo specimen

图2 3种自攻螺钉Fig.2 Three types of self-tapping screw

共设计9组竹胶板钉帽拉穿试件，每组重复10个试件，各组试件尺寸参数见表2。试件编号根据“竹胶板厚度-自攻螺钉类型和直径”确定，如12-TCC6表示12 mm厚的竹胶板与直径6 mm的TCC进行钉帽拉穿试验。根据表2：15-FTCD6、15-FTCD8和15-FTCD10 3组用以探究自攻螺钉直径对钉帽拉穿试验的影响；12-TCC8、15-TCC8和18-TCC8 3组用以探究竹胶板板厚对钉帽拉穿试验的影响；12-TCC6、12-FTCD6和12-FTLD6 3组用以探究自攻螺钉类型对钉帽拉穿试验的影响。

表2 各组试件尺寸参数Table 2 Size parameters of specimens 单位：mm

1.2 试验设备及方法

本试验在南京林业大学木结构力学实验室进行，采用100 kN量程的岛津万能力学试验机完成。整个加载过程中同步采集荷载与位移值，采集频率为50 Hz。自攻螺钉由上夹具夹紧，夹具内含锯齿；竹胶板由下夹具固定在试验机上，如图3所示。本次试验为单调匀速加载，参考BS EN 1383：2016设置加载速度为3 mm/min，沿自攻螺钉轴向进行测试，在(300±120)s内达到最大荷载Fmax并记录。

图3 试件加载Fig.3 Specimen loading

2 结果与分析

2.1 试验现象及破坏模式

加载初期，试件未发生明显破坏，荷载随加载位移的增加而增大，荷载达到极限荷载的10%～20%时伴有极轻微的竹胶板劈裂声；随着荷载增大，钉帽逐渐嵌入竹胶板，荷载达到极限荷载的70%～80%时劈裂声增大增多；荷载达到极限荷载的90%时，未与钉帽接触的另一面竹胶板受自攻螺钉螺纹影响开始出现轻微鼓起破坏。随后竹胶板逐渐被压溃，试件进入屈服阶段且荷载达到峰值，钉帽完全嵌入竹胶板。荷载下降时，钉帽继续陷入竹胶板中，未与钉帽接触的另一表面鼓起破坏程度加大且伴随持续的竹胶板劈裂声，此时钉帽周围的竹胶板破坏严重，被完全压溃。

本次试验的破坏模式均为钉帽拉穿破坏(图4a)，该破坏模式主要表现为自攻螺钉钉帽嵌入竹胶板中，使竹胶板局部被压溃，从而失去原有的承载力，自攻螺钉未发生破坏。试验中，有2块18 mm的竹胶板在拉穿过程中出现层板被拉起撕裂(图4b)，该破坏与竹胶板内部构造及加工压机的压力有关。在竹胶板复杂的制作过程中，若压机压力不够，压制时竹胶板内部会存在缝隙等缺陷，密实度会略有降低，导致在钉帽拉穿过程中的层板拉起情况。该层板被拉起的情况未影响试验数据。

图4 试件破坏模式Fig.4 Failure mode of specimen

2.2 荷载-位移曲线

试件的荷载-位移曲线见图5。加载初期，随着荷载的增大，曲线呈近似线性变化，处于弹性阶段。随后曲线上升速度变缓，试件进入屈服阶段并达到最大荷载。由于竹胶板竹片纵横交错组坯的结构，在峰值荷载后曲线下降较为平和，试件呈现出良好的变形能力。从图5a、c、d中可以看出，6 mm自攻螺钉的屈服平台较大，且在下降过程中曲线较之8 mm自攻螺钉更为平缓；从图5a、b、e、i中可以看出，TCC组试件弹性阶段的斜率基本相同，试件弹性刚度较稳定。

图5 试件的荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement curves of specimens

2.3 不同因素对竹胶板钉帽拉穿承载力的影响

竹胶板钉帽拉穿强度是评价竹胶板钉帽拉穿力学性能的一个重要指标[29]。根据BS EN 1383：2016，竹胶板钉帽拉穿强度(fh)计算公式为：

(1)

式中,Fmax为最大荷载，N。

各组试件的平均钉帽拉穿承载力和钉帽拉穿强度见表3，各组试件钉帽拉穿承载力的箱型图见图6。从箱体长度可以看出，除了18-TCC8(标准差1.70)略长，其余8组长度相近，数据较为集中。12-TCC6和18-TCC8的大部分数据都集中在下四分位与中位数之间，15-FTCD10则集中在中位数与上四分位数之间，其余各组数据分布相对均匀。

表3 平均钉帽拉穿承载力和钉帽拉穿强度Table 3 The average head pull-through resistances and head pull-through strengths

图6 各组试件钉帽拉穿承载力箱型图Fig.6 Box diagram of head pull-through resistances of different specimens

2.3.1 自攻螺钉直径

当自攻螺钉类型和竹胶板板厚相同时，自攻螺钉直径越大，钉帽拉穿承载力越大，拉穿强度越小(表3)。这是因为直径大的自攻螺钉与竹胶板接触面积大，在拉穿时需要更大的力，与文献[30]中不同紧固件在改变直径下的钉帽拉穿承载力的试验结果相似。在板厚为15 mm的情况下，当FTCD的直径从6 mm增加至8 mm，再增加至10 mm时，钉帽拉穿承载力分别提高了25.0%和1.29%，随着直径的增加，当径厚比超过1/2后承载力增幅大幅下降。钉帽拉穿强度受最大荷载和钉帽直径共同影响，在15 mm板厚下，15-FTCD6的平均拉穿强度比15-FTCD8和15-FTCD10分别提高了33.6%和73.8%。直径大的自攻螺钉在提高钉帽拉穿承载力方面有积极作用，但由于直径大的自攻螺钉其钉帽直径也大，因此增大自攻螺钉直径会减小钉帽拉穿强度。

2.3.2 竹胶板厚度

不同板厚下8 mm TCC的承载力见表3，当自攻螺钉类型和直径不变时，竹胶板越厚，钉帽拉穿承载力和拉穿强度越大。这是由于竹胶板越厚，越难被压溃。对直径为8 mm的TCC，12，15和18 mm板厚的钉帽拉穿承载力随着厚度每增加3 mm，拉穿承载力分别提高了5.3%和33.7%，当径厚比小于1/2时承载力大幅提高。由于钉帽直径相同，故钉帽拉穿承载力和强度值提高的比率相同。由此可见，厚度增加可提高竹胶板钉帽拉穿承载力和钉帽拉穿强度，且竹胶板厚度越大，钉帽拉穿承载力和钉帽拉穿强度提高的程度越大。

2.3.3 自攻螺钉类型

根据表3中12-TCC6、12-FTCD6和12-FTLD6的3组数据，当竹胶板板厚和自攻螺钉直径相同时，3种自攻螺钉的钉帽拉穿承载力从大到小依次为TCC、FTCD和FTLD。这是由全螺纹和半螺纹的构造差异以及钉帽直径大小造成的。TCC与FTCD 2种钉子对竹胶板内部造成的破坏如图7所示。对于具有相同钉帽直径的沉头自攻螺钉，全螺纹的FTCD螺纹和竹胶板紧密连接，在钉帽拉穿前，螺纹在外力作用下和竹胶板发生相对位移，与螺纹紧密连接的内部竹胶板不再呈原有结构，随螺纹沿受力方向向下产生位移，此时，钉帽下端的竹胶板因为螺纹破坏的缘故对钉帽的紧固作用降低，降低的紧固力大于螺纹对竹胶板产生的紧固力，因此承载力略小，而半螺纹的TCC上部不存在螺纹，破坏仅由钉帽产生，承载力相对较大。全螺纹的FTLD由于钉帽直径较小且为圆柱头，在拉穿过程中容易嵌入竹胶板，故其承载力小于沉头全螺纹FTCD，这与文献[30]中相同自攻螺钉直径下不同钉帽尺寸对钉帽拉穿承载力和强度的影响结论一致。在12 mm板厚下，6 mm的TCC钉帽拉穿承载力比FTCD和FTLD分别提高了22.90%和53.51%。由于FTLD为圆柱头螺钉，其钉帽直径比TCC和FTCD小得多，因此相同条件下FTLD的钉帽拉穿强度最高。半螺纹的TCC有利于提高钉帽拉穿承载力，圆柱头的FTLD有利于提高钉帽拉穿强度。

图7 TCC与FTCD对竹胶板内部造成的破坏Fig.7 Damages caused by TCC and FTCD to the interior of the plybamboo specimens

3 自攻螺钉螺纹与钉帽分离试验

为分别比较螺纹和钉帽对钉帽拉穿承载力的影响，对8 mm全螺纹FTCD的纯螺纹段进行试验(图8)，研究螺纹对15 mm竹胶板的机械咬合力。

图8 对螺纹进行拉伸试验Fig.8 Tensile test on thread

根据试验结果可知，8 mm螺纹对竹胶板的咬合力约为6.5 kN。根据受力分析，半螺纹TCC的钉帽拉穿承载力全部由钉帽提供，而全螺纹FTCD的钉帽拉穿承载力由钉帽及螺纹两部分提供。因此，参考15-TCC8以及15-FTCD8 2组数据可得式(2)～(4)：

FTCC=F钉帽=11 kN

(2)

FFTCD=F螺纹+F′钉帽=9.3 kN

(3)

F螺纹=6.5 kN

(4)

由此可以推出，F′钉帽=2.8 kN。在全螺纹FTCD钉帽拉穿过程中，钉帽提供的承载力受下部螺纹对竹胶板内部破坏的影响大幅降低，承载力主要由螺纹与竹胶板的机械咬合力提供，但螺纹提供的咬合力低于仅钉帽提供的承载力。因此，在钉帽拉穿试验中，除预钻孔对钉帽拉穿承载力的影响外，钉帽和螺纹都会影响到钉帽拉穿承载力，其中钉帽的影响较螺纹影响更明显。

4 结 论

对9组90个试件进行竹胶板-自攻螺钉钉帽拉穿试验研究，分析其破坏模式、荷载-位移曲线等，并探究自攻螺钉直径、竹胶板板厚和自攻螺钉类型对钉帽拉穿承载力、强度等性能指标的影响，得到的主要结论如下：

1)自攻螺钉直径越大，钉帽拉穿承载力越大、拉穿强度越小。当直径从6 mm增至8 mm时，FTCD的最大承载力显著提高；当直径从8 mm增至10 mm时，FTCD的承载力增加甚微。

2)竹胶板越厚，钉帽拉穿承载力越大，钉帽拉穿强度越大。在8 mm的TCC下，钉帽拉穿承载力的提高程度随着板厚的增加越来越显著。

3)由于半螺纹螺钉与全螺纹螺钉在靠近钉帽处钉杆的构造差异以及钉帽的直径差异，半螺纹TCC的钉帽拉穿承载力最大，FTLD的钉帽拉穿强度最大。

4)在对试件均进行预钻孔的情况下，钉帽在钉帽拉穿试验中起主要影响作用。