自攻螺钉加固木结构

自攻螺钉加固木结构
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin TRAUTZ, Dipl.-Ing. Christoph KOJ*
*RWTH Aachen University, Faculty of Architecture,
Chair of Structures and Structural Design
Schinkelstraße 1, 52062 Aachen, Germany
**************.rwth-aachen.de
【摘要】
现代自攻连续螺纹木螺钉为胶合木构件节点连接和加固提供了新方法。

自攻螺订的轴向强度很大且能够与木材紧密结合，其工作原理类似于钢筋混凝土结构中的钢筋。

与混凝土不同，天然建筑材料木材具有高度各向异性，其横纹受拉压与顺纹受剪强度很低。

自攻螺钉可以被用来加强木结构的薄弱部位，如承受集中荷载的部位，也可以用来提高结构的强度和整体刚度。

Chair of Structures and Structural Design在RWTH Aachen大学进行的一系列试验中，螺钉形成了一个内部桁架系统，提高了胶合木梁的抗剪刚度。

类似的，在桁架结构受弯拉应力区用螺钉钢填板加固也可以显著提高其抗弯刚度和极限承载力。

螺钉的第二个应用领域是高性能节点。

自攻螺钉加固的刚框架角节点试验证明其承载能力显著高于传统的销钉节点或glued finger-joints。

自攻螺钉的布置原理采用类似于钢筋混凝土设计中的拉-压-杆模型。

用自攻螺钉加固的方法为加入和提升各种木构件
【关键词】木结构，自攻螺钉，加固，木节点
引言
螺钉连接的木结构建筑已经取得了显著的发展，其广泛使用大大提高了木螺钉的性能。

传统的木螺钉，如德国标准中的DIN571，只有部分螺纹，类似于钉子或销钉被用在剪切连接中。

由于这种类型的螺钉在安装时需要预先钻孔，所以它在木结构中并没有经常使用到。

新型自钻或自攻螺钉头可以容易与配合电动工具使用可以快速安装，通常用于固定墙壁和地板等板材。

其尺寸被加大以用到新领域，目前，尺寸最大的自攻连续螺纹螺钉直径达12mm，长度达800mm。

即使是长度达到2m，直径用到16mm的连续螺纹杆也可以做到，不过那需要预钻孔，图1给出了自攻螺钉和螺杆的实物图。

图1：不同尺寸带自攻连续螺纹螺钉与螺杆
与传统的标准化木螺钉相比，自攻连续螺纹螺钉具有明显的优势。

经过专门硬化，其抗拉强度可达800N/mm2，即使螺钉的核心直径很小也可以承受很大的轴向荷载，减少开裂的
危险。

改善螺钉的几何形状并加大其截面能使其与木材具有很好的粘结力和较好的抗拉拔强
图2：传统木螺钉与自攻螺钉的性能对比
高强度和良好的粘结性能使这些螺钉能够像钢筋混凝土结构中的钢筋那样来加固和连接木结构构件。

使用自攻连续螺纹螺钉来加固木结构构件的方法基于木木结构的材料具有独特的各向异性。

蜂窝结构孔洞意味着质量轻，纤维纵向分布能够提供顺纹方向的高强度，使得结构在木材顺纹方向具有高效性。

而横纹方向则强度和刚度都较低，特别是横纹方向的抗拉强度很低，使得木材具有劈裂的危险。

横纹方向的抗剪刚度和抗剪强度与顺纹方向的抗剪刚度和抗剪强度也相对较低。

木结构的性能可以通过使用自攻连续螺纹螺钉对薄弱部位进行系统的的加固来提高其性能。

螺钉可以承担垂直纤维方向的拉力和压力以及矩形纤维对角线方向的剪力。

在这方面，木结构构件的加固与钢筋混凝土中的钢筋有所不同，钢筋混凝土中由于混凝土易开裂，钢筋主要承担拉力。

加固螺钉可以布置在荷载集中处和结构整体范围内来提高整体结构的强度和刚度。

木材的另一个重要特点，是天然木材高度不均匀性造成的刚度和强度参数范围偏差大。

天然材的自然缺陷如树结和树脂以及老化等问题使得其有效承载力大大低于无缺陷小尺寸试件的试验结果。

对锯材进一步处理，如做成胶合层压木材，可以使材质料均质化，降低参数的变化范围。

尽管如此，残存的天然缺陷，新人为的“缺陷”如胶合层对结构的承载力仍有很大影响。

用螺钉进行加固，可以传递内力，从而减小局部材料缺陷的不利影响和一些不可预测的破坏发生。

相比于无缺陷小试件的试验，局部缺陷主要是降低构件的抗拉和抗弯强度，而对抗压强度的降低并不显著。

因此，对于受弯曲作用的木梁，在受拉区附近进行加固是一种提高承载能力的有效措施。

2.设计模型及加固螺钉尺寸
自攻连续螺纹螺钉的布置必须满足加强或者连接构件的受力性能。

到目前为止已经形成了一些特定问题的解决方案，如支座或主次梁的连接等。

这些方法已经被整理在螺钉通用技术和尺寸手册里。

为了促进自攻连续螺纹螺钉在木结构加固中的广泛使用，通用的螺钉尺寸概念是必要的，这将使得工程师遇到加固和连接问题时对螺钉的布局到定位都变得很容易。

一个基本的需求就是在结构或连接中的内力流的认识。

由于木材的各向异性，基于经典力学的分析方法使用范围很有限。

复杂的边界条件例如受荷与荷载传递，材料特性对不同纹路方向的依赖性，由不同材料组成的复合受力系统如木材与钢，迫使结构分析需要采用数值分析的方法。

精细的数值分析，如使用有限元分析方法很费时。

因此在实际运用中需要用简化设计方法，使用简化手段进行简化。

一种可行的方法来描述螺钉加固结构的力学行为是用钢筋混凝土中的拉压杆模型来确定支座或开槽处的螺钉布置和尺寸。

这种拉压杆模型允许通过一种内部的理想化力流在梁或节点中形成虚拟桁架并将力流分配到桁架的各部分中。

图3给出了一种简单的拉压杆模型。

图3：受正、负弯矩的刚框架角节点中采用拉-压杆模型确定的加固螺钉的布置方式然而，根据混凝土设计中的拉-压杆模型来确定加固位置的这种原理需要根据木材的特性来调整加固位置。

由于混凝土是一种单向抗拉强度很低的各项同性脆性材料，设计时由钢筋承担所有的拉力，压力则由混凝土本身承担。

与此相反，木材在顺纹方向不需要加固就可以承担拉力。

另一方面，在虚拟桁架的受压区布置垂直或倾斜与纤维方向的增强螺钉来提高这些薄弱部位的刚度和强度是合理的。

拉压杆模型反映了内部的力流可以根据工程经验或现有模型的内部力流来构建。

对于更复杂的系统，要按照主应力的方向来构建拉-压杆模型，采用有限元法进行初步分析可能是必要的。

图4给出了在主应力基础上发展起来的螺钉布置方式。

这样的改进可以被用来优化节点的内力或降低杆件高应力区域的应力集中。

拉压杆模型中的构件内力可以很容易地用手算方法或基本工程软件计算出来。

加固螺钉的尺寸可以从虚拟桁架中的杆件内力得到。

如果构件不会发生脆性破坏的危险，例如只有侧向拉应力和剪切应力时，桁架构件的力可以被分配给木材和增强材料。

图4：采用FEM-分析和拉-压杆模型得出来的增强螺钉布置
采用拉-压杆模型来建立详细的结构和尺寸规定还有待进一步的研究。

特别是在研究中这种简化和理想化方法的精度水平与更精细的数值分析方法的对比需要评估。

3.增强螺钉的运用领域
自攻连续螺纹螺钉可以运用在木结构增强和连接的很多领域，也可以与附加的结构进行组合，如与钢薄板等。

木结构的一些个性化增强措施已经得到解决，这类例子有在高应力区域进行侧向加强和在槽口与荷载区侧向受拉区进行加强，在修复措施中，螺纹钢筋已被用于抵抗剪力。

图5给出了一些常用的增强螺钉的应用：
图5：自攻连续螺纹螺钉用在增强和连接构件中的实例
RWTH Aachen大学的Chair of Structures and Structural Design分别在2007和2008年进行了两次研究项目来研究梁和节点的不同增强类型。

3.1 木梁的增强试验
连续螺纹螺钉在梁内部的桁架系统以不同的方式布置来提高木梁的抗剪刚度。

试验的测量方法根据DIN EN 408，采用质量为GL24的层胶木梁，截面尺寸为16*32cm。

在受拉和受压都布置了增强螺钉的虚拟桁架存在剪切刚化效应。

由于木材横纹方向的抗压刚度很低，在桁架系统中，布置增强螺钉作为受拉斜杆，未增强的木材作为垂直压杆，其力学性能要比受拉和受压均布置了增强螺钉的情况低得多。

图6给出了两种桁架增强桁架模型的剪切刚化效应与未增强木梁的对比：
图6：不同螺钉布置方式对胶合木梁剪切刚度的影响
下一步是进行斜向和横向抗剪增强与纵向增强以提高抗弯刚度和弯矩承载能力。

第一种方法是在顺纹方向布置长螺纹钢筋，用于安装螺纹钢筋的孔洞与设计位置有一定的偏离，所以钢筋应与梁表面有足够的距离。

然而，测量对于梁的刚度和承载力的影响并不满足预期，因此决定用外部钢筋来进行弯曲加固。

钢材的高强度和弹性模量使得即使构件不大，对木梁的强度也有明显提高。

对于木质板材，钢片是首选的增强材料。

钢片由斜向螺钉与特殊的锚垫块固定在梁上，钢片和木梁形成一个弹性连接，接触面的刚度对增强木梁的性能至关重要，同时影响到其弯矩承载力和抗弯刚度。

螺钉的高轴向刚度与锚垫块的无滑移设计使得其复合刚度很高。

带钢薄片和锚块的试验装置如图7所示。

图7：内嵌自攻螺钉，外布钢薄片的增强木梁抗弯试验（左下角是螺钉通过锚块固定刚薄片的详图）对两种不同的钢薄板增强木梁进行试验，木梁长5.76m，截面尺寸为16X32cm：第一种钢薄板厚6mm，材料选用S235钢，第二种薄板厚8mm，材料选用S355的钢材。

增强木梁与未增强梁的试验对比如图8所示。

图8：钢薄板增强木梁荷载-位移曲线图
6mm的钢片使木梁的极限荷载提高45%，抗弯刚度增加39%；8mm的钢片使木梁的极限荷载提高80%，抗弯刚度增加49%。

增强木梁的破坏模式为受压区木材压缩，钢薄片受拉的延性破坏，这与正常木材的脆性破坏模式相比是一大优势。

桁架状的增强螺钉保证即使在
破坏初期钢薄片的锚固不会失效，且能防止大范围的层状撕裂和剪切破坏。

试验结果凸显了内部桁架状螺钉布置与外部钢片组合补强的高性能。

这种方法尤其适用于结构改造和木梁加固，因为它可以在原位加固且相对不受水分含量和木材表面质量及其他外部气候条件的影响。

3.2自攻连续螺纹螺钉节点连接试验
在第一系列的试验中，受拉构件之间的连接是方形截面，用一个单边鱼板与斜螺钉进行连接。

螺钉的基本布置方式可以见图4。

相比于采用与截面适用的最大钢销数目连接的传统节点，螺钉节点接头的承载能力要搞18%，值得注意的是其纵向刚度也更高。

此外，连接中的增强螺钉可以引导木鱼板内部的拉力流，使得荷载的偏心率得到降低，并且板的弯曲断裂也得到防止。

采用销钉连接和螺钉连接的节点的两个示例性破坏状态如图9所示。

图9：一边鱼板节点采用钢销钉连接（左）与自攻连续螺纹螺钉连接（右）的破坏状态刚框架角节点螺钉连接的一个主要研究领域是斜接接头。

节点设计时分别考虑受正弯矩和负弯矩两种情况。

参照的基本拉-压杆模型的螺钉布局见图3。

相应的螺钉布置方式以及实验设计见图10。

图10：刚性角节点加强螺钉布置方式
节点的承载能力会通过改进螺钉布局和最大化螺钉数量得到提高。

无论是受正弯矩还是负弯矩，其极限承载力都比传统的连接节点如用钢销设置成铰接的要高得多。

一个包含承载力、试验达到分位角时的承载力特征值与理论参照节点的理想胶合木连接值的表格已经给出，见图11。

图11：传统节点、理论节点计算值、螺钉节点产生5%分位角的极限承载力对比可以看出，螺钉节点可以承担的负弯矩接近于理论计算的极限荷载的90%。

如图12所示的布置的承载力试验中，试验的破坏为试验垂直腿的弯曲破坏。

对于布置较少螺钉的节点，螺钉受拉破坏是典型的破坏原因，其结果是统计出来的极限荷载极低。

在这些情况下侧得的破坏荷载值正好与拉-压杆模型计算出来的结果吻合。

拉-压杆模型也因此被证明是检查框架角节点螺钉尺寸和布局的合适方法。

用集中的刚性增强构件来引导内力向预定的路径传递也被用在角接头的设计中。

通过在靠近节点内角的负弯矩处安装刚度很大的螺纹钢筋，可以将弯矩最大限度地转化为斜向剪力，这样，木材的内拐角压缩得到减小，从而增加整个连接的刚度。

高承载力的刚性角节点使得轻型框架结构和高品质建筑得到发展。

图12：螺钉连接的刚框架角节点破坏模式：左图受正弯矩，右图受负弯矩
4、结论与展望
使用自攻连续螺纹螺钉来增强和连接木结构构件的概念为木结构建筑的许多工程问题提供了有效的解决方案。

研究项目的开展证明了螺钉增强和连接木结构的高性能。

为了使结构和设计方法更一般化，还需对一些方面进行深入研究。

一个重要的方面就是增强构件在不同的气候条件和变化的动荷载中的长期使用情况。

尤其是要考虑木材的干缩和老化的发展对
增强木结构的影响，以及它们对木材与螺钉之间的粘结性能的影响。

拉-压杆模型易于增强构件的尺寸确定，这种简化设计方法的适用性需要在进一步的试验中核实。

减小螺钉与木纤维之间允许的最小夹角将大大增加可能的应用领域，特别是进行创新性精细节点设计。

增强和连接方法的介绍打开了高性能木结构建设和修复的许多新设计领域。

致谢
研究项目由国际SPAX主办，试验在Aachen大学建筑材料研究所（IBAC）完成。

参考文献
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