木结构销钉类紧固件连接试验方法简介

第39卷第1员期Vo139No.1员

2011年1员月晕ov.2011

林业机械与木工设备

FORESTRYMACHINERY&WOODWORKINGEQUIPMENT

试验与研究

木结构销钉类紧固件连接试验方法简介

渊1.黑龙江省木材科学研究所袁黑龙江哈尔滨150081曰2.中国林业科学研究院袁北京100091冤

摘要院介绍了欧美木结构中确定销钉类紧固件连接性能的试验方法袁主要包括木质材料抗拔握钉力试验尧横

王春明

1112

袁刘一楠袁孟黎鹏袁周海宾

向承载试验尧抗拉穿性能试验和销槽承压强度试验袁以推动我国木结构方面的相关研究遥

关键词院木结构曰连接曰销钉类紧固件

中图分类号院

TS664文献标识码院文章编号院1001-4462渊2011冤11-0028-05

Ａ

ABriefIntroductiontoTestMethodsfortheConnectionsof

DowelTypeFastenersinWoodStructures

渊gjiangWoodScienceResearchInstitute,HarbinHeilongjiang150081,China;eAcademy

ofForestry,Beijing100091,China冤

WANGChun-ming

1112

袁LIUYi-nan袁MENGLi-peng袁ZHOUHai-bin

.. All Rights Reserved.

粤遭泽贼则葬糟贼院ThetestmethodsfordeterminingtheconnectionperformanceofdoweltypefastenersinwoodstructuresinEurope

andAmericaareintroduced,mainlyincludingwithdrawaltest,lateralloadtest,pull-throughresistanceanddowel-bearing

strengthofdoweltypefasteners,withtheaimtopromoterelevantresearchrelatedtowoodstructuresinChina.

运藻赠憎燥则凿泽院woodstructure;connection;doweltypefastener

现代木结构住宅在世界上许多国家已很普遍遥在

北美和北欧袁木结构住宅处于主导地位曰在日本袁新建

房屋中半数以上是木结构建筑遥近年来袁随着国外木结

构住宅进入我国市场袁我国的木结构建筑开始复苏袁由

于其具有安全尧抗震尧节能和保温等优点袁正逐渐得到

人们认可遥随着我国经济的发展尧生活质量的提高以及

环保的要求袁现代木结构建筑的发展前景广阔遥

木建筑中的连接通常是其最薄弱的环节袁而用销

钉类紧固件连接的木构件袁具有良好的韧性和安全可

靠性袁在木结构中得到了广泛的应用袁是目前比较常用

渊本文遥销钉连接主要包括木质材料

的连接方式之一

咱1暂

质材料与板材之间以及木质材料与金属连接件渊板冤之

间的连接遥虽然销钉材料和木质材料的强度是确定的袁

但组合后的强度及性能必须通过评估试验来获得遥本

收稿日期院圆园11原园7原13

基金项目院黑龙江省森工总局青年基金项目渊sgzjQ2010009冤曰

林业公益性行业科研专项渊200904016冤

文对先进国家和组织的相关木结构用销钉连接方法和

标准加以简单介绍袁可为今后我国研究和评估木结构

销钉紧固件连接试验和连接性能提供参考遥

1.1销钉类紧固件

1销钉紧固件及其连接试验方法

销钉类紧固件主要包括钉尧木螺钉尧码钉尧方头螺

钉尧销和螺栓遥在木结构中袁用钉尧码钉和木螺钉作连接

件的构件尺寸较小袁受力较小袁这种连接方法在轻型木

结构中被广泛采用袁其中木螺钉具有更好的咬合力及

抵抗拔出力的性能袁且拧出木螺钉比拔出普通钉容易袁

因此木螺钉通常用于有可能需要调整的连接部位遥螺

栓除了用于连接外袁也常用于紧固组合梁袁但螺栓连接

的木构件尺寸通常比钉连接的木构件尺寸大遥方头螺

钉也经常在木结构中被使用袁特别是它可以用在难以

用螺栓紧固或不希望有螺母突出在构件表面的情况遥

没有帽或尖形的销可通过木质材料上的预钻孔从一个

构件进入到相邻的构件袁其主要作用是避免木构件连

木质材料包括实木尧胶合木和结构复合木材冤之间尧木

第11期圆怨

王春明袁等院木结构销钉类紧固件连接试验方法简介

接分离和传递横向载荷遥

剪盘和裂环类产品与螺栓一起使用袁可以增强螺

栓的连接性能遥这类连接是剪盘和裂环与螺栓共同连

接袁其中剪盘和裂环是主要承载部件袁由于剪盘和裂环

增加了连接支撑面积和剪切面积袁因此大大增强了连

接性能曰螺栓则起到防止构件横向分离的作用袁但也能木质材料应具有合适的尺寸袁以避免紧固件楔入

承受一定的载荷遥在欧盟及美国的木结构设计规范中时发生劈裂遥对于钉和码钉袁楔入深度为自身长度的

都涉及了剪盘和裂环连接遥

1.2连接试验类型

连接试验通常包括木质材料抗拔握钉力试验尧横身长度的二分之一遥试验时袁试验机要以2.5mm/min渊误

向承载试验和抗拉穿性能试验遥木材抗拔握钉力试验差依25豫冤的速度匀速拔出紧固件并记录拔出最大载荷

是指紧固件插入木质材料后拔出性能的试验方法袁抗和单位尺寸拔出载荷遥

拉穿性能试验是指木材紧固件头部穿透木材抵抗力的

试验方法袁这两种试验均主要用在钉尧码钉和木螺钉连

接的情况遥横向承载试验主要是指确定销钉类紧固件紧固件与木质材料装配后袁检测紧固件承受横向

在木结构中承受横向载荷时的强度和特征形变的试验载荷时组件的承载性能遥横向承载试验主要分为单剪

方法袁其按紧固件受力情况可分为单剪尧双剪和多剪袁连接试验和双剪连接试验遥

其中单剪尧双剪最常用曰按木构件的数量可分为双构

件尧三构件和多构件袁其中双构件和三构件最常用曰按

紧固件的数量可分为单紧固件和多紧固件曰按构件材

料类型可分为木木连接和钢木连接袁其中钢木连接主

要是指钢板与木质材料进行连接遥另外在美国木结构

设计规范中确定销钉类连接设计值常用到销槽承压强

度袁因此木材销槽承压试验也可以认为是木材连接试验遥

2欧美销钉类紧固件连接试验方法

2.1抗拔握钉力性能试验

该性能试验是将钉尧木螺钉和码钉等紧固件垂直

楔入木质材料后袁检测拔出握钉力性能的试验方法遥

渊员冤欧盟标准BSEN1832试验方法院

紧固件按常规渊如预钻孔冤和习惯垂直楔入试件表

咱2暂

面袁试件的宽度和高度及紧固件楔入位置如图1所示遥

紧固件楔入深度应在8耀20d之间渊d为紧固件直径冤袁但

紧固件直径在2mm以下时楔入深度至少应为12d遥

≥5d

≥5d

图1拔出握钉力试验

试验时试验机要匀速拔出在试件上的紧固件袁试

验要求在90s依30s时间内达到拔出最大载荷并记录遥然

后计算拔出参数袁拔出参数为拔出最大载荷除以紧固

件直径与楔入深度之积遥

渊圆冤美国ASTMD1761试验方法

咱3暂

院

70%袁采用通常方法把紧固件楔入木材遥对于木螺钉袁拧

入深度与钉身螺纹部分相等或者为钉长度的三分之

二袁导孔的尺寸大小应为螺纹内径的70%袁深度约为钉

2.2横向承载试验

2.2.1单剪连接试验

单剪连接主要是指销钉类紧固件连接承受一个剪

切力的情况遥单剪连接又分为双构件单剪连接和三构

件单剪连接遥

渊员冤双构件单剪连接试验院

在ASTMD1761中规定了双构件和一个紧固件的单

剪连接遥每个试件由一薄一厚两个长木块和紧固件组成袁两

木块部分重叠袁紧固件从薄木块到厚木块穿过重叠部分

中心袁形成试件遥紧固件应尽可能地与木材表面垂直袁钉

帽应与木材表面齐平遥楔入区域内不得有节子尧树脂道尧裂

缝等影响试验精度的缺陷遥试验时试验机要以2.5mm/min

渊误差依25豫冤的速度匀速对测试试件施加拉力载荷并记

录最大载荷遥单剪连接试验装置如图2所示遥

图2单剪连接试验装置

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猿园第39卷

林业机械与木工设备

渊圆冤三构件单剪连接试验院

根据BSEN1830标准检测三个构件与多个紧固进行遥

咱4暂咱5暂

件组成的单剪连接遥

构件准备应按通常方法进行渊如预钻孔冤袁紧固件

垂直于构件表面楔入并进入相邻构件遥紧固件和构件

装配方式应与通常使用时相同袁组装时木构件的尺寸尧

数量和紧固件进入深度应是对称的袁可以用金属连接

板作为侧面构件遥图3所示为使用不完全穿透销钉类

紧固件的三构件单剪连接遥其中袁图3渊a冤为顺纹三构件

单剪连接袁图3渊b冤为边部构件横纹单剪连接袁图3渊c冤为

0.5F

F

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渊a冤顺纹三构件单剪连接

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渊b冤边部构件横纹单剪连接

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121

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图3用不完全穿透销钉类紧固件的三构件单剪连接

渊c冤中部构件横纹单剪连接

L.端部长度曰F.加载载荷曰t.边部构件厚度曰t.中间构件厚度

1.木纹方向曰2.未突出端部曰3.突出端部曰4.位移读取点曰b.构件宽度曰

12

注院销和螺栓均突出边部构件的表面遥

中部构件横纹单剪连接遥

加载方式根据EN26891标准

2.2.2双剪连接试验

双剪连接主要是指销钉类紧固件承受两个剪切力

的情况袁通常需要使用3个木质材料试样遥

渊员冤单个紧固件的双剪连接试验院

ASTMD5652

咱6暂

和ASTMD1761标准中的双剪连接

试验通常采用一个紧固件和3个构件袁分为顺纹和横

纹袁如图4所示遥其中图源渊a冤为顺纹双剪尧渊b冤为横纹双剪遥

渊a冤顺纹双剪渊b冤横纹双剪

图4单个紧固件的双剪连接

当三构件均为木质材料时袁连接的每个边部构件

的厚度至少是中部构件厚度的二分之一遥当连接涉及

金属或其他边部构件渊如板材料冤时袁边部构件的厚度

应达到实际使用厚度袁选择构件的宽尧长尧厚度尺寸时

应考虑端部和边部距离袁构件尺寸应能代表连接的使

用尺寸遥压缩载荷时的最小端距应是螺栓直径的4倍袁

而拉伸载荷时则是螺栓直径的7倍遥

进行横纹试验时袁载荷方向平行中部构件并垂直边

部构件袁或加载方向垂直中部构件并平行边部构件遥试

件应按压缩或拉伸要求进行加工遥拉伸连接试验比压缩

连接试验更能代表实际情况袁应优先选择拉伸试验遥

试验机加载大约10min要达到最大载荷袁但达到

最大载荷的加载时间不得少于5min和不超过20min遥

试验机压头以恒定速度1.0mm/min渊误差依50%冤移动

时袁通常即可以在规定的时间内达到最大载荷遥观察连

接部分在承载时的表现并记录袁记录包括第一次松弛

载荷尧破坏模式和其他重要细节袁直到读取极限载荷遥

对于压缩载荷袁试验可以在合计15mm变形时停止遥记

录最大载荷袁建立载荷变形曲线袁得到屈服载荷和比例

极限载荷遥

渊圆冤三构件和多个紧固件的双剪连接试验院

根据BSEN1830标准袁其为检测三个构件与多个

紧固件组成的双剪连接试验遥三个构件和多个紧固件的

双剪连接如图5所示遥紧固件垂直边部构件从表面楔

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第11期猿员

王春明袁等院木结构销钉类紧固件连接试验方法简介

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图5用不完全穿透销钉类紧固件的三构件双剪连接

渊c冤

1.木纹方向曰2.未突出端部曰3.突出端部曰4.位移读取点曰b.构件宽度曰

L.端部长度曰F.加载载荷曰t.边部构件厚度曰t.中间构件厚度

12

注院销和螺栓均突出边部构件的表面遥

入袁并进入到另两个构件中袁通常是紧固件贯穿边部和

中部进入到另一个边部构件中袁或紧固件贯穿三个构

件袁其他与单剪连接基本相同袁详见本文2.2.1节渊圆冤遥

2.3抗拉穿性能试验

根据BSEN1383标准

咱7暂

钉等木材紧固件头部穿透木质材料时抗拉穿性能的试

袁其为检测钉尧木螺钉尧码

验方法遥

准备好木质构件渊如预钻孔冤袁按习惯垂直于试件

表面楔入紧固件袁见图6袁其中图6渊a冤为使用钉或木螺

钉的情况袁图6渊b冤为使用码钉的情况遥如果测试试件是

实木袁一半数量的紧固件应插入年轮袁另一半应避开年

轮遥对于码钉袁一半数量的紧固件与木纹保持0毅袁另一

半则是90毅遥

tt

FF

渊a冤钉渊木螺钉冤抗拉穿试验渊b冤码钉抗拉穿试验

图6抗拉穿试验

t.木制构件厚度曰F.加载载荷

测试装置应按EN26891标准第7章的要求袁测试

载荷方向与紧固件轴向方向一致袁试验机要以匀速从

木质材料中拔出紧固件头部袁同时要求试验机在300s依

120s时间内达到拔出最大载荷遥

拔出最大载荷除以紧固件帽的面积即为穿透参数遥

2.4销槽承压强度试验

ASTMD5764标准

横向时进行加载的抗承压能力袁我们简称为销槽承压

咱8暂

介绍了木质材料在紧固件为

强度遥

测试通常选择无缺陷且直纹理的木块遥紧固件放

置处应避开影响强度的节子尧斜纹理以及其他自然或

加工缺陷袁除非研究目的是为了确定这些因素的影响

程度遥试件应足够大袁以避免在装配时发生劈裂遥如果

在完成半孔试验前试件有劈裂趋势袁可按图7渊a冤进行

全孔试验袁如果全孔试验加载期间发现销弯曲袁推荐考

虑按图7渊b冤进行半孔试验遥

渊a冤全孔试验渊b冤半孔试验

图7销槽承压强度试验

试验机要在1耀10min时间内达到最大载荷袁通常

在试验机压头移动速度为1.0mm/min渊误差50%冤时即

可在规定的时间内达到最大荷载袁观察试件并记录观

察结果遥记录包括试验的第一个松弛载荷尧破坏模式尧

最大载荷及其他有效数据和信息遥当位移为二分之一

紧固件直径或达到最大载荷时停止试验遥建立载荷变

形关系曲线袁得到最大载荷和屈服载荷遥

2.5加装裂环和剪盘后的横向承压试验

为了增强连接性能袁裂环和剪盘类产品通常也用

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猿圆第39卷

林业机械与木工设备

在横向承压结构中袁其中裂环和剪盘最常用遥在美国也只有一种袁与本文2.2.2渊员冤单个紧固件的双剪连接试

叶木结构设计规范曳NDS-2005

咱9暂

中给出裂环和剪盘图片验类似袁不能满足木结构实际连接试验的需求遥我国应

如图愿所示遥其中图愿渊a冤为裂环袁渊d冤为组装连接后的加快制定木结构销钉类紧固件连接的试验方法标准和

裂环曰渊b冤和渊c冤为剪盘袁渊e冤为组装连接后的剪盘遥裂环技术规范袁以便于对我国木结构用的主要树种及其销

和剪盘应紧密地装配在木质材料的机械加工槽中袁装钉紧固件连接进行检测袁为我国木结构建造提供数据

配好后再按本文2.2的方法进行横向承压试验遥支持袁以利于我国木结构的快速发展遥

参考文献院

咱1暂叶木结构设计手册曳编辑委员会.木结构设计手册:第3版咱M暂.北

京:中国建筑工业出版社袁2005.

咱2暂BSEN1832:1999袁Timberstructures-Testmethods-Withdrawal

咱3暂ASTMD1761-06袁StandardTestMethodsforMechanicalFasteners

咱4暂BSEN1830院2009袁Timberstructures-Testmethods-Loadbearing

咱5暂BSEN26891院1991袁Timberstructures-Jointsmadewithmechanical

渊a冤裂环渊b冤剪盘渊c冤剪盘

nails袁screws袁dowelsandbolts咱S暂.2009.

inWood咱S暂.2006.

capacityoftimberfasteners咱S暂.1999.

fasteners-Generalprinciplesforthedeterminationofstrengthand

ASTMD5652-95袁StandardTestMethodsforBoltedConnections咱6暂

BSEN1383:1999袁Timberstructures-Testmethods-Pull-through咱7暂

ASTMD5764-97a袁StandardTestMethodforEvaluatingDowel-咱8暂

ANSI/AF&PANDS-2005袁NationalDesignSpecificationforwood咱9暂

construction咱S暂.2005.

GB/T50329-2002袁木结构试验方法标准咱S暂.2002.咱10暂

BearingStrengthofWoodandWood-BasedProducts咱S暂.2007.

resistanceoftimberfasteners咱S暂.1999.

inWoodandWood-BasedProducts咱S暂.2000.

deformationcharacteristics咱S暂.1991.

渊d冤组装后的裂环渊e冤组装后的剪盘

图8裂环和剪盘及其连接方式

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本文介绍的试验方法是美国和欧盟的标准及技术

规范遥美国和欧盟建造现代木结构建筑已有很长的历

史且有大量标准和技术规范曰我国现代木结构发展的

时间较短袁销钉类紧固件连接的试验方法几乎是空白遥

虽然在GB/T50329-2002标准

咱10暂

3结束语

中有圆钢销连接试验

第一作者简介院王春明袁黑龙江省木材科学研究所副研

方法袁但圆钢销只是销钉类紧固件中的一种袁试验方法

究员遥

窑征订启事窑

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