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正交胶合木自攻螺钉抗剪连接件的群组效应
Afrin Hossai;1Marjan Popovski;2Thomas Tannert,M.ASCE3
摘要: 正交胶合木板(CLT)在用作剪力墙或横膈膜时，通常采用多根销钉式紧固件连成一排。对于这种连接我们会发现一般都是多个紧固件的承载能力小于单个紧固件承载能力的总和，这种现象被称为群组效应。本文研究了自攻螺钉(STS)在正交胶合木板间剪切连接中的群组效应。在175个准静态单调和反循环试验中评估了不同的连接类型(自攻螺钉的表面螺纹连接的剪力，自攻螺钉的半搭接和对接连接剪切和收缩)，每行的自攻螺钉数在2到32之间。结果表明群组效应能力(力)可以表示为所有节点在静载荷作用下均为9n，其中为有效扣件数。在交变载荷的情况下,更能解释群组效应,可以表示为 .与加拿大现行的拉力螺钉设计规定相比，这些减少得没有那么保守。为减少刚度和延性分别适用于静载和循环荷载作用下的所有节点。最后，循环荷载作用下的节点承载力、延性和刚度与静力值相比平均降低了10%。 DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0002357。copy;2019美国土木工程师协会。
作者关键词: 正交胶合木板;自攻螺丝;剪切连接;群组效应
介绍
目标
在正交胶合木(CLT)连接中，大量自攻螺钉(STS)通常放置在一排。多根机械紧固件的木连接件承载能力小于单根紧固件承载能力之和的现象称为群组效应。可以使用有效紧固件数量, 的概念来描述这种减少，其中指的是多个紧固件连接的承载能力，是单个紧固件的承载能力。虽然之前的研究，如后面章节所述，已经广泛地研究了使用自攻螺钉的剪切正交胶合木板连接的力学行为以及桩式紧固件承载能力的群效应因素，但是很少有关于正交胶合木板中自攻螺钉连接的群效应的研究。
本研究的目的是研究使用自攻螺钉的正交胶合木板平面内剪切连接中的群组效应。自攻螺钉数量对两种准静态连接的承载能力、刚度和延性的影响利用自攻螺钉进行剪切和收缩的不同连接类型的单调和循环荷载评估。
正交胶合木板结构和连接
正交胶合木板是一种板式工程木材产品，由多层空间木材垂直粘合而成。正交胶合木板是混凝土和钢材的可再生替代品，可以用于地板、墙壁和屋顶元素，也可以作为整个建筑的材料。此外，“在地震多发地区设计、建造正交胶合木板结构已不再是一件新鲜的的事，而是成为常规木材工程的一部分”。 正交胶合木板虽然最初是在欧洲开发的，但加拿大和美国的对正交胶合木板在北美的流行做出了贡献，在那里，正交胶合木板的制造受到prg320 的监管。正交胶合木板元件和连接的设计规定被纳入2015年《国家木质结构设计规范》(NDS 2015)和2016年《加拿大木质工程设计标准2014年修订版》[CSA- o86 (CSA 2016)]中。
正交胶合木板面板到面板(以及墙壁到墙壁或地板到地板)的连接需要针对面内剪切力进行设计。由于正交胶合木板面板本质上是刚性的，因此需要在抗震抗侧力系统(LLRS)的墙体组件中使用延性连接进行组装，以在地震荷载作用下分散能量。正交胶合木板墙体组件与延性销钉式紧固件连接时，在循环荷载作用下表现出足够的能量耗散。在这些面板到面板的剪切连接中，实际应用中通常使用不同的连接类型，如内螺纹键、单或双面螺纹键、半搭接或对接连接，通常在一排安装大量的紧固件。
2016年CSA-O86增编引入了一项条款，为正交胶合木板剪力墙和横膈膜的设计提供了指导。这些规定仅限于平台型建筑，其中正交胶合木板面板被假定为刚体，最小阻力由连接控制。为了避免滑动，剪力墙段的高长比被限制在1:1到4:1之间，建议将高宽比限制在2:1到4:1之间。该设计遵循以能量为基础的方法，即分段剪力墙中相邻平行墙板之间的垂直接缝是为耗能而设计的，而其他接缝和正交胶合木板面板是为超强度设计的。进一步的要求是，屈服模式控制能量耗散连接的设计，并至少在连接水平上提供适度的延性，以及足够的变形能力，以使正交胶合木板面板能够发展其假设的运动。由于这些规定，最小阻力需要划分成墙的部分，并通过耗能连接进行连接。使用放置在一行中的自攻螺钉的剪切连接是最佳选项之一。
自攻螺钉
自攻螺钉属于销钉型紧固件，包括螺栓、销钉、木螺钉和拉力螺钉，被认为是木结构连接器技术的最先进产品。它们由淬火钢制成，通常具有连续的螺纹，以获得高屈服力矩、抗拉和扭转强度以及高的抗拉强度。自攻螺钉通常直径可达12毫米，长度可达1000毫米，因此非常适合连接大型木材段和转移高负荷。该螺纹还提供了沿埋入长度的连续机械连接，这使得自攻螺钉在轴向载荷下成为一个非常坚硬的紧固件，有利于将其用作加固元件。因此，自攻螺钉已成功应用于加固木材构件和连接处。一般密度的木制品中使用的小直径自攻螺钉不需要预钻孔，这使得自攻螺钉安装比传统的拉力或木螺丝更快，成本更低。将自攻螺钉安装在与接口成一定角度(通常为45°)的位置也会增加剪切连接的刚度。
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自攻螺钉的最新研究，重点研究了螺杆和连接参数的影响，以及考虑斜螺杆剪切和拉拔连接作用的模型。自攻螺钉的抗拔性可以通过欧洲规范5 [EN 1995 (CEN 2008)]中产品批准提供的公式或螺钉通用设计公式来预测。北美木材设计标准(NDS 2015)和CSA- o86 (CSA 2016)尚未对自攻螺钉提供任何设计指导;因此，工程师们依赖于制造商的技术报告。 [CCMC 13677-R (CCMC 2013)]或使用标准的拉力螺杆设计规定。然而，使用滞后螺杆的规定，产生非常保守的结果，特别是关于自攻螺钉的收缩阻力。
正交胶合木板剪切与自攻螺钉的连接
采用自攻螺钉作为紧固件的正交胶合木板剪切螺纹键连接由Sandhaas等人进行了研究。在准静态单调和反向循环荷载作用下。他们在剪切作用中使用自攻螺钉获得了高韧性连接，在拉拔作用中使用自攻螺钉获得了更硬的连接。Gavric对螺纹键和半搭接剪力连接进行了测试，发现半搭接接头的性能优于螺纹键接头。
Hossain等人论证了在对接处采用双斜紧固件的创新自攻螺钉装配的可行性。在准静态单调加载下具有高刚度和延性，在反向循环加载下具有中等延性。沙利文等人对直径为8 mm和10 mm的自攻螺钉膜片接头进行单调和循环试验，发现试验屈服强度与国家设计规范(NDS)设计强度因子比值为2-6。回顾了正交胶合木板中用于计算榫钉式紧固件和连接的特征提取和嵌入强度的方法，并将其与现行的欧洲设计规范进行了比较，作为在即将到来的欧洲设计规范修订版中实施正交胶合木板连接设计指南的基础。
默罕默德等人提出了有利于正交胶合木板建筑设计和组装的专有连接解决方案，讨论了全世界标准中采用的正交胶合木板连接的设计方法，并得出结论，一旦正交胶合木板产品在建筑行业获得更多的市场份额，这些方法将进一步发展。Loss等人评估了在准静态单调试验和循环试验下，螺钉插入的数量和角度以及剪切面数量对简单对接接头承载能力、刚度、延性和耗能性能的影响。经证实，已建立的设计规定和承载能力设计模型提供了良好的估算，但现有的刚度模型似乎不够充分，存在相同的过高估算。
群组效应为定位销式紧固件的承载能力
直到20世纪60年代，在木材设计中还没有明确考虑到群组效应，连接件的承载能力只是简单地假设为单个紧固件的设计值乘以紧固件的数量。基于理论考虑，Doyle、Kunesh和Johnson和Lantos提出了考虑螺栓连接中的群效应的方程。Cramer的研究表明，按顺序排列的紧固件并不能平均分担负荷，但是最外层的紧固件承担的负荷最大。Wilkinso认为该模型仅适用于线弹性范围和平行于谷物的荷载。Gehri和Jorissen提出了其他的群效应方程。
在NDS中，群组效应因素是在1973年被引入的。g 自1997年以来，NDS还根据Zahn的工作，为销钉式紧固件（直径介于[0.635和2.54 cm]之间的螺栓和拉力螺钉）、开口环和剪切板提供了一个组作用系数的计算公式为连接的两根木杆的刚度和横截面积比、紧固件的数量、紧固件之间的间距以及连接的荷载-滑移模量的函数。g 在CSA-O86中，于1984年引入了螺栓、拉力螺钉、劈开环和剪切板的修改系数J G。1989年，根据Yasumura和Masse等人的研究结果，对每行螺栓的数量、加载端距离、螺栓行数和螺栓长细比进行了调整。2009年，CSA-O86引入了基于力学的螺栓连接能力模型，该模型考虑了脆性破坏模式，并剔除了螺栓的群组效应修正因子。但是，关于拉力螺钉的规定仍然没有改变。在欧洲设计规范[EN1995 (CEN 2008)]中，对钉子(间距和预钻孔的函数)、螺栓和木螺钉(直径和间距的函数)和木螺钉提供了不同的群效应因子方程，但是，它不考虑垂直于纹理加载的连接件中的。
图1.根据不同的设计标准和公式降低了的强度。
关于自攻螺钉中的群组效应，Brandner研究了置于正交胶合木狭窄面上的自攻螺钉群体的收缩能力，并提出了关系式，即使试验结果表明gt;1。Krenn和Schickhofer使用倾斜自攻螺钉对带有钢侧板的集成材接头进行了拉伸试验，结果表明，当比较延性和拉拔破坏模式时，是可变的和不一致的，并提出了=0.9n的承载力降低和=的正常使用极限状态。研究了螺钉数量对斜螺钉钢木接头刚度的影响;然而，没有提出方程。Ringhofer指出,可以实现如果可以避免不利的脆性破坏模式，并且单螺杆和它们之间的间距为荷载再分配提供了足够的延性。技术审批如, ETA-11/0190 (ETA 2018)提供螺钉轴向加载。
当使用STS应用于CLT剪力连接时，欧洲规范5、NDS和CSA-O86中实现的群效应表达式明显不同，例如，根据欧洲规范（EC5），对于更多数量的螺钉，的值是CSA-O86的两倍（图1）。
这些差异表明需要对多螺杆连接进行进一步的基础研究。本文的研究目的是研究自攻螺钉数量对使用自攻螺钉的正交胶合木板平面内剪切连接的承载能力、刚度和延性的影响。
试验研究
材料
用于测试的正交胶合木板面板符合PRG-320 (ANSI/APA 2018)的要求;它们由云杉-松树-冷杉(SPF)制试验板为三层，厚99mm，V2M1级，平行层由1/2号SPF和3号SPF垂直层组成；强度和刚度特性符合CSA- o86 (CSA 2016)。在进行正交胶合木板- 自攻螺钉连接测试期间，使用手持式电阻计测量正交胶合木板面板的平均含水率为10%(plusmn;2%)。
四种不同类型的自攻螺钉直径d=8毫米与加拿大产品批准CCMC 13677 - r (CCMC 2013)被用于测试项目:(1)80毫米的部分螺纹(PT)装配插塞式连接器沉头螺钉放置在alpha;=90°和beta;=90°用于剪切作用;(2)90毫米长的螺纹(PT)装配插塞式连接器沉头螺钉放置在alpha;=90°和beta;=90°用于剪切作用;(3)140 毫米长的全螺纹装配VG沉头螺钉放置在alpha;=90°和beta;=45°用于剪切作用或alpha;=45°和beta;=45°用于收缩作用； (4)长180 毫米装配VG螺丝放在alpha;=45°或beta;=33°处用于收缩作用。此处，角alpha;是螺钉轴与CLT面板之间接合线之间的夹角，beta;是插入的横向角（图2）。
图.2.节点试件布置:(a)剪切自攻螺钉的螺纹节点;(b)剪切时与自攻螺钉搭接;和(c)收缩;与自攻螺钉对接(d)剪切;和(e)收缩。
图.3.测试连接:(a)剪切自攻螺钉的螺纹键连接;(b)剪切时与自攻螺钉搭接;和(c)收缩;与自攻螺钉对接(d)剪切;和(e)收缩。
连接类型
本文所述的实验主要集中在沿着正交胶合木板板边缘安装自攻螺钉所获得的正交胶合木板接头的面内剪切特性。所有测试的正交胶合木板组件都与自攻螺钉连接，自攻螺钉设计用于三种不同的连接类型(表面螺纹键、搭接和对接)，具有两种不同的螺杆作用(剪切和收缩)，如图2，图3所示。测试了五种不同的连接构型(A-F型)。现在将给出每种类型的简要描述。
表面使用螺纹型连接与8times;80毫米自攻螺钉的剪切(alpha;=90°)使用19毫米厚的杉木胶合板表面螺纹，宽度为80或160毫米(小试件为80毫米)，这意味着在面板的接合边缘上切割40或80毫米宽的槽。[图2 (a)]。B型搭接接头使用8times;90毫米自攻螺钉的剪切(alpha;=90°)。面板搭接宽度为80毫米，深度为50毫米(为面板厚度的一半)[图2 (b)]。C型使用搭接接头，其中搭接接头与B型相同，但8times;140 mm的STS以alpha;=45°的角度插入，因此它们主要在收缩时加载，如图2（c）。D型采用对接接头，面板无需加工。对于这些连接,8times;140毫米FT自攻螺钉被安装在角alpha;=90°和beta;=45°在剪切(图。2 (d)]。最后，如图2（e）所示，e型使用对接接头，其中8times;180mmFT自攻螺钉安装在与正交胶合木板面板边缘成alpha;=45°角的位置上，并与正交胶合木板面板表面成beta;=33°角，以主要起到抽出作用。
标本描述及制备
这五种类型的接头都是先用两个螺钉(考虑为一个连接器单元
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