木结构斜螺钉连接节点受力机理与设计理论研究

Self-tapping screw is a kind of dowel-type fastener that features excellent performance. In timber engineering, self-tapping screws represent the state-of-the-art in fastener and reinforcement technology. It is a large potential space could the axial load-carrying capacity of screws develop by installing with an angle to the grain. Building analytical models to calculate the load-bearing capacity, stiffness and a safety assessment system of timber structure joints under connections with inclined screws are key problems to be solved in structural analysis and design of timber structure engineering. . By theoretical analysis and experimental study based on the theories of European Yield Model (EYM), the load-deformation relationships of timber structure joints connected with inclined screws with different configuration subjected to uniaxial stress will be investigated, and the effect of basic parameters will be researched; simplified models about strength and stiffness of inclined screws joints subjected to biaxial stress will be proposed by analyzing failure modes and stress transmission mechanism; the group effect of inclined screws and a correction factor of load-carrying capacity between one row and multiple-row inclined screws will be investigated; a safety assessment system of wood-frame construction and shear wall under the inclined screws joining. Through the implemention of this research, the analytical models to calculate the load-bearing capacity and stiffness and a safety assessment system of integral framework connected with inclined screws are expected to be developed.

自攻螺钉是一种性能优良的销型紧固件，在木结构建筑领域具有广泛应用。螺钉斜接能够充分发挥其轴向承载优势，是极具潜势的连接方式。建立斜螺钉连接节点承载强度、刚度的理论计算模型和整体构架安全评价体系，是木结构建筑结构设计与安全评估亟待解决的关键科学问题。. 本项目以欧洲屈服理论为基础，通过试验与理论分析：研究单轴应力状态下螺钉连接的应力－应变关系，建立基础参数影响下螺钉连接轴向与侧向承载力的物理方程；研究斜螺钉连接节点的破坏模式及应力传递机理，建立斜螺钉连接节点的承载力和刚度理论计算模型；研究群组作用下斜螺钉连接节点的协同效应，基于单列斜螺钉连接提出群组连接承载能力修正系数；研究基于斜螺钉连接节点的木框架和剪力墙体系的承载性能，并提出相应安全性评估计算模型。通过本项目研究，建立斜螺钉连接节点的强度、刚度理论计算模型及整体构架承载性能评价体系。

一、项目背景. 基于现代木结构建筑强节点弱构件的设计理念，节点连接通常作为木结构研究中的重要环节。斜向螺钉连接节点的单、双轴应力传递，分析节点在轴向侧向复合荷载作用下的受力特征与破坏机理，建立不同连接形式下的刚度与承载力理论计算模型，是木结构建筑连接承载基础计算方法理论与结构设计亟待完善的关键性问题。..二、主要研究内容.（1）基础材料性能与螺钉单轴应力状态下连接承载分析.（2）斜螺钉连接的承载力与刚度理论计算模型.（3）群组作用下斜螺钉连接的协同效应评估.（4）斜螺钉连接应用于拉－剪复合受力节点的承载性能与优化设计..三、重要结果.（1）形成了基于实木、胶合木、正交胶合木等工程材料为基础完整的斜螺钉连接承载力与刚度理论计算模型，完善了现有的国际上木结构节点连接理论与模型；.（2）在国际上率先研制了可应用于不同工程木材料的握钉力连接装置，并进行了产业化生产和销售；.（3）在全国6处的木结构工程项目上得以应用，应用面积达到1万平方米，使得研究成果在实践上得以更好的验证和应用；.（4）授权专利7件，其中美国专利1件，国内发明专利1件，实用新型专利5件，发表学术论文12篇，其中SCI收录4篇，EI收录2篇，培养学生8位，其中硕士生7位，博士生1位，本科生12位，人才晋升1位，出版著作1部，参编国家GB50005木结构设计标准1项，获得广东省科技进步奖1项，梁希科技进步二、三等奖各1项，行业科技进步一等奖2项，举办了6场国内外学术报告，为近300位学员进行了节点设计的相关技术培训。. （5）相关研究成果进行了实施许可或技术转让，累计产生成果转让近40万元，免费提供技术咨询12次。..四、关键数据及其科学意义. 针对木构件自攻螺钉连接节点初始刚度低和斜向连接设计理论缺失等技术难题，项目系统研究了端距、边距、深度、数量和钉入组合等钉合参数对自攻螺钉斜连接性能的影响规律，揭示了自攻螺钉斜连接构件的受力机理与破坏模式，建立了斜连接强度全参数化理论模型，填补了自攻螺钉斜向连接节点设计理论公式的国际空白，被GB50005-2017《木结构设计标准》采纳。国际率先研制了自攻螺钉斜向连接性能快速检测设备，并授权上市公司商业化生产和销售。