重组竹是一种低碳高强度的生物质建材,而作为竹木结构常用连接件的自攻螺钉具有突出的锚固承载能力,因此,自攻螺钉在重组竹中的抗拔锚固性能对重组竹结构的节点连接起到重要作用。由于生物质材料性质具有差异性,大量重复试验成本高,难以做到全覆盖,有必要利用数值分析方法对自攻螺钉锚固节点力学性能进行系统分析。但是由于螺纹与工程竹材机械咬合作用复杂,其受力过程难以准确模拟。针对该问题,利用ABAQUS建立精细化重组竹自攻螺钉节点模型,对该节点的应变和荷载-位移曲线进行数值分析,并对比了5种自攻螺钉轴向与纤维顺纹方向夹角和3种自攻螺钉埋置深度下自攻螺钉拉拔锚固承载力和刚度。研究表明:精细化数值模型能够准确模拟自攻螺钉在抗拔情况下的受力全过程,自攻螺钉在重组竹中的锚固承载力和刚度数值结果与试验结果平均误差值分别为6.69%和15.86%; 重组竹螺孔和埋置的自攻螺钉应力分布集中在重组竹和自攻螺钉接触区域; 自攻螺钉在重组竹中的锚固承载力和刚度随着锚固深度增加而增大,随螺钉与重组竹顺纹方向之间夹角的增大呈现出先增大后减小的规律,在夹角为45°时达到最大。
重组竹是竹束经过浸胶、加压、干燥等工序而制成的工程竹材,具有优于常见结构用木基材料力学性能的特点,作为一种高强度低碳复合材料广泛应用于建筑领域。
自攻螺钉(self-trapping screw,STS)是一种常用金属连接件,具有承载力高、施工方便和美观等优点,常用于竹木工程中的节点连接。节点是保证荷载传递及整体结构安全的关键,作为连接件的自攻螺钉的锚固性能是节点性能的保障。
国内外部分学者针对自攻螺钉在竹木基产品中的锚固性能进行了研究,着重对自攻螺钉抗拔试验中的最大承载力(锚固承载力)和位移-荷载曲线中的线弹性段斜率(锚固刚度)进行分析。
·Blass等通过对比不同连接角度下自攻螺钉对锚固承载力的影响,发现自攻螺钉连接刚度随自攻螺钉轴向与纤维顺纹方向夹角增加而显著增加。
·程小武等研究自攻螺钉在杉木中的锚固性能表明,自攻螺钉的锚固承载力随着锚固深度、与木材顺纹倾斜角度的增大而增大。
·滕启城等以落叶松和白云杉规格材为研究对象,研究表明,自攻螺钉与木纤维之间的角度对规格材握钉力具有显著影响。
·吴荣宝等研究自攻螺钉在3种竹木混合正交胶合木中的锚固性能,发现自攻螺钉锚固承载力随着自攻螺钉钉入深度或直径增加而增加。
·Li等通过研究自攻螺钉在重组竹中的锚固性能,发现自攻螺钉连接的锚固承载力随着自攻螺钉直径、埋置深度以及重组竹纤维与自攻螺钉轴角度的增加而增大。
·Leng等针对自攻螺钉在竹集成材中锚固性能的研究表明,连接刚度和锚固承载力都随着自攻螺钉直径和锚固深度的增加而增加。
·陈国等研究表明,自攻螺钉沿竹集成材竹纤维顺纹方向的锚固承载力略低于横纹方向。
虽然国内外众多学者对自攻螺钉连接锚固性能进行了很多研究,但实际工程中应用参数多变,且竹木基材料多样,大量重复性试验成本高,难以做到锚固参数和连接材料的全面覆盖。
数值分析方法是研究自攻螺钉连接性能的有效途径,一直广受关注。但是由于自攻螺钉螺纹与木材之间咬合建模和网格划分具有一定的复杂性,在有限元分析中通常采用绑定约束或者试验中提取的锚固位移-荷载关系等效替代螺纹与木材之间的咬合作用,而前者难以准确模拟自攻螺钉应力分布和失效模式,后者依赖于完全相同锚固参数的试验数据,缺乏独立性。
因此,建立具有自攻螺钉螺纹锚固节点的有限元模型较前2种方法具有更高的精度和普适性。另外,由于重组竹与普通木材力学性能差异较大,目前自攻螺钉在重组竹中的锚固力学性能研究较少,对其工作机理缺乏深刻认识,亟待开展自攻螺钉在重组竹中锚固性能的节点精细化研究,提高数值分析的准确性。
基于此,利用ABAQUS建立了考虑自攻螺钉螺纹的精细化重组竹自攻螺钉节点模型,在一定位移荷载下对节点荷载-位移曲线进行分析,将数值分析结果与试验结果进行比较,利用验证过的有限元模型对自攻螺钉和重组竹螺孔应力分布及变化与锚固性能进行分析,并对自攻螺钉锚固性能进行参数化分析,为自攻螺钉和重组竹连接节点在实际工程中的应用提供基础。
1.1试验设计
为了对自攻螺钉在重组竹中锚固性能的精细化模拟提供基础对比数据,初步确定自攻螺钉直径、埋置深度和角度变化对锚固性能的影响,首先进行不同参数变化下的锚固性能试验研究。本试验采用的重组竹产自江西,原竹种类为毛竹,依据GB/T 1927—2022《无疵小试样木材物理力学性质试验方法》和JG/T 199—2007《建筑用竹材物理力学性能试验方法》测试重组竹物理力学性能,测得其密度为1.05 g/cm3,含水率为9.8%,抗弯强度为260 MPa,顺纹抗压强度为75.5 MPa,横纹抗压强度分别为24.9 MPa(径向全压)、13.6 MPa(径向局压)、24.2 MPa(弦向全压)和13.9 MPa(弦向局压)。参考单板条层积材对径弦向的定义,重组竹径向和弦向定义如图1所示,由于生产过程中竹束4个侧面都被压缩,2个横纹方向的力学性能接近,重组竹径向与弦向的全压强度和局压强度的相对误差分别为2.9%和7.8%。试验用自攻螺钉直径有6,8和10 mm 3种规格,参考加拿大标准CSA O86“Engineering design in wood”中对于预钻孔直径的要求,预钻孔直径分别确定为3.5,4.5和6.0 mm,自攻螺钉具体参数见表1。
试件参照ASTM D1761“Standard test methods for mechanical fasteners in wood”和LY/T 2377—2014《木质结构材料用销类连接件连接性能试验方法》规定的端距和边距进行设计。试验共11组,每组10个试件。试件参数见表2和图2,其中,α为自攻螺钉与重组竹顺纹方向的夹角,分别为0°,45°和90°; a、b和h分别为试件的宽、长和高; D为螺钉直径; l为锚固深度,分别设置为20,30和40 mm。试验依据ASTM D5652-2007“Standard test methods for bolted connections in wood and wood-base products”设置加载速率为3 mm/min,加载详情见图3。
1.2有限元模型建立
重点分析了螺钉在拔出时节点内部的变形和应力分布,并针对其锚固性能进行参数化分析。精细化建立自攻螺钉的螺纹和重组竹的螺孔结构以还原锚固试件(图4),自攻螺钉螺杆、螺齿以及重组竹咬合齿槽数据根据试验用自攻螺钉测量和计算,详细尺寸数据见表1。模型采用C3D8R实体单元进行模拟,针对复杂的螺纹模型,使用有限元网格划分软件HYPERMESH对模型网格进行划分,在确保模型精度的前提下,为提高网格划分和计算效率,分别对重组竹螺孔、自攻螺钉的螺纹和螺钉杆进行独立建模,并对局部网格进行加密(图4)。
重组竹的弹塑性变形阶段分别采用工程常数法和Hill屈服准则定义,工程常数设置为E1=11 890、E2=1 365、E3=1 365、μ12=0.35、μ13=0.35、μ23=0.16、G12=847、G13=847、G23=254,屈服准则参数设置为σ0=75、R11=1、R22=0.26、R33=0.26、R12=0.32、R13=0.32、R23=0.32,定义重组竹顺纹方向、横纹径向和弦向分别为1、2和3方向。自攻螺钉材质为碳钢,弹性模量和泊松比分别为200 GPa和0.3,抗拉屈服强度由厂家提供,为 1 000 MPa。
自攻螺钉螺杆与螺纹、重组竹螺孔与重组竹主体均使用Tie约束,自攻螺钉与重组竹之间的法向接触和切向接触分别采用“硬接触”和“罚”函数,“罚”函数的摩擦系数为0.237。设置自攻螺钉钉帽中心为加载参考点RP-1,并与钉帽上表面耦合,加载速率与试验一致。
2.1试验结果
加载初期,试件处于弹性变形阶段,随着荷载的增加,进入塑性变形阶段,荷载增加速率开始减小,同时听到轻微的撕裂声。当载荷接近极限荷载时,自攻螺钉与重组竹之间相对滑移变得明显,试件均发生自攻螺钉拔出破坏(图5)。钉入角度为90°(图5a)的试件竹纤维被横向撕裂,角度为45°(图5b)和0°(图5c)的竹纤维沿纤维方向剪切破坏。不同锚固深度的试件试验现象相似。各组试件的平均荷载-位移曲线如图6所示。在钉入角度相同的情况下,试件的锚固承载力随螺钉的直径和锚固深度的增大而增大,自攻螺钉直径为6和8 mm试件的刚度较为接近,但小于自攻螺钉直径为10 mm的试件。钉入角度为45°时,试件的平均锚固承载力和刚度最大。
2.2模型验证
有限元分析结果显示,自攻螺钉周围重组竹伴随自攻螺钉拔出而发生变形,变形过程(图7)与试验结果(图5)基本一致。
试验与模拟的荷载-位移曲线如图8所示。由于试验机夹具与试件之间未充分接触,试验初期曲线斜率较小,尤其是8d-90-30和10d-90-30组,因此,这2组曲线中添加了对初期修正后的试验平均值曲线。试验和模拟中作为锚固刚度分析的曲线斜率选取最大承载力40%～60%的曲线。试验与模拟的最大承载力即锚固承载力和锚固刚度对比结果的相对误差平均值分别为6.69%和15.86%,这表明模拟结果可用于预测自攻螺钉锚固性能。部分模型的弹性阶段刚度与试验误差较大,其主要原因如下:重组竹试件的材料力学性能由于尺寸效应、自身缺陷等因素的影响,极限荷载和数值模拟中的材性数据存在差异; 试验试件在加工中存在误差,而数值模拟模型为理想模型。
2.3应力应变
在不同荷载水平下重组竹螺孔应力云图如图9所示,加载过程中重组竹内部的应力分布因钉入角度的不同而存在差别。自攻螺钉钉入角度为0°和45°的试件应力分布变化相似,加载初期,与自攻螺钉接触的上部重组竹最先受到螺钉向上滑移的影响,重组竹应力主要集中在螺孔上半部区域,最大应力集中在齿槽尖端上表面(图9a、c)。随着荷载的增加,螺钉逐渐向上移动,重组竹应力逐渐向螺孔下半部分扩展(图9b、d)。钉入角度为0°和45°的模型分别在极限荷载的72%～74%和54%～60%时应力集中区域扩展至整个螺孔; 对于钉入角度为90°的试件,在加载初期,重组竹在螺纹齿槽挤压下较0°和45°更集中于上部区域(图9,应力集中区域随着荷载的增加而扩展,在极限荷载的72%～76%时扩展至整个螺孔(图9f)。
45°钉入比其他角度钉入能够在较早时期将应力集中区域扩展到整个螺孔,有助于自攻螺钉充分发挥锚固性能。而0°和90°钉入时,在应力集中区域扩展到全螺孔时荷载相近(均在极限荷载的73%左右),但是由于竹纤维方向与0°钉入自攻螺钉抗拔方向平行,应力更集中于螺纹齿尖(图9b),结合试验破坏现象(图5c),应力集中使纤维之间的剪切,发生剪切破坏。90°钉入应力集中扩展到全螺孔时,顶部应力更大,主要用于竹纤维的横向撕裂,与试验现象一致。在0°钉入自攻螺钉抗拔过程中,剪切破坏涉及重组竹纤维面积小,90°钉入拉断竹纤维面积大,因此,0°钉入自攻螺钉承载力低于90°钉入。在所有试件加载过程中,均为重组竹螺孔上方达到最大应力并率先发生屈服。
自攻螺钉应力云图如图10所示,所有试件的自攻螺钉在整个加载过程中的应力变化比较相似,锚固在重组竹内的自攻螺钉应力集中在螺纹上表面,最大应力集中在螺纹与螺杆接触区(图10a),且随着荷载增加,应力集中区域逐渐向下扩展(图10b)。未埋置在重组竹中的自攻螺钉被拉长,螺杆承受拉应力,最大应力集中在螺杆与钉帽过渡处(图10c),这也是钉帽易发生拉断破坏的原因。
2.4参数化分析
为进一步分析钉入角度对重组竹中自攻螺钉锚固性能的影响规律,建立5个螺钉直径为8 mm和锚固深度为30 mm的模型,螺钉与竹纤维角度分别是0°,25°,45°,65°和90°,对试件的锚固承载力和刚度进行比较。
有限元分析结果(表3)表明,锚固承载力随着螺钉与重组竹顺纹角度的增大呈现出先增大后减小的规律,在角度为45°时达到最大值,与试验表现的规律一致。锚固刚度呈现规律与锚固承载力类似,同样在钉入角度为45°时达到最大值。
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