CN106121053A - 一种自开孔自攻剪力连接件及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自开孔自攻剪力连接件及其施工方法，该自开孔自攻剪力连接件将胶合木梁和轻骨料混凝土翼板组合在一起；所述自开孔自攻剪力连接件包括钻头、储屑槽、螺纹、限位节、钉杆和六角头；所述钉杆分为光滑段和螺纹段，光滑段浇筑在轻骨料混凝土翼板底面内，螺纹段钉入到胶合木梁顶面内；光滑段和螺纹段之间设有可在任意嵌入角度下控制剪力连接件嵌入木材深度的限位节。本发明自开孔自攻剪力连接件可应用于房屋建筑的楼面和屋面以及园林景区的景观建筑、桥梁等结构中。

Description

一种自开孔自攻剪力连接件及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种建筑结构构件，具体涉及一种自开孔自攻剪力连接件及其施工方法，可应用于木材与混凝土的层间剪力连接，属于建筑结构技术领域。

背景技术

木材相较于其他建筑材料，高度各向异性，承载力较低，抗火能力差，且存在较多天然缺陷，如其中分布的木节大大降低木材的强度，原木易发生腐朽、变色和虫蛀。使用木材作为唯一承重材料的传统木结构建筑无法克服上述弊端，导致木结构建筑强度刚度较低、抗火可靠性差。当木结构建筑开间进深、荷载较大时往往需要使用密柱深梁的结构布局，这都使得传统木结构建筑的推广受到极大限制。

钢筋混凝土结构是近现代最为常见的一种建筑结构。然而，钢筋混凝土结构材料密度和截面尺寸较大，导致结构自重大，体态笨重，无法达到轻质高强体态轻盈的建筑要求。并且，混凝土材料抗拉强度低，在结构受拉区一般为带裂缝工作，尽管裂缝的存在并不一定意味着结构发生破坏，但是它影响结构的耐久性和美观。当裂缝数量较多和开展较宽时，还将给人造成一种不安全感。

胶合木-轻骨料混凝土组合梁是一种将木材与钢筋混凝土两种材料使用可靠的剪力连接件进行有效组合，提高力学性能的新型建筑结构形式。它具有充分利用混凝土抗压、木材抗拉性能、降低结构自重而提高比强度、大大提高结构抗火性能的显著优越性。

胶合木-轻骨料混凝土组合梁在承受荷载时，梁板界面会产生纵向剪力，必须通过连接件传递，否则胶合木梁与轻骨料混凝土翼板无法共同工作。因此，采用可靠的剪力连接件将胶合木梁与轻骨料混凝土翼板相互有效连接，是胶合木-轻骨料混凝土组合梁实现组合作用的关键部件。

然而，当前国内外铁钉类连接件抗剪强度、刚度普遍较低，无法保证可靠的组合作用；带孔薄钢板连接件虽然抗剪强度较高但延性较差；普通自攻螺钉作为连接件，在施工作业时要求预打孔引导，以防止木材挤压开裂破坏。纵观当前国内外现有的各类木-混凝土组合梁连接件，兼顾抗剪强度、延性、施工便利性三方面的剪力连接件产品尚未出现。

胶合木-轻骨料混凝土组合梁作为一种新型承重结构具有重量轻、强重比高、弹性好、耐冲击、胶合木梁纹理色调丰富美观，加工容易等优点，其在工程中的应用前景广泛。然而缺少合适的剪力连接件严重制约了木混凝土组合梁在我国的应用及推广。

中国专利第“201020668589.X”号公开了一种钢筋混凝土-木组合梁。其要点是在木梁上开有一系列横向凹槽，凹槽中垂直固定钢杆件，木梁及其凹槽上覆盖一层混凝土浇筑层，混凝土浇筑层中还包埋有与梁的纵向一致的受拉钢筋。该种组合梁是对传统的木梁和钢筋混凝土梁的一种改进，但由于施工过程中需要在木梁上开有一系列横向凹槽，会对木梁有效截面进行大幅削弱，降低组合梁承载能力，且在开槽后仍需要布置钢杆件，施工非常复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述不足，提供一种自开孔自攻剪力连接件及其施工方法。

本发明采用的技术方案为：一种自开孔自攻剪力连接件，该自开孔自攻剪力连接件将胶合木梁和轻骨料混凝土翼板组合在一起；

所述自开孔自攻剪力连接件包括钻头、储屑槽、螺纹、限位节、钉杆和六角头；

所述钉杆分为光滑段和螺纹段，光滑段浇筑在轻骨料混凝土翼板底面内，螺纹段钉入到胶合木梁顶面内；光滑段和螺纹段之间设有可在任意嵌入角度下控制剪力连接件嵌入胶合木梁深度的限位节；

所述螺纹段上设有将输入扭矩转为螺钉给进力的螺纹，螺纹段端部设有用端面金属锐边削切木纤维以开孔并引导钉杆攻入胶合木梁的钻头；

所述螺纹段端部还设有用来堆积压实木纤维碎屑的储屑槽；

所述光滑段端部设有用来连接电动扳手的六角头，六角头浇筑在轻骨料混凝土翼板中起抗拔锚固作用。

作为优选，所述胶合木梁采用原木或胶合木制作而成，胶合木梁顶部无需预钻孔，连接件钉入胶合木梁中。

作为优选，所述的轻骨料混凝土翼板可以是圆球型轻骨料混凝土、碎石型轻骨料混凝土，也可以是全轻混凝土。

作为优选，所述自开孔自攻剪力连接件嵌入方式可以为与胶合木-轻骨料混凝土界面垂直嵌入，也可以与上述界面斜交嵌入。

作为优选，所述自开孔自攻剪力连接件可以纵向多排布置或单排设置。

作为优选，所述轻骨料混凝土翼板中可根据实际需要配置横向钢筋、纵向钢筋。

作为优选，所述轻骨料混凝土翼板底面与胶合木梁顶面之间可以选择性布设木隔板。

作为优选，所述自开孔自攻剪力连接件为碳钢、铝合金等高强合金制螺钉类连接件。

作为优选，所述自开孔自攻剪力连接件钻头形式为直槽钻、麻花钻、扁钻等形式。

上述自开孔自攻剪力连接件的施工方法，包括以下步骤：

(1)将原木或胶合木加工制作成胶合木梁，用切割、刨平设备将胶合木梁加工至规定尺寸；

(2)胶合木梁顶面根据需要布设木隔板并做表面防潮处理，在胶合木梁与木隔板顶面标记连接件位置；

(3)利用夹具将夹持自开孔自攻剪力连接件杆部，套筒套入自开孔自攻剪力连接件六角头，使自开孔自攻剪力连接件、夹具、套筒转动轴心重合；

(4)将套筒与电动扳手传动轴连接；

(5)调准自开孔自攻剪力连接件轴线与胶合木梁顶面夹角至设计角度；

(6)打开电动扳手开关，套筒将扭矩输入自开孔自攻剪力连接件；

(7)通过自开孔自攻剪力连接件端部钻头削切木材开孔；

(8)自攻螺纹通过与螺纹孔壁挤压将输入扭力转为向前推力，自行向前攻钻；

(9)待自开孔自攻剪力连接件攻入设计深度，限位节突出部分与开孔面发生挤压，嵌入木材后阻力急剧增大，自开孔自攻剪力连接件自行停止攻钻；

(10)将胶合木梁吊装到柱间，使用钢填板螺栓连接锚固节点；

(11)布设木隔板、模板、分布钢筋，泵送轻骨料混凝土，完成轻骨料混凝土翼板浇筑；

(12)养护轻骨料混凝土，待强度达到相应要求，拆除模板并继续养护。

本发明自开孔自攻剪力连接件以限位节为分界，两侧分别浇筑在轻骨料混凝土翼板板底和锚固在胶合木梁顶面中。采用的自开孔自攻剪力连接件是轻骨料混凝土翼板与胶合木梁能够协同工作的关键材料。承重时，胶合木梁和轻骨料混凝土翼板在自开孔自攻剪力连接件的组合作用下共同受力。当采用自开孔自攻剪力连接件的胶合木-轻骨料混凝土组合梁持荷到一定程度时，自开孔自攻剪力连接件发生弯曲、剪切变形，木-混凝土界面出现相对滑移现象。随着荷载继续增加，剪力连接件变形增大，界面滑移快速增大，组合梁刚度降低而挠度显著增加，最终组合梁发生延性破坏。

本发明通过对连接件输入扭矩使螺杆末端直槽钻削切并破坏木材纤维，木纤维碎屑随钻头延伸方向导入储屑槽堆积压密，螺杆通过螺纹自行攻入木材并形成机械咬合力，直到限位节与胶合木梁顶面接触挤压，剪力连接件无法继续钻进。自开孔自攻剪力连接件可以根据实际情况选择性设置限位节、储屑槽位置和长度。这种自开孔自攻剪力连接件具有可在输入小扭矩作用下自攻自开孔，延性好、耐冲击、耐候性佳和抗剪强度大的特点，能保证轻骨料混凝土翼板和胶合木梁界面形成可靠的组合作用，使两种材料共同工作，充分发挥性能。这种自开孔自攻剪力连接件在较低的应力水平下变形较小，随着界面上应力增大，剪力连接件发生拉剪、弯曲变形，轻骨料混凝土翼板与胶合木梁界面滑移开始增加，但是新型连接件在发生拉剪和弯曲变形时仍然可以有效传递界面剪力，提供了较大的滑移刚度、抗剪承载力。

本发明自开孔自攻剪力连接件可应用于房屋建筑的楼面和屋面以及园林景区的景观建筑、桥梁等结构中。

本发明的有益效果：

(1)自开孔自攻剪力连接件具有构造简单，施工方便，力学性能可靠的特点。

(2)与传统木螺钉相比较，自开孔自攻剪力连接件的主要构造区别是增设直槽钻头、储屑槽和限位节。直槽钻头、储屑槽和限位节构造简单，加工方便，自开孔自攻剪力连接件加工技术难度与传统木螺钉没有显著差别。生产单位在现有的技术、设备、人力资源基础上稍作调整就能大批量生产自开孔自攻剪力连接件规格件。

(3)自开孔自攻剪力连接件极大提高了施工效率。传统螺钉连接件在施工时必须在胶合木梁顶面预开孔才能在保证木材不会因为孔壁挤压力过大而造成开裂的前提下，以预定角度嵌固于木材中。在实际施工中，由于需要保证胶合木-轻骨料混凝土组合梁达到规定的剪力连接度，每根胶合木梁顶面一般需要打数十个引导孔，然后钻入螺钉。这种施工方式需要施工人员分工分步完成，不仅工作量巨大，而且由于组合梁施工时工作面极狭小，给设备进场和人员施工造成很大的困难。采用自开孔自攻剪力连接件，只需用电动扳手将连接件钻头部位对准点位，开动电动扳手即可由钻头削切木材，储屑槽引导压缩木屑，螺纹自攻给进，钻入到设计深度限位节限制连接件过度嵌入。利用自开孔自攻剪力连接件可将原来连接件多步施工简化为一步施工到位，大大提高了施工效率，节约了施工成本。

(4)新型连接件直槽钻头兼具削切开孔、引导压缩碎屑的作用。木纤维在较低的压力和劈力作用下会发生顺纤维方向的脆性撕裂破坏，这种破坏宏观表现为在胶合木梁顶面打入普通销钉时会发生突然而剧烈的开裂现象。但是，在木纤维只要削切破碎后，其碎屑又具有很强的可压缩性，新型连接件充分利用木材的这一特性，一次操作即可实现木纤维削切破碎、集中堆积、挤密压实的功能。

(5)自开孔自攻剪力连接件的力学模型与传统木螺钉相近，这使得现有分析木螺钉受力性能的计算方法可以在自开孔自攻剪力连接件中可以继续使用。且自开孔自攻剪力连接件的限位节部件可作为木-混凝土界面上的加劲补强，进一步提高连接件的抗剪承载力和刚度。

(6)胶合木-轻骨料混凝土组合梁充分利用了木材抗拉强度高和混凝土抗压强度大的特点，通过自开孔自攻剪力连接件的组合作用，两种材料能有效的共同工作。梁在承重时，胶合木梁与混凝土组合梁共同受力，当荷载达到一定值时，剪力连接件受到拉剪和弯曲作用发生变形，但由于螺钉类连接件的延性较好，连接件变形后仍然能够提供足够的刚度和抗剪承载力，保证组合梁能够继续承载。在承受冲击荷载时，由于使用了柔性连接件，连接件的变形损耗了冲击能量，轻骨料混凝土翼板和胶合木梁纤维的开裂会受到限制，轻骨料混凝土翼板的开裂不会导致梁整体的失效。

(7)木材纹理色调丰富，具有天然的美观性，木材的使用使结构获得一种轻盈之感，兼具美观性和实用性的胶合木-轻骨料混凝土组合梁，是现代建筑理想的结构构件。

(8)胶合木-轻骨料混凝土组合梁自重较轻，生产工艺简单，便于安装和运输。

(9)胶合木-轻骨料混凝土组合梁中采用了胶合木，与传统的木材相比，其强度大，结构均匀，内应力小，不易开裂和翘曲变形，耐火能力强。

附图说明

图1为本发明自开孔自攻剪力连接件结构示意图；

图2为本发明自开孔自攻剪力连接件垂直嵌入时胶合木-轻骨料混凝土组合梁横截面示意图；

图3为图2的侧视图；

图4为图2的立体图；

图5为本发明自开孔自攻剪力连接件斜交嵌入时胶合木-轻骨料混凝土组合梁横截面示意图；

图6为图5的侧视图；

图7为图5的立体图；

图8为配置横向钢筋、纵向钢筋、木隔板的胶合木-轻骨料混凝土组合梁横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1-8所示，一种自开孔自攻剪力连接件，该自开孔自攻剪力连接件1将胶合木梁2和轻骨料混凝土翼板3组合在一起；

所述自开孔自攻剪力连接件1包括钻头4、储屑槽5、螺纹6、限位节7、钉杆8和六角头9；

所述钉杆8分为光滑段和螺纹段，光滑段浇筑在轻骨料混凝土翼板3底面内，螺纹段钉入到胶合木梁2顶面内；光滑段和螺纹段之间设有可在任意嵌入角度下控制剪力连接件嵌入胶合木梁2深度的限位节7；

所述螺纹段上设有将输入扭矩转为螺钉给进力的螺纹6，螺纹段端部设有用端面金属锐边削切木纤维以开孔并引导钉杆攻入胶合木梁2的钻头4；

所述螺纹段端部还设有用来堆积压实木纤维碎屑的储屑槽5；

所述光滑段端部设有用来连接电动扳手的六角头9，六角头9浇筑在轻骨料混凝土翼板3中起抗拔锚固作用。

在本发明自开孔自攻剪力连接件1在胶合木梁2顶面和轻骨料混凝土翼板3底面之间。胶合木梁位于底部，主要承担拉力；轻骨料混凝土翼板位于上部，主要承担压力；两者通过自开孔自攻剪力连接件紧密相连。采用的自开孔自攻剪力连接件是轻骨料混凝土翼板与胶合木梁能够协同工作的关键部件，主要用来承受胶合木梁与轻骨料混凝土翼板之间的纵向剪力，还可以起到抵抗轻骨料混凝土翼板与胶合木梁之间的掀起作用。组合梁承重时，胶合木梁和轻骨料混凝土翼板共同受力，当荷载达到一定程度时，胶合木梁底部纤维受拉破坏，但由于轻骨料混凝土翼板在剪力连接件的组合作用下共同受力，截面中和轴位置上移，胶合木梁下翼缘纤维受拉破坏延迟，整个胶合木-轻骨料混凝土组合梁的承载力得以显著提高。

所述的自开孔自攻剪力连接件1是一种采用碳钢或其他合金制的自开孔自攻螺钉类剪力连接件。这种剪力连接件具有较小扭矩下自开孔自攻，延性好、耐冲击、耐候性佳和抗剪强度大的特点，能保证轻骨料混凝土翼板和胶合木梁界面形成可靠组合作用，使之共同工作。这种连接件在较低的应力水平下变形较小，随着界面上应力增大，剪力连接件发生拉剪、弯曲变形，轻骨料混凝土翼板与胶合木梁界面滑移开始增加，但是剪力连接件在发生拉剪和弯曲变形时仍然可以传递界面剪力，提供了较大的滑移刚度、抗剪承载力。

所述的自开孔自攻剪力连接件1嵌入方式可以为与木-混凝土界面垂直嵌入，也可以与上述界面斜交嵌入。根据胶合木-轻骨料混凝土组合梁剪力连接度的设计需求，自开孔自攻剪力连接件可以纵向多排布置或单排设置，纵横向间距、连接件的尺寸、材性参数均可根据需要灵活调整和设计。

所述的胶合木梁2可以是以原木为主要原料，采用高性能的环保型胶粘剂，利用现代木材加工技术制成的胶合木胶合木梁，也可以是原木加工成型的胶合木梁。胶合木梁2的结构形式、尺寸与材性参数大小可根据需要灵活调整和设计。

所述的轻骨料混凝土翼板3可以是圆球型轻骨料混凝土、碎石型轻骨料混凝土，也可以是全轻混凝土。可根据使用工况配置横向钢筋10和纵向钢筋11。

在轻骨料混凝土翼板3底面与胶合木梁2顶面之间可以选择性布设木隔板12起永久模板、隔绝混凝土与木材之间的水分交换的作用，并增加装饰作用。混凝土强度等级、厚度、有效计算宽度等变化因素可根据需要灵活调整和设计。

上述自开孔自攻剪力连接件的施工方法，包括以下步骤：

(1)将原木或胶合木加工制作成胶合木梁，用切割、刨平设备将胶合木梁加工至规定尺寸；

(2)胶合木梁顶面根据需要布设木隔板并做表面防潮处理，在胶合木梁与木隔板顶面标记连接件位置；

(3)利用夹具将夹持自开孔自攻剪力连接件杆部，套筒套入自开孔自攻剪力连接件六角头，使自开孔自攻剪力连接件、夹具、套筒转动轴心重合；

(4)将套筒与电动扳手传动轴连接；

(5)调准自开孔自攻剪力连接件轴线与胶合木梁顶面夹角至设计角度；

(6)打开电动扳手开关，套筒将扭矩输入自开孔自攻剪力连接件；

(7)通过自开孔自攻剪力连接件端部钻头削切木材开孔；

(8)自攻螺纹通过与螺纹孔壁挤压将输入扭力转为向前推力，自行向前攻钻；

(9)待自开孔自攻剪力连接件攻入设计深度，限位节突出部分与开孔面发生挤压，嵌入木材后阻力急剧增大，自开孔自攻剪力连接件自行停止攻钻；

(10)将胶合木梁吊装到柱间，使用钢填板螺栓连接锚固节点；

(11)布设木隔板、模板、分布钢筋，泵送轻骨料混凝土，完成轻骨料混凝土翼板浇筑；

(12)养护轻骨料混凝土，待强度达到相应要求，拆除模板并继续养护。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自开孔自攻剪力连接件，其特征在于：该自开孔自攻剪力连接件将胶合木梁和轻骨料混凝土翼板组合在一起；

所述自开孔自攻剪力连接件包括钻头、储屑槽、螺纹、限位节、钉杆和六角头；

所述钉杆分为光滑段和螺纹段，光滑段浇筑在轻骨料混凝土翼板底面内，螺纹段钉入到胶合木梁顶面内；光滑段和螺纹段之间设有可在任意嵌入角度下控制剪力连接件嵌入胶合木梁深度的限位节；

所述螺纹段上设有将输入扭矩转为螺钉给进力的螺纹，螺纹段端部设有用端面金属锐边削切木纤维以开孔并引导钉杆攻入胶合木梁的钻头；

所述螺纹段端部还设有用来堆积压实木纤维碎屑的储屑槽；

所述光滑段端部设有用来连接电动扳手的六角头，六角头浇筑在轻骨料混凝土翼板中起抗拔锚固作用。

2.根据权利要求1所述的一种自开孔自攻剪力连接件，其特征在于：所述胶合木梁采用原木或胶合木制作而成。

3.根据权利要求1所述的一种自开孔自攻剪力连接件，其特征在于：所述的轻骨料混凝土翼板是圆球型轻骨料混凝土、碎石型轻骨料混凝土或全轻混凝土。

4.根据权利要求1所述的一种自开孔自攻剪力连接件，其特征在于：所述自开孔自攻剪力连接件嵌入方式为与胶合木-轻骨料混凝土界面垂直嵌入，或与上述界面斜交嵌入。

5.根据权利要求1所述的一种自开孔自攻剪力连接件，其特征在于：所述自开孔自攻剪力连接件为纵向多排布置或单排设置。

6.根据权利要求1所述的一种自开孔自攻剪力连接件，其特征在于：所述轻骨料混凝土翼板中配置横向钢筋和纵向钢筋。

7.根据权利要求1所述的一种自开孔自攻剪力连接件，其特征在于：所述轻骨料混凝土翼板底面与胶合木梁顶面之间布设木隔板。

8.根据权利要求1所述的一种自开孔自攻剪力连接件，其特征在于：所述自开孔自攻剪力连接件为碳钢或铝合金螺钉类连接件。

9.根据权利要求1所述的一种自开孔自攻剪力连接件，其特征在于：所述自开孔自攻剪力连接件钻头形式为直槽钻、麻花钻或扁钻。

10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的一种自开孔自攻剪力连接件的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将原木或胶合木加工制作成胶合木梁，用切割、刨平设备将胶合木梁加工至规定尺寸；

（2）胶合木梁顶面根据需要布设木隔板并做表面防潮处理，在胶合木梁与木隔板顶面标记连接件位置；

（3）利用夹具将夹持自开孔自攻剪力连接件杆部，套筒套入自开孔自攻剪力连接件六角头，使自开孔自攻剪力连接件、夹具、套筒转动轴心重合；

（4）将套筒与电动扳手传动轴连接；

（5）调准自开孔自攻剪力连接件轴线与胶合木梁顶面夹角至设计角度；

（6）打开电动扳手开关，套筒将扭矩输入自开孔自攻剪力连接件；

（7）通过自开孔自攻剪力连接件端部钻头削切木材开孔；

（8）自攻螺纹通过与螺纹孔壁挤压将输入扭力转为向前推力，自行向前攻钻；

（9）待自开孔自攻剪力连接件攻入设计深度，限位节突出部分与开孔面发生挤压，嵌入木材后阻力急剧增大，自开孔自攻剪力连接件自行停止攻钻；

（10）将胶合木梁吊装到柱间，使用钢填板螺栓连接锚固节点；

（11）布设木隔板、模板、分布钢筋，泵送轻骨料混凝土，完成轻骨料混凝土翼板浇筑；

（12）养护轻骨料混凝土，待强度达到相应要求，拆除模板并继续养护。