一种钢木混合连接结构的制作方法

本发明属于连接结构，具体为一种钢木混合连接结构。

背景技术：

自20世纪20年代钢混组合梁出现以来，传统的钢-混凝土组合楼盖在多高层建筑中得到了广泛的应用。但混凝土自重较大，使建筑物总重量增加约50％，在地震作用下，引起较大的横向力，不利于结构抗震。此外，现场浇筑混凝土并对其养护，使得施工时间和施工成本大大增加，且易对环境造成污染。而木材作为一种环保的绿色可再生建筑材料得到广泛专注，在过去二十多年中，越来越多的研究集中于木材在多高层建筑中的应用，但纯木结构强度不足、消防问题不易解决也限制了其向高层建筑的发展。

钢框架、木楼盖混合结构体系恰好能有效弥补钢混组合楼盖与纯木结构的不足。用木楼板代替混凝土楼板在保证相同承载力的同时可有效减轻结构自重，从而减小地震作用下产生的惯性力，减小梁柱截面尺寸，且可以显著提高施工速度和降低施工成本。木楼板与钢梁通过剪力连接件形成组合构件，可有效增加截面抵抗矩，充分发挥钢材抗拉、木材抗压性能好的优点，提高钢木组合梁抗弯承载能力和刚度。

目前，传统的钢木连接形式主要有：销轴类机械紧固件连接(螺栓、螺钉、销钉)、胶粘连接、剪板连接。剪板连接对木材的加工要求高、制作复杂，胶粘连接虽然强度高、刚度大，但延性较差，易发生脆性破坏，因此，在钢-木连接、木-木连接中，方便施工的自攻螺钉得到了广泛的应用。但传统的垂直木材表面钻入自攻螺钉的连接方式存在以下问题：(1)自攻螺钉钻入深度受到木板厚度限制，而自攻螺钉钻入深度对连接的强度有很大影响，当木板较薄时，不能满足承载力要求；(2)自攻螺钉连接抗剪刚度较低，当发生较大滑移时，螺钉易被拔出；(3)当钢梁为常用的等边h型钢时，受到h型钢下翼缘的阻挡，使得操作空间有限，当梁高较低时，不易施工。

如何在保证可操作、易施工的同时，提高钢木组合连接中自攻螺钉连接的抗剪承载能力和刚度，充分发挥钢材与木材的优势，以提高钢木组合梁的抗弯承载能力和刚度是值得思考的问题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种自攻螺钉钻入深度不受限、抗剪刚度高、施工方便的钢木混合连接结构。

技术方案：本发明所述的一种钢木混合连接结构，包括木板和钢构件，木板异于钢构件的一侧设置槽孔，槽孔的深度小于木板厚度，钢构件与木板通过自攻螺钉贴合，自攻螺钉穿过钢构件的预留孔锚固入木板内，尾部伸入到木板的槽孔内，槽孔内灌入砂浆。

自攻螺钉垂直或倾斜于钢构件的翼缘拧入木板。槽孔为圆柱形或者长槽形。槽孔深度为木板厚度的0.5倍。钢构件是工字形构件、t形构件或焊接翼缘矩形管构件。钢构件的翼缘有预留孔。

预留孔为圆形。槽孔内的自攻螺钉间隔向不同方向倾斜。自攻螺钉在槽孔内的设置有四种方式：一、自攻螺钉穿过钢构件的奇数位预留孔向同一方向倾斜，穿过钢构件的偶数位预留孔向同一方向倾斜；二、槽孔内设置偶数个自攻螺钉，每两个自攻螺钉关于钢构件的截面对称交错，每个槽孔内优选为两个自攻螺钉；三、槽孔内设置偶数个自攻螺钉，每两个自攻螺钉关于钢构件的截面对称，每个槽孔内优选为两个自攻螺钉；四、槽孔内设置两个以上自攻螺钉，自攻螺钉垂直于木板，每个槽孔内优选为两个自攻螺钉。当两侧自攻螺钉横向间距较大时，也可为每个自攻螺钉单独预留槽孔。自攻螺钉头部与钢构件的连接处设置斜垫圈，斜垫圈的斜边与钢构件翼缘紧密贴合，另一边与自攻螺钉头部内表面紧密贴合。

工作原理：在螺钉尾部预留槽孔内灌入砂浆，起到锚固作用，改变了螺钉的失效模式。由于楼盖结构中木板厚度有限，传统的直接拧入的自攻螺钉在承受剪力时，常出现失效模式，螺钉在靠近剪切面处出现一个或两个塑性铰。当剪切面滑移较大时，塑性铰曲率变大，螺钉尾部向剪切面靠近，最后被拔出。螺钉端部锚固在砂浆内，不易被拔出。且由于砂浆的锚固，剪切面在产生滑移后螺钉有伸长的趋势，承受剪力和弯矩的自攻螺钉转变为同时承受弯矩、剪力和拉力，螺钉较大的抗拉刚度使剪切面抗剪刚度大大提高。斜垫圈的设置可提高斜自攻螺钉连接的剪切刚度，当带有垫圈时，螺钉头部内表面与垫圈表面为面接触，产生均布力，在产生滑移时，这种受力模式使得螺钉头部不发生竖向倾斜，刚度不受损失。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、在木板中预留槽孔，自攻螺钉尾部伸入木板预留槽孔内，灌入砂浆，可以对螺钉起到一种端部锚固作用，提高螺钉连接的抗剪承载能力和刚度，防止螺钉由于滑移变形过大被拔出，同时扩大了螺钉尖部木材受力面积，可防止劈裂以及局部被压碎；

2、在施工过程中，木板首先通过自攻螺钉与钢构件连接，在预留槽孔内灌入砂浆过程中，木板已被固定，不会发生滑动，方便施工；

3、自攻螺钉与钢板表面成一交角斜向钻入木板，增加了自攻螺钉在木板内的可钻入深度，有效提高抗剪承载能力；

4、当自攻螺钉斜向钻入时，施工操作不受h型钢下翼缘限制，可使用电动机械设备，提高施工速度；

5、与钢板翼缘成交角斜向钻入的螺钉，可采用斜垫圈，使其与钢构件翼缘内表面、自攻螺钉头部内表面紧密贴合，提高连接的抗剪刚度，减小钢-木连接界面滑移。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例1的a-a剖视图。

图3是本发明实施例2的结构示意图。

图4是本发明实施例2的横截面示意图。

图5是本发明实施例3的横截面示意图。

图6是本发明实施例4的结构示意图。

图7是本发明实施例5的结构示意图。

图8是自攻螺钉3尾部无槽孔的失效模式图。

图9是本发明的失效模式图。

图10是本发明中斜垫圈5对自攻螺钉3抗剪刚度影响的试验数据。

具体实施方式

以说明书附图所示的实际方向为上、下、左、右。

实施例1

如图1～2，木板1的上表面预留有圆柱形槽孔11，槽孔11深度为木板1厚度的0.5倍，钢构件2为h型钢，翼缘上预留长槽形预留孔21，自攻螺钉3与钢构件2翼缘成交错角斜向拧入，并在钢构件2截面对称轴两侧成对称交错布置，在自攻螺钉3安装完成后，在木板1的槽孔11内灌入砂浆4并抹平。

实施例2

如图3，木板1的上表面预留有圆柱形槽孔11，槽孔11深度为木板1厚度的0.5倍，钢构件2为h型钢，翼缘上预留长槽形预留孔21，自攻螺钉3与钢构件2翼缘成交错角斜向拧入，并在钢构件2截面对称轴两侧成对称交错布置，每两个自攻螺钉3尾部位于木板1的同一预留孔21内，在自攻螺钉3安装完成后，在木板1的槽孔11内灌入砂浆4并抹平。如图4，斜垫圈5斜边与钢构件2翼缘内表面紧密贴合，另一边与自攻螺钉3头部内表面紧密贴合。

实施例3

如图5，木板1的上表面预留有长槽形槽孔11，槽孔11深度为木板1厚度的0.5倍，钢构件2为焊接翼缘矩形管，翼缘上预留长槽形预留孔21，自攻螺钉3与钢构件2翼缘相向斜向拧入，并在钢构件2截面对称轴两侧成对称布置，在自攻螺钉3安装完成后，在木板1的槽孔11内灌入砂浆4并抹平。

实施例4

如图6，木板1的上表面预留有圆柱形槽孔11，槽孔11深度为木板1厚度的0.5倍，钢构件2为h型钢，翼缘上预留长槽形预留孔21，每个预留孔21内有两个自攻螺钉3，自攻螺钉3与钢构件2翼缘垂直拧入，在自攻螺钉3安装完成后，在木板1的槽孔11内灌入砂浆4并抹平。每个预留孔21内自攻螺钉3的数量也可以为4、6，…。

实施例5

如图7，当实施例3的自攻螺钉3与钢构件2翼缘相向垂直拧入导致横向间距较大时，可为每个自攻螺钉3单独预留槽孔11。

如图8，自攻螺钉3在靠近剪切面处出现一个塑性铰6，当剪切面滑移较大时，塑性铰曲率变大，自攻螺钉3尾部向剪切面靠近，最后被拔出。在木板1异于钢构件2翼缘一侧预留灌浆槽孔11，拧入自攻螺钉3后灌入砂浆进行锚固，自攻螺钉3在承受较大剪力时，常出现如图9所示的失效模式，螺钉在剪切面和砂浆-木板交界面出现两个塑性铰6。螺钉端部锚固在砂浆内，不易被拔出，且由于砂浆的锚固，剪切面在产生滑移后螺钉有伸长的趋势，承受剪力和弯矩的自攻螺钉转变为同时承受弯矩、剪力和拉力，螺钉较大的抗拉刚度使剪切面抗剪刚度大大提高。

图10是通过剪切试验得到的剪切面的荷载位移曲线，可以看出，带有斜垫圈5的自攻螺钉3的抗剪刚度与无垫圈自攻螺钉3相比具有较大提高。当剪切面发生滑移时，由于砂浆4和木板1的嵌固作用，自攻螺钉3中将产生拉应力，无垫圈斜自攻螺钉3头部与钢构件2翼缘接触为点接触，产生集中力，应力集中使得接触点产生塑性变形，拉应力损失，自攻螺钉3头部向下倾斜，抗剪刚度降低；当带有垫圈时，自攻螺钉3头部内表面与斜垫圈5表面为面接触，产生均布力，在产生滑移时，这种受力模式使得自攻螺钉3头部不发生竖向倾斜，刚度不受损失。