《Journal of Building Engineering》：Study on shear stiffness of cross-inclined self-tapping screw connections in bamboo scrimber
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•针对竹材连接中斜向自攻螺钉剪切刚度的实验研究。•螺钉嵌入角度与螺钉边缘距离对剪切刚度的影响。•竹材连接中斜向自攻螺钉剪切刚度的分析模型。引言随着人们对可持续和低碳建筑的重视，可再生的生物基结构材料在土木工程领域越来越受到关注。由于生长迅速、可再生且具有良好的环境效益，竹子被视为
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针对竹材连接中斜向自攻螺钉剪切刚度的实验研究。
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螺钉嵌入角度与螺钉边缘距离对剪切刚度的影响。
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竹材连接中斜向自攻螺钉剪切刚度的分析模型。
引言
随着人们对可持续和低碳建筑的重视，可再生的生物基结构材料在土木工程领域越来越受到关注。由于生长迅速、可再生且具有良好的环境效益，竹子被视为传统高能耗建筑材料的理想替代品[1]、[2]、[3]。然而，由于竹子本身具有中空薄壁结构、截面尺寸有限以及形态不规则等特性，直接将其用于结构应用仍存在诸多限制[4]、[5]、[6]。通过重新整理竹纤维并经过热压处理制成的竹丝板，很大程度上克服了天然竹材的尺寸差异和力学性能不稳定的问题。由于其较高的强度、刚度和尺寸稳定性，竹丝板在结构应用方面展现出巨大潜力[7]、[8]、[9]。在竹丝板结构中，连接件对于确保构件间的荷载传递以及维持结构的完整性和使用性能至关重要。这些连接件的力学性能直接影响结构的安全性、刚度和变形行为。在各种连接方式中，自攻螺钉连接因其安装简单、组装高效且力学性能可靠而被广泛采用[10]、[11]、[12]。尤其是，螺钉连接的剪切刚度是决定界面滑移、变形协调性以及结构整体刚度的关键参数。因此，深入了解竹丝板中螺钉连接件的剪切刚度，对于阐明这类连接件的荷载传递机制以及改进竹结构的分析与设计方法具有重要意义。
在竹结构和木结构中，螺钉连接件的剪切刚度主要受周围材料的嵌入性能以及螺钉的轴向拔出阻力影响[13]。目前，已有较多关于竹材嵌入行为的系统性研究，重点研究了竹材类型、纹理方向以及紧固件直径对其力学性能的影响[14]、[15]、[16]。Ren等人[17]研究了沿纹理方向加载的竹丝板的嵌入行为，发现其嵌入刚度基本与螺栓长度无关，但随着试件厚度和螺栓直径的增加而增大，当螺栓直径达到12毫米时逐渐趋于稳定值。Cao等人[18]研究了不同纹理方向下竹丝板的嵌入行为，发现沿纹理方向承受局部压力的试件表现出明显的屈服行为和良好的延展性，而沿纹理方向的嵌入刚度显著高于垂直于纹理方向的嵌入刚度。除了嵌入行为外，螺钉的轴向拔出性能也是影响连接刚度的关键因素。Chen等人[19]研究了不同导孔直径、螺钉类型及加载速率下竹丝板中螺钉的拔出行为，发现螺钉类型和加载速率没有显著影响，而随着导孔直径的增加，螺钉的拔出能力会下降。Li等人[20]和Leng等人[21]进一步发现，嵌入长度、螺钉直径以及螺钉轴线与纹理方向之间的夹角是影响螺钉拔出强度的主要参数，并提出了相应的计算方法。Mirdad等人[22]对木材中的螺钉进行了嵌入和拔出试验，发现嵌入刚度随木材密度的增加而增大，但随螺钉直径的增加而减小；而拔出刚度则随加载角度和螺钉直径的增加而减小，却随木材密度的增加而增大。
在连接层面，已有大量实验和分析研究探讨了木-木、钢-木以及木-混凝土连接中螺钉连接的剪切行为[23]、[24]、[25]、[26]。先前的研究表明，与垂直嵌入的螺钉相比，倾斜螺钉在剪切载荷作用下同时发挥了螺钉的轴向拔出阻力以及周围材料的侧向嵌入阻力，因此通常具有更高的剪切刚度[27]、[28]、[29]。对于木-木螺钉连接，Tomasi等人[30]研究了三种加载方式下的连接剪切刚度，包括剪切-压缩、剪切-拉伸以及斜向布置。研究结果表明，在剪切-拉伸和斜向布置情况下，随着螺钉与纹理方向之间夹角的减小，连接的剪切刚度显著提高。Schiro等人[31]进一步研究了螺钉倾斜角度和木材类型对螺钉连接剪切行为的影响，发现双螺纹螺钉的剪切刚度高于单螺纹螺钉。在理论分析方面，Girhammar等人[32]建立了木-木连接中承受剪切-拉伸载荷的螺钉滑移刚度预测模型，该模型考虑了螺钉的嵌入阻力、轴向拔出阻力、界面摩擦以及螺钉的几何参数。Yuri等人[33]分别为木-木连接和钢-木连接中的斜向螺钉连接建立了剪切刚度预测模型，系统地考虑了螺钉倾斜角度、嵌入深度以及中间层厚度的影响。Liu等人[34]发现端距和螺钉间距会对连接刚度产生显著影响：具体而言，随着端距的增加，初始刚度和延展性系数会降低，而随着螺钉间距的增加，初始刚度则会提升。Lu等人[35]研究了螺钉布置方式、嵌入长度以及螺钉数量对胶合木梁与层压木板之间斜向螺钉界面剪切响应的影响。Li等人[36]研究了螺钉直径、螺钉数量以及嵌入角度对木-竹丝板连接中剪切-拉伸螺钉剪切响应的影响，结果表明，更大的螺钉直径和更多的螺钉数量能够提升连接的剪切性能。
总体而言，先前的研究已经为竹材的嵌入性能、螺钉的拔出行为以及斜向螺钉的力学机制提供了大量有价值的见解。然而，与木结构连接的相关研究相比，关于竹丝板连接中斜向自攻螺钉连接力学行为的研究仍然较为有限。尤其由于竹丝板密度较高且具有较强的局部嵌入阻力，螺钉几何参数以及侧向构件边缘距离对STS连接剪切刚度的影响尚未得到明确界定，相关的理论分析也仍有待进一步完善。因此，本研究通过一系列剪切试验，分析了螺钉直径、嵌入长度、嵌入角度以及侧向构件边缘距离对带有斜向自攻螺钉连接的竹丝板连接件的荷载-滑移行为和剪切刚度的影响。基于实验结果，本研究还建立了用于预测此类连接剪切刚度的计算方法。
章节要点
试件配置
共设计了九组带有斜向自攻螺钉连接的竹丝板连接试件，并进行了推拔剪切试验。每组包含三个重复试件。实验变量包括螺钉直径、螺钉嵌入长度、螺钉嵌入角度以及侧向构件边缘距离，详见表1。所有试件均采用对称的双剪切推拔结构，由中央主构件和两个侧向构件组成。
荷载-滑移曲线
所有螺钉连接试件的荷载-滑移曲线如图3所示。总体来看，带有斜向自攻螺钉连接的竹丝板连接件的荷载-滑移响应具有相似的特征，大致可分为三个阶段：线弹性阶段、非线性发展阶段以及峰值后的退化阶段。在加载初期，荷载-滑移响应呈近似线性关系，此时界面滑移量较小，说明连接件仍处于
单向倾斜螺钉的分析模型
在小位移范围内，倾斜螺钉的力学行为主要由螺钉的嵌入和拔出作用决定。为简化分析，假设螺钉在加载过程中表现为刚体，仅发生刚体平移和旋转运动。假设沿螺钉嵌入长度方向的应力分布为三角形分布。在连接界面处，作用在倾斜螺钉上的力可分解为两部分
结论
本研究通过剪切试验研究了带有斜向螺钉的竹丝板连接件的剪切刚度。系统分析了螺钉几何参数、嵌入角度以及螺钉边缘距离对这些连接件剪切刚度的影响，并建立了用于预测此类连接件剪切刚度的分析方法。研究结论如下：
作者贡献说明
刘佳怡：可视化处理、研究工作、数据整理。林静凯：验证工作、研究工作、数据整理。姚凯夫：可视化处理、验证工作、研究工作、数据整理。杜浩：初稿撰写、项目管理、方法研究、研究工作、资金申请。魏阳：文章润色、监督工作、方法研究
利益冲突声明
? 作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：杜浩表示获得了国家自然科学基金的支持；杜浩还表示获得了江苏省自然科学基金的支持；杜浩还表示获得了中国博士后科学基金的支持。姚凯夫表示获得了大学生实践与
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52208257）、江苏省自然科学基金（编号：BK20251878）、中国博士后科学基金（编号：2023M731711）以及南京林业大学的“大学生实践创新训练计划项目”（编号：202510298148Y）的支持。
Hao Du|Kaifu Yao|Jingkai Lin|Jiayi Liu|Yang Wei
