在木建筑中木构件是木建筑结构的基本构成单元，起连接和传递荷载的作用。木构件间的荷载传递主要通过木构件端部连接节点实现，木材端部是木构件中力学性能最薄弱的部位，给木构件连接设计带来了困难。钉连接传力途径清晰、构造简单，便于施工节省材料，一直是木建筑结构连接中重要连接方式。为避免木材端部力学性能不足带来的影响，钉连接在设计时都尽量选择避开或避免在木构件端部尤其端面。随着碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer/plastic，CFRP)技术的发展，在木构件表面粘结碳纤维增强复合材料成了改善其性能的一种有效的技术手段^{[1, 2, 3]}。近年来国内外相继出现了大量采用CFRP加固木构件或木结构的案例和研究^{[4, 5, 6]}，而这些研究局限于采用CFRP片材粘结复合木材纵向材面，旨在提高木构件或木结构体系的抗弯承载力和刚度。

长期以来，有关木材握钉性能或木结构钉连接方面的研究，可归纳为2个方面：一方面是钉连接承载性能的屈服理论及握钉力计算公式研究，基于连接试验结果运用力学理论及非线性有限元方法预测钉连接的破坏模式、应力分布及极限承载力等，提供钉连接在使用荷载下的刚度及延性等性能参数^{[7, 8]}；另一方面是木材握钉力及钉连接侧向承载性能试验研究，着重于钉的连接方式、连接类型、连接间距研究，钉的类型、钉的直径、钉钉入深度、导孔直径、不同树种木材材性、木材含水率、密度变化、结构板材特性及潮湿环境条件等对钉连接性能在即时荷载和长期加载的影响^{[9, 10, 11, 12]}，这些研究都基于木材纵向材面。随着木构件钉连接研究的深入，人们已认识到木构件端部连接的重要性，并开始尝试采用新型材料对木构件端部进行增强探索^[13]。

为克服木材端部木质疏松、孔隙多、面内力学性质差、易开裂等不足给木构件连接带来的影响，本试验采用具有高强抗拉性能的粉状碳纤维对落叶松木材构件端部进行增强，研究木构件增强端部握钉性能，以使木构件端部获得可靠的连接强度，对提高木结构安全性和稳定性具有重要指导意义。

试验用木材采用产自东北的落叶松(Larix olgensis Henry)规格材，有部分活节，纹理通直，一等材，含水率约15%，规格为1 200 mm×80 mm×80 mm。

碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，纤维长度为0.5、2 mm，受拉弹性模量为2.4×10⁵ MPa，抗拉强度3 450 MPa，极限拉伸应变为1%。

胶粘剂为双组分环氧类，混合后初黏度(23 ℃)5 000 mPa·s，其混合体积比为2：1，胶体抗拉强度50 MPa，弹性模量2.0 GPa，延伸率2.2%。

试验用大螺钉钉为六角头木螺钉(型号GB102-86 8×80)、小螺钉为十字槽沉头木螺钉(型号GB951-86 4×80)。

试验用仪器设备有万能力学试验机(型号为UTM 5105)、台钻及热风枪(型号为GHG 500-2)等。

试件制作：挑选木材端面年轮分布规则的无缺陷规格材，对经精截加工后的木构件端面采用热风枪进行高温热处理，直至端面出现200条·dm^-2以上裂纹，最后按增强涂层纤维内短外长的双层结构进行复合。复合工艺参数：碳纤维用量170 g·m^-2，施胶量350 g·m^-2，复合压力0.10 MPa，施压方式为非刚性施压，涂层结构为内层碳纤维长为0.5 mm涂层，外层为2 mm涂层。在复合试件中间位置按GB 50005-2003木结构设计规范^[14]要求先钻孔后拧入螺钉，基本参数：导孔直径2.5、6.5 mm，导孔深40 mm，木螺钉拧入深度40 mm。考虑到木材内部截面与端面面内强度差异，在部分试验组端面先开口后导孔拧入木螺钉，开口直径18 mm，深10 mm。试验分20组，每组18个试件，试验设计如表 1所示。

握钉力测试依据GB/T 14018-2009木材握钉力试验方法^[15]在万能力学试验机上进行，试验机加载速率为5 mm·min^-1。

碳纤维增强木构件端面握钉力测试结果如表 2。表中每组试验变异系数均在13.56%以内，准确指数在6.10%以内，表明试验测试结果较稳定，每组试件数取18块时试验较充分可靠。

在木构件碳纤维增强端部的几种木螺钉连接方式中，构件端部受力行为几乎呈现同样的规律(图 1)，即木螺钉在加载过程中，随着加载位移的增加，木构件握螺钉荷载呈线性急速递增，此阶段木材握钉力受到螺钉螺纹与木材纤维相互咬合和两者间摩擦阻力共同作用，达峰值载荷后逐渐下降，直至螺钉被拔出，此阶段螺纹咬合部分的木材纤维被螺纹割断，并产生滑移，握钉力主要受摩擦阻力作用。

	图 1 木构件增强端部典型握钉载荷位移曲线图 Figure 1 Curve of screw holding capability of wood members′ reinforced end
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试件被破坏后发现，被拔出的木螺钉螺纹槽内塞满了大量木材颗粒(图 2)，螺钉与落叶松木构件咬合充分，说明试件制作方法合理。六角头木螺钉螺纹槽中的木材颗粒比十字槽沉头木螺钉螺纹槽中的大，因为六角头木螺钉相邻螺纹间距较大，是十字槽沉头木螺钉的1.9倍，木螺钉与导孔过盈配合，木螺钉被拧入木材时，巨大的挤压力将部分木纤维压入螺纹槽中，螺纹间距越大被挤入螺纹槽的木材纤维尺寸越大，在木螺钉被拔出时螺纹将螺纹槽中的木纤维割断并带出。

	图 2 试件破坏典型特征 Figure 2 Failure characteristics of specimens
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从图 3可知，对于无开口试验组而言，增强面握钉力均显著大于未增强面，其中增强面小螺钉握钉力提高24.98%，大螺钉握钉力提高28.11%。在试件复合过程中碳纤维在压力和胶液的带动下与端部缝隙或孔隙中的木纤维充分接触牢固结合，碳纤维增强层改变了木材端面力学性质，面内刚度增加，同样的导孔，在木螺钉拧入时被拧入的木螺钉受到的挤压应力增大。另外，碳纤维增强层有一定的厚度(约2 mm)，增强层与木螺钉间的巨大咬合力及摩擦力也是原因之一。对于开口试验组而言，增强面与未增强面的握钉力几乎相等，开口直径大且深，使木构件端头内部木材暴露在外，碳纤维增强层被破坏，端面的碳纤维对木螺钉的挤压应力贡献较小。

	图 3 增强与未增强木材端部的握钉力 Figure 3 Screw holding capability of reinforced and unreinforced wood members′ end
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从图 4可知，对于木材未增强端面而言，开口试验组握钉力略大于未开口，表明端面面内强度弱于内部截面，内部截面受到两侧木材纤维的牵制，挤压应力较大。而对于端面增强试验组而言，无开口试验组握钉力远大于开口试验组，无开口试验组六角头木螺钉及十字头木螺钉握钉力分别是开口试验组的1.24和1.23倍，表明碳纤维增强层不被破坏时，采用碳纤维增强方法来提高木构件端部握钉性能优于采用开口方法。综上所述，木构件内部木材截面面内力学性能优于端面，但对握钉性能的改善有限，采用碳纤维增强方法来提高木构件端面握钉性能时不宜开口。

	图 4 开口与无开口木材端部的握钉力 Figure 4 Screw holding capability of wood members′ end with pre-opening hole or not
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从图 5可知，木构件端面增强试件制作后存放周期与握钉性能的关系，几乎都表现为短周期握钉性能优于长周期试验组，其原因可能是因为试件复合时采用了高温热风对木材端部进行处理，改变了木构件内水分原有分布状态，产生的巨大内应力导致端面出现较多裂纹，小尺度碳纤维和胶粘剂进入木材缝隙和孔隙后固化，达到暂时平衡。经长周期放置后木材内部水分分布均匀，木材端部内应力发生了再平衡，端部木材因水分增加导致端部木材内应力处于张应力状态，木螺钉拧入后与木材间的咬合力下降；另一方面碳纤维涂层及其与木材结合部产生了部分老化。此外，木构件的选材不是来自同一批锯材，木材自身材性差异、变异性引起的木螺钉受挤压应力的变化也是原因之一。木构件端部短周期测得的握钉力在建筑结构中使用时应作适当折减。

	图 5 不同存放周期木构件增强端部的握钉力 Figure 5 Screw holding capability of wood members′ end duringdifferent storage periods
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从图 6可知，增强面和未增强面中2种木螺钉握钉力差异显著，六角头木螺钉握钉力显著大于十字槽沉头木螺钉，六角头木螺钉公称直径较大，是十字槽沉头木螺钉的2倍。直径较大的木螺钉周表面积大，与木材接触面大；另一方面，大直径木螺钉螺纹间距及螺纹槽都较大，在同样的配合度下被挤入螺纹槽中的木纤维越多，木材颗粒尺寸越大，握钉测试时螺纹割断周边纤维的阻力也相应增大。

	图 6 不同木螺钉直径木材端部的握钉力 Figure 6 Screw holding capability of wood members′ end with different diameters of screws
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从图 7可知，在木构件的3个切面方向上，2种钉的握钉力在3个方向内都表现出了同样的规律，端面握钉力小于径面和弦切面，这是由木材3个切面上的材性特点决定，端面内木螺钉长度方向与木纤维排列方向几乎平行，握钉力主要取决于木材纤维间挤压力，木螺钉拧入时木纤维以被分离为主；弦切面握钉力小于径切面，是因为弦切面内木螺钉长度方向与径向平行，木螺钉拧入时穿过早材晚材串联区。木构件断面较大(宽8 cm×厚8 cm)，干燥后的木构件易在圆周方向产生较大的内应力，易出现径向裂纹，而弦向相对稳定。径、弦向握钉力主要取决于木纤维的抗断裂性能。端面增强的无开口试验组握钉力与木材径向的相当，表明采用碳纤维增强端面可使木构件薄弱的端面获得与木构件径向同等水平的握钉性能。

	图 7 木材径切面、弦切面及端面的握钉力 Figure 7 Screw holding capability of wood in quarter section, tangential section and transverse section
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在落叶松木构件端面采用双层碳纤维复合工艺可使木构件端面获得较高和稳定的握钉力，木构件端部十字槽头木螺钉及六角头木螺钉握钉力分别提高了24.98%和28.11%。木构件内部木材截面面内力学性能优于端面，内部截面同时受到来自截面两侧纤维的牵制，端面仅受到来自一侧纤维牵制，采用开口方法可在一定程度上提高木构件端部握钉力。采用碳纤维增强方法来提高木构件端面握钉性能时不宜开口。为获得较高握钉力，木构件端部宜选用较大直径木螺钉，木螺钉直径越大握钉力越大，直径大的木螺钉与木材接触面积大、摩擦阻力大，直径大的木螺钉螺纹间距大，被挤入螺纹槽中的木纤维尺寸大，木螺钉被拔出时割断木纤维的阻力大。

落叶松木材构件端面握钉力小于径、弦向，端面握钉力主要取决于木材纤维间挤压力，径、弦向握钉力主要取决于木纤维的抗断裂性能，采用碳纤维增强端面的方法可使木构件薄弱的端面获得与径向木材同等水平握钉力。木构件端面与内部截面力学差异及碳纤维与木构件端面的复合性能由握钉力可看出明显差异，握钉性能可作为评价木构件端面增强效果的评价参数。

试件存放周期长短对端面握钉力有一定的影响，这与木构件内应力的再平衡、增强层老化、木螺钉受挤压应力变化等有关，文献中覆面板与规格材钉连接试件放置时间对钉连接的承载力和和刚度出现明显退化^[16]也反映了这一特性。对于试件复合后存放周期及木螺钉拧入木构件后存放周期导致握钉性能出现退化的机理尚有待进一步研究。