交叉層積材在高層木結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用探析

杜曉英 董春雷 鄭志鋒 黃元波

(云南省生物質(zhì)高效利用工程實(shí)驗(yàn)室，西南林業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

交叉層積材 (CLT) 是一種性能優(yōu)越的木質(zhì)復(fù)合產(chǎn)品，是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域的重要材料之一。CLT是由實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)用木質(zhì)復(fù)合材平行膠合構(gòu)成的實(shí)心木質(zhì)復(fù)合材料，相鄰的板層嚴(yán)格按照木材紋理相互垂直方向排列，以交叉層疊的方式膠合在一起，通常具有對(duì)稱性。CLT板交錯(cuò)疊合的技術(shù)，加上其特殊的結(jié)構(gòu)形式，減小了木材各向異性對(duì)于結(jié)構(gòu)受力性能的影響，使板材的整體性能大幅度提高，并且可以有效減小材料缺陷對(duì)板材性能的影響。目前，CLT主要應(yīng)用在木結(jié)構(gòu)建筑的墻體、樓板、梁柱結(jié)構(gòu)，也應(yīng)用于橋梁和棧道的面板；與混凝土等其他傳統(tǒng)材料綜合應(yīng)用時(shí)，能夠建造更高樓層的木結(jié)構(gòu)建筑。因此，近年來CLT的需求量逐漸增大，產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步增長(zhǎng)。截至2015年底，CLT的產(chǎn)量約80萬m3。鑒于CLT優(yōu)良的應(yīng)用前景，有必要對(duì)其在木結(jié)構(gòu)高層建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，以期為我國(guó)木建筑的建設(shè)與發(fā)展提供參考[1-2]。

1 CLT性能

CLT由于其通用性、延伸性能以及其機(jī)械連接或膠合連接的性能，使CLT產(chǎn)品的尺寸能夠達(dá)到18 m × 3 m，厚度可以達(dá)到500 mm，幾乎可以加工成任何想要的建筑形狀。目前，CLT產(chǎn)品的發(fā)展主要是受技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)施的限制，木材原料本身的缺陷 (如木節(jié))、CLT板材在加工過程中的誤差都對(duì)整體力學(xué)性能有很大的影響，CLT產(chǎn)品潛在的機(jī)械性能尚未完全開發(fā)，這在很大程度上限制了實(shí)際工程案例的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模。CLT產(chǎn)品可以在工廠進(jìn)行預(yù)制，根據(jù)不同建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求，預(yù)加工成為預(yù)留較大尺寸門窗洞口規(guī)格的樓面板和墻面板。這些構(gòu)件在預(yù)制加工完成后直接打包運(yùn)送至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速安裝，從而明顯縮短了建筑的安裝周期。CLT建筑體系在成本、設(shè)計(jì)、施工、環(huán)保等方面都具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有不同木結(jié)構(gòu)建筑類型的絕大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)。CLT建筑體系作為木結(jié)構(gòu)建筑范疇的重要一部分，可適用于高層住宅以及公共建筑中。

1.1 抗震性能

建筑結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量、建筑結(jié)構(gòu)的柔韌度、建筑結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和震動(dòng)頻率等因素都能夠直接影響建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。木結(jié)構(gòu)建筑由于其結(jié)構(gòu)自重輕，可以把地震產(chǎn)生的能量快速進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在地震發(fā)生時(shí)，木結(jié)構(gòu)材料由于本身所含的木纖維在地震中會(huì)發(fā)生形變或者排列方式的改變從而吸收地震能量，使木結(jié)構(gòu)建筑物本身吸收的能量較小，因此木結(jié)構(gòu)相比其他建筑材料來說，具有更好的抗震性能。

2007年日本進(jìn)行了一項(xiàng)7層CLT建筑的地震抗震實(shí)驗(yàn)，承受了7.2級(jí)地震，顯示出良好的抗震性能[3-4]。2009年，國(guó)外又進(jìn)行了一次大規(guī)模的7層木結(jié)構(gòu)建筑振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)[5]，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂肅LT板為主體結(jié)構(gòu)，板與板的連接使用釘連接，此次試驗(yàn)?zāi)Ｐ退苷饎?dòng)強(qiáng)度相當(dāng)于里氏7.5級(jí)地震強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)時(shí)震動(dòng)持續(xù)了約40 s。測(cè)試結(jié)果表明，在地震后建筑物的頂部最大位移只有287 mm (X) 和175 mm (Y)，最大位移率2.4% (X) 和1.6% (Y)，震動(dòng)測(cè)試對(duì)建筑物的破壞影響非常微小，可見中等高度的木結(jié)構(gòu)建筑物對(duì)強(qiáng)烈的地震有較高的耐受力[5]。

意大利威尼斯建筑大學(xué)針對(duì)大面積墻體通過調(diào)整連接件的數(shù)量和改變緊固件的位置、是否開門窗洞口等條件，分別進(jìn)行了墻體的循環(huán)荷載對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：CLT體系的墻板結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出堪比剛體的整形性能，在強(qiáng)烈的震動(dòng)作用下仍然能夠保持完整性，結(jié)構(gòu)的主要破壞區(qū)域集中在墻體與基礎(chǔ)連接處[6-7]。墻體中連接件和墻體緊固裝置使得墻體表現(xiàn)出強(qiáng)大的整體韌性和延展性，能夠在吸收地震中大量能量的同時(shí)，較好地保持墻體與基礎(chǔ) (或樓板) 的整體性。溫哥華相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試研究也顯示出，CLT墻板是一種有效的抗側(cè)力體系，通過足夠強(qiáng)度的螺釘與鋼支架連接，CLT墻體可以有足夠的抗震性能來連接墻壁到下面的地板面層。眾多研究實(shí)驗(yàn)表明，提高CLT建筑抗震性能的關(guān)鍵在于提升結(jié)構(gòu)體系中所用連接件的性能。連接件與緊固件的位置、數(shù)量等配置方式因素，對(duì)墻體的抗震性能起決定性作用[8]。

1.2 耐火性能

傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，木材屬于易燃材料，在火災(zāi)中木建筑結(jié)構(gòu)件容易失去承載力，導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)建筑被大面積燒毀。事實(shí)上木材雖是可燃材料，但木材燃燒過程中可形成的炭化層，能夠充當(dāng)起絕緣體的角色，有效地阻止木材進(jìn)一步燃燒，從而提高材料的耐火極限。奧地利格拉茲科技大學(xué)木材材料燃燒實(shí)驗(yàn)室對(duì)CLT板材在通過防火處理后的耐火性能進(jìn)行了研究[9]，分析結(jié)果顯示碳化層、燃燒速率、燃燒區(qū)域和板的結(jié)構(gòu)形式對(duì)CLT板材的耐火性能都能夠產(chǎn)生一定的影響。在相同的條件下，普通木結(jié)構(gòu)的耐火阻燃值是鋼結(jié)構(gòu)的1.3倍，是水泥結(jié)構(gòu)的1.7倍[10]。CLT結(jié)構(gòu)是重型木結(jié)構(gòu)類型，其遇到火災(zāi)時(shí)的抵抗力比普通木結(jié)構(gòu)建筑更強(qiáng)，并且炭化擴(kuò)展深度 (即單位時(shí)間內(nèi)木材顏色變黑程度)更低，僅達(dá)到0.4～0.8 mm/min[11]。

與傳統(tǒng)的輕型木結(jié)構(gòu)建筑相比，CLT建筑體系的構(gòu)件截面尺寸較大，燃燒過程中材料表面炭化所形成的絕熱保護(hù)層有效地提高了CLT板在火災(zāi)中的承載能力，降低了火勢(shì)通過空氣間隙傳播的風(fēng)險(xiǎn)[12]。此外，通過對(duì)總厚度為85 mm的5層CLT板材 (單元厚度17 mm) 和3層CLT板材 (單元厚度28 mm) 試件進(jìn)行耐火極限和炭化深度實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，單元層板較薄的CLT板材，其表層結(jié)構(gòu)的炭化層在燃燒過程中更容易脫落，因此無法對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成有效的保護(hù)[13]。即對(duì)于總厚度一定的CLT板材，加大層板單元的厚度可以提高板材的耐火極限。

1.3 隔聲性能

隔聲性能對(duì)于木結(jié)構(gòu)建筑來說一直是一個(gè)難題。加拿大森林產(chǎn)品創(chuàng)新工業(yè)研究院 (FP) 進(jìn)行的隔音課題研究發(fā)現(xiàn)，在建筑物中適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和安裝改良建筑構(gòu)件，可以使其達(dá)到或超過國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的隔音水平，為未來的居住者提供滿意的條件。

對(duì)于墻和門之間的空氣噪音，國(guó)際建筑規(guī)范IBC要求建筑物達(dá)到最低的聲音傳播等級(jí) (STC) 和撞擊隔音等級(jí) (IIC) 或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值[14]。研究表明，通過選用石膏板、礦物棉類的合成材料以及空氣層和其他材料進(jìn)設(shè)計(jì)，CLT符合或者優(yōu)于所需要滿足的STC和IIC條件等級(jí)。

1.4 隔熱性能

木材是一種多孔性的生物質(zhì)材料，與生俱來具有抗熱性能。加拿大森林產(chǎn)品創(chuàng)新工業(yè)研究院 (FP) 的研究結(jié)果表示，CLT面板能抵抗大約1.25每英尺R的熱阻抗性[13]，而美國(guó)社會(huì)對(duì)制熱、制冷、空調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的報(bào)道提出混凝土只能提供0.52每英尺R的熱阻。由此可見，一個(gè)密閉的CLT系統(tǒng)可以輕易地提供較高等級(jí)的熱阻，以此來增強(qiáng)CLT建筑的隔熱性能。

2 CLT應(yīng)用于高層木結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)勢(shì)

CLT結(jié)構(gòu)體系是以CLT樓板、墻板、屋面板為主要的承重構(gòu)件，加上混凝土基礎(chǔ)，以螺絲釘、鋼制承載板和角鐵連接作為主要的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造連接形成的一種裝配式的木結(jié)構(gòu)體系。

CLT結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)高層建筑的設(shè)計(jì)理念，可以稱之為是木材-混凝土高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念[15-16]，即使用建筑材料混合的結(jié)構(gòu)體系，其中大多數(shù)的承重結(jié)構(gòu)元素是由CLT構(gòu)成，再加入鋼拉桿的集成概念。這些集成的鋼筋，可以避免使用大量的緊固件，否則會(huì)提高建筑物的負(fù)荷。特別是對(duì)于在強(qiáng)風(fēng)或地震多發(fā)區(qū)域的建筑物，CLT結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

2.1 使用壽命較長(zhǎng)

在解決建筑高度限制的基礎(chǔ)上，CLT結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能的增強(qiáng)有效延長(zhǎng)了建筑的使用壽命。對(duì)于建筑物構(gòu)件位置的恰當(dāng)分布，是CLT建筑壽命長(zhǎng)短的決定因素。建筑設(shè)計(jì)中必須考慮地區(qū)的氣候以確保在CLT中含水率的變化，因?yàn)楹实脑黾訒?huì)促進(jìn)真菌的滋生而造成木材的衰敗與腐爛。

CLT結(jié)構(gòu)體系的許多設(shè)計(jì)元素能夠幫助延長(zhǎng)這些建筑的使用壽命。加拿大森林產(chǎn)品創(chuàng)新工業(yè)研究院 (FP) 研究出了4D的CLT設(shè)計(jì)：偏差設(shè)計(jì)、排水設(shè)計(jì)、干燥設(shè)計(jì)、持久設(shè)計(jì)[14]。另外，可以通過使用防腐劑處理過的木材或者自然耐久性好的木材來降低風(fēng)險(xiǎn)。隔熱性能的加入能夠長(zhǎng)遠(yuǎn)地減小熱量的獲得以及損失。通過在建筑外表面安裝隔熱材料，熱阻性能最有可能隨著不斷地覆蓋中心位置得到提升。這些科學(xué)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，給建筑正常使用年限期間的安全提供了有力保證。

2.2 安裝高效

CLT能夠?yàn)樘囟ǖ膽?yīng)用而預(yù)制，主要包含預(yù)切開口的門、窗戶、樓梯、服務(wù)渠道和管道，并直接從制造商運(yùn)送到工地，整個(gè)過程快速高效，這可以加快施工進(jìn)度。由于每塊板是專為特定的最終用途而制造，通常有著特定的建造施工和交付方法，所以CLT的運(yùn)用解決了對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)容量有限的問題。與傳統(tǒng)的混凝土材料相比，CLT的重復(fù)性高，材料較輕。由于建筑材料重量的減輕，在建筑施工階段也帶來了相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，CLT建筑體系的整個(gè)實(shí)施過程大大節(jié)省了塔式起重機(jī)的成本。考慮到材料運(yùn)輸時(shí)間、起重機(jī)所耗用的時(shí)間與構(gòu)造樓層板所用的時(shí)間這幾項(xiàng)因素，CLT結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際施工中較傳統(tǒng)施工節(jié)省時(shí)間可達(dá)到三分之一，實(shí)現(xiàn)了建筑總工期的明顯減少。

2.3 節(jié)能環(huán)保性能優(yōu)異

CLT結(jié)構(gòu)建筑多數(shù)由木材制成，與傳統(tǒng)建筑材料相比，在板材制備過程和施工階段需要更少的能源[17]。趙勇[18]利用DEST建筑能耗模擬軟件對(duì)木結(jié)構(gòu)住宅在其使用周期內(nèi)的損耗進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在一年內(nèi)，木結(jié)構(gòu)建筑的采暖和空調(diào)耗電量比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑要節(jié)約21.5%[19]。此外，木材是唯一能夠消除和平衡CO2的建筑材料，每立方米木材平均能夠儲(chǔ)存和吸收0.8～0.9 t CO2。使用木材代替混凝土，節(jié)省了混凝土?xí)尫诺念~外1.1 t的CO2。這樣一來，總共避免了約2 t的CO2排放。由J W G. van de Kuilen提出的的木材-混凝土摩天大樓研究設(shè)計(jì)中，建造一棟43層142米高的住宅，建筑平面尺寸35 m × 25 m，由混凝土構(gòu)建承重框架，每平方米公寓用到大約0.75 m3CLT構(gòu)件，整棟建筑中共用到約26 300 m3木材，避免了約50 000 t的CO2排放量，這相當(dāng)于一年內(nèi)3.3萬輛汽車的排放量。由此可見，CLT結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用符合低碳環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。

3 CLT構(gòu)件的連接方式

由于生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)木窒扌?，CLT構(gòu)件的尺寸會(huì)受到限制，面板連接細(xì)節(jié)必須易于裝配，并且方便快速制造。面板與面板的連接有利于通過壁或底板的裝配，使其通過平面的力量轉(zhuǎn)移。當(dāng)面板與面板的連接用于墻體裝配，連接必須抵抗平面內(nèi)剪切和設(shè)計(jì)平面彎曲；當(dāng)連接用于地板組件作為隔板，連接必須能夠傳遞平面隔板的力量，并保持橫隔板整體的完整性，抗側(cè)力體系。

3.1 內(nèi)齒連接方式

單或雙木條由木材、單板層積材 (LVL)、薄CLT或膠合板可形成這種關(guān)系 (圖1)。木條和雙板邊之間的連接可以使用自攻螺釘、木螺釘或釘，其優(yōu)點(diǎn)是提供了雙剪切連接。然而，在實(shí)施中需要更準(zhǔn)確的分析，在現(xiàn)場(chǎng)施工中也需要一些特殊的配件。另一方面，該結(jié)構(gòu)也可以抵抗正常的或者過度的平面荷載。結(jié)構(gòu)膠可以應(yīng)用于不同的零件中，除了用于機(jī)械緊固件，可以提供更多必要的剛性連接。

圖1內(nèi)齒連接方式
Fig.1 Internal gear connection

3.2 單面連接方式

這種連接方式面板邊緣的輪廓采用帶有花鍵的木材或LVL、PSL、積成材 (圖2)，傳統(tǒng)的緊固件，如釘，木螺釘和拉力螺釘可用于連接現(xiàn)場(chǎng)。由于單一的剪切連接，這種連接通常比內(nèi)齒連接要薄弱，結(jié)構(gòu)膠也可用于此類型的連接細(xì)節(jié)。

圖2單面連接方式
Fig.2 One-sided connection

3.3 雙面連接方式

該連接方式類似于單面連接方式，是用來增加連接強(qiáng)度和剛度 (圖3)。由于使用了兩套螺釘，所以提高了剪切平面的抗負(fù)載，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)材料性能的目的。但這種連接方式需要更多的機(jī)械加工和安裝時(shí)間，這是由于把附加的兩個(gè)樣條從兩側(cè)的面板插入緊固件，需要固定緊固件的時(shí)間就增加了1倍。根據(jù)Augustin的研究，如果使用SCL作為樣條，然后聯(lián)合面板，可以用來抵抗矩行與平面加載，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度便有顯著提高。

圖3雙面連接方式
Fig.3 Two-sided connection

3.4 單階搭接方式

這種連接的特點(diǎn)在于銑削半搭接接頭，通常用于板與板在墻壁和地板的組件連接 (圖4)。在連接面板的邊緣運(yùn)用長(zhǎng)自攻螺釘。這種連接可以進(jìn)行抵抗正常和橫向載荷，但欠缺抗彎性能。雖然這是一種非常簡(jiǎn)單的連接細(xì)節(jié)，便于CLT系統(tǒng)的快速組裝，但是在切口區(qū)域應(yīng)力分布容易形成危險(xiǎn)界面。這會(huì)在一些情況下造成地板元素發(fā)生不均勻的負(fù)載。

圖4單階連接方式
Fig.4 Single-order connection

3.5 套筒連接方式

這種連接系統(tǒng)是在奧地利由G. Traetta研究的一種創(chuàng)新型系統(tǒng) (圖5)。這個(gè)系統(tǒng)采用了異形鋼管與孔。面板元素到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)與膠合或擰桿驅(qū)動(dòng)的平面上的兩個(gè)面板連接，并與孔加工的板在一定的位置沿邊緣的金屬管放置。在這些位置上沿著面板元件插入管接頭，在現(xiàn)場(chǎng)中使用金屬螺母對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行緊固。奧地利的建筑研究中心對(duì)這個(gè)創(chuàng)新系統(tǒng)的能力進(jìn)行了評(píng)估，表示在實(shí)際中如果使用這個(gè)連接系統(tǒng)通常不需要分析沿板邊緣的力，因?yàn)樗诠ぷ髦兄饕且揽柯菁y或粘在桿的拉拔阻力。

圖5套筒連接方式
Fig.5 Sleeve connection

4 結(jié) 語

與傳統(tǒng)材料相比，CLT在高層木結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用更具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但由于CLT設(shè)計(jì)和計(jì)算研究仍有所欠缺，目前采用CLT結(jié)構(gòu)體系只能建筑十層左右的高度。在今后對(duì)CLT的研究應(yīng)著重于其結(jié)構(gòu)的力學(xué)設(shè)計(jì)方面，解決CLT結(jié)構(gòu)應(yīng)用在高層建筑中的承載力問題，提高木結(jié)構(gòu)高層建筑的整體受力性能。相信隨著CLT研究的不斷發(fā)展和完善，增強(qiáng)其相對(duì)其他建筑材料的競(jìng)爭(zhēng)力，綠色環(huán)保的CLT中高層建筑會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

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