重型工程木荷載持續(xù)時(shí)間效應(yīng)研究進(jìn)展

， 鄭 維

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

1 重型工程木簡(jiǎn)介

重型工程木(Mass timber products，MTP)是傳統(tǒng)工程木的一種，其截面較大，包括一系列厚板產(chǎn)品，如正交膠合木(Cross-laminated timber，CLT)、結(jié)構(gòu)復(fù)合木材(Structural composite lumber，SCL)，以及膠合或機(jī)械層合的線性單元產(chǎn)品如層板膠合木(Glued-laminated timber，GLT)、釘接層積材(Nailed-laminated timber，NLT)和硬木銷(xiāo)釘層積材(Dowel laminated timber，DLT)等[1]。在過(guò)去的二十年間，重型木結(jié)構(gòu)取得了飛速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，眾多中高層木結(jié)構(gòu)建筑都采用CLT作為承重樓蓋、墻體，GLT作為梁、柱構(gòu)件的承重形式，如加拿大哥倫比亞大學(xué)校園內(nèi)的18層全木結(jié)構(gòu)公寓樓，以及即將落戶(hù)福建尤溪的12層CLT高層木結(jié)構(gòu)商辦綜合樓等。不同于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，這種最近興起的建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有更好的成本競(jìng)爭(zhēng)力、可持續(xù)性及可靠性，碳效率高、強(qiáng)重比高、高度預(yù)制化、施工周期塊、耐火性能好以及節(jié)能保溫等諸多優(yōu)勢(shì)。重型木結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土相比，更適合應(yīng)用于大跨度、小尺度及中高層建筑[2]。目前，應(yīng)用較多的兩種MTP主要是GLT和CLT。

GLT是將木材紋理相互平行的規(guī)格材或其他工程木產(chǎn)品在長(zhǎng)度或?qū)挾确较蛏现附踊蚱磳?，在厚度方向上層積膠合而成的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合產(chǎn)品，層板厚度通常為20～45 mm，如圖1所示。

圖1 層板膠合木

CLT是以實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合板材為單元，相鄰層相互垂直正交組坯，采用結(jié)構(gòu)膠黏劑膠壓或釘接制造的新型工程木產(chǎn)品，通常層板3～11層，使用的結(jié)構(gòu)復(fù)合板包括單板層積材、層疊木片層積材、定向木片層積材和定向刨花板等[3]，如圖2所示。

圖2 正交膠合木

相比GLT而言，CLT層板的正交結(jié)構(gòu)使各層之間相互牽制，因此具有更好的尺寸穩(wěn)定性，并且可以雙向受力，這對(duì)重型木結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)最為重要。但由于CLT的正交組坯特性及木材的各向異性，較小的橫紋抗剪強(qiáng)度導(dǎo)致產(chǎn)品在受到面外荷載時(shí)，橫向?qū)痈菀装l(fā)生滾動(dòng)剪切破壞，同時(shí)橫向?qū)拥拇嬖谝矔?huì)提高整體產(chǎn)品的蠕變值[4]。無(wú)論采用釘或木銷(xiāo)機(jī)械固定，還是采用結(jié)構(gòu)膠黏劑膠合，CLT在長(zhǎng)期荷載作用下與其他工程木產(chǎn)品(如膠合木)相比更容易發(fā)生隨時(shí)間變化的形變[5]。在近十幾年來(lái)的重型木結(jié)構(gòu)實(shí)踐中，最有效且經(jīng)濟(jì)的做法是用GLT做梁和柱，而墻板、樓蓋、屋蓋則由CLT來(lái)承擔(dān)。

通常情況下，木材在短期荷載作用下強(qiáng)度大，在長(zhǎng)期持續(xù)荷載作用下強(qiáng)度變小，這種隨著荷載持續(xù)時(shí)間增加，變形逐漸增大，強(qiáng)度逐漸降低的現(xiàn)象被稱(chēng)為木材的荷載持續(xù)時(shí)間(Duration of load，DOL)效應(yīng)[6]。由于木結(jié)構(gòu)建筑長(zhǎng)期承受荷載，DOL效應(yīng)會(huì)使構(gòu)件強(qiáng)度降低乃至發(fā)生破壞，存在安全隱患。木材的DOL效應(yīng)是木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題，木材及木材產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的確定、穩(wěn)定性等問(wèn)題很大程度受DOL效應(yīng)的影響[6]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)重型工程木產(chǎn)品DOL效應(yīng)的研究相對(duì)較少，對(duì)CLT產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)主要研究其短期力學(xué)性能[7-10]，針對(duì)CLT產(chǎn)品長(zhǎng)期性能的研究更是鮮有報(bào)道，木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中也缺少相應(yīng)的長(zhǎng)期性能設(shè)計(jì)值。因此，探究MTP構(gòu)件在長(zhǎng)期荷載下的結(jié)構(gòu)性能，有助于豐富MTP在木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)能夠更好地將CLT建筑引入木結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。

2 木質(zhì)材料DOL模型

木質(zhì)材料的DOL效應(yīng)包括兩方面含義，一方面是木質(zhì)材料隨荷載持續(xù)作用時(shí)間的增加發(fā)生強(qiáng)度降低，另一方面是木質(zhì)材料的應(yīng)變或變形隨荷載持續(xù)時(shí)間增加而增大的現(xiàn)象。針對(duì)MTP常用的DOL預(yù)測(cè)模型包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、損傷累積模型、黏彈性斷裂力學(xué)模型等。

2.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪侵父鶕?jù)試驗(yàn)的方法，對(duì)數(shù)據(jù)分析總結(jié)得出DOL預(yù)測(cè)模型。最為經(jīng)典的長(zhǎng)期強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式為Madison曲線，由美國(guó)林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室對(duì)小尺寸清材荷載持續(xù)時(shí)間與其應(yīng)力比之間的關(guān)系試驗(yàn)探究得出，如式(1)，該公式至今被《美國(guó)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》所采用[11]。

(1)

式中：tf為荷載作用時(shí)間；SL為木材破壞強(qiáng)度與短期強(qiáng)度的比值。

2.2 損傷累積模型

損傷累積理論是研究工程木產(chǎn)品DOL效應(yīng)的關(guān)鍵工具之一，通過(guò)引入損傷量這一概念來(lái)描述木質(zhì)材料在一段荷載歷程下所受到的損傷，當(dāng)積累損傷達(dá)到某個(gè)水平后，木質(zhì)材料開(kāi)始出現(xiàn)破壞。Foschi和Yao[12]建立的基于應(yīng)力的損傷累積模型，考慮了DOL對(duì)尺寸木材及木材產(chǎn)品強(qiáng)度特性的影響，該模型將損傷累積率視為應(yīng)力歷史和已累積損傷狀態(tài)的函數(shù)，形式如下：

(2)

式中：α為損傷狀態(tài)變量(α=0表示未損傷狀態(tài)，α=1表示失效狀態(tài))；t是時(shí)間；σ(t)為施加的應(yīng)力歷史；σs是短期強(qiáng)度；τ0是短期強(qiáng)度σs的一個(gè)分?jǐn)?shù)；τ0σs是產(chǎn)品的一個(gè)閾值應(yīng)力，損傷累積在應(yīng)力高于τ0σs時(shí)出現(xiàn)。

a、b、c、n、τ0為模型參數(shù)，可以采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)獲得，模型參數(shù)a由式(3)計(jì)算：

a=k(b+1)/[σs(1-τ0)(b+1)]

(3)

式中：k為加載速率；其他參數(shù)如式(2)所示。

在長(zhǎng)期試驗(yàn)的加載過(guò)程中，達(dá)到指定恒定荷載前產(chǎn)生的損傷可以用式(4)表示：

a0=[(σa-τ0σs)/(σs-τ0σs)](b+1)

(4)

則失效時(shí)間tf用下式表示：

(5)

2.3 蠕變斷裂模型

木構(gòu)件在承擔(dān)長(zhǎng)期荷載時(shí)，強(qiáng)度的衰減和變形的發(fā)生實(shí)際上是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的時(shí)間過(guò)程，現(xiàn)有的文獻(xiàn)大多將二者視為相互獨(dú)立的過(guò)程，而蠕變斷裂模型考慮了木材強(qiáng)度和蠕變的內(nèi)在關(guān)系。Wang等[13]于2012年在Foschi和Yao模型的基礎(chǔ)上，考慮變形歷史，提出了如下公式：

dα/dt=a?&2+c?&2α

(6)

式中：?&為應(yīng)變率，替代了Foschi和Yao模型公式中的應(yīng)力歷史；a、b、c、n為模型參數(shù)。

本構(gòu)關(guān)系是木質(zhì)材料受到外力時(shí)發(fā)生蠕變的基礎(chǔ)原理，因此重點(diǎn)是本構(gòu)關(guān)系的建立，以便計(jì)算給定外加荷載下的應(yīng)變歷史。木質(zhì)材料的本構(gòu)關(guān)系模型主要分為兩類(lèi)：一是從以往數(shù)據(jù)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，二是考慮物理性質(zhì)的力學(xué)模型。學(xué)者可以根據(jù)時(shí)間、精度等要求，進(jìn)行模型的合理選擇。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪峭ㄟ^(guò)木材蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，歸納、總結(jié)出蠕變與時(shí)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。模擬蠕變最常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閮缏赡Ｐ停?/p>

J(t)=J0+mtn

(7)

式中：J0、m、n是材料的蠕變?nèi)岫鹊葏?shù)；t是時(shí)間；J(t)是材料的蠕變?nèi)崃俊?/p>

力學(xué)模型從木材本身的彈性和黏彈性性質(zhì)出發(fā)，把木材假設(shè)為由彈性、黏性、黏彈性等單位組成的整體。目前從物理概念上較為準(zhǔn)確描述木材蠕變行為的力學(xué)模型為Pierce[14]提出的五參數(shù)蠕變模型，該模型考慮了木材黏性變形與時(shí)間的非線性關(guān)系，在低應(yīng)力條件下?lián)碛懈叩臏?zhǔn)確性。形式如下：

(8)

(9)

3 DOL試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)外有三種工程木DOL效應(yīng)測(cè)試和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分別是《EN 1156 Wood-based Panels—Determination of duration of load and creep factors》[15]、《ASTM D 6815 Evaluation of Duration of Load and Creep Effects of Wood and Wood-Based Products》[16]和國(guó)內(nèi)《GB/T 31291木材和木基產(chǎn)品的荷載持續(xù)時(shí)間效應(yīng)和蠕變性能評(píng)定》[17]。

其中，EN 1156提供了在恒定氣候環(huán)境中，彎曲加載條件下測(cè)試木質(zhì)材料蠕變系數(shù)和DOL系數(shù)的方法。該方法將試樣分成強(qiáng)度性能相似的組，施加不同水平的應(yīng)力進(jìn)行為期一年的恒載試驗(yàn)，根據(jù)應(yīng)力比與時(shí)間曲線分析推導(dǎo)10年加載時(shí)該批材料的DOL系數(shù)。該方法存在成本高，周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，應(yīng)用不廣泛。

ASTM D 6815與GB/T 31291內(nèi)容相近，提供了一種短期快速評(píng)估新型木質(zhì)復(fù)合材料的蠕變和DOL行為的方法。標(biāo)準(zhǔn)中將試樣根據(jù)抗彎彈性模量分成兩個(gè)分布和變化范圍基本相同的獨(dú)立組。一組進(jìn)行短期四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，另一組進(jìn)行長(zhǎng)期四點(diǎn)抗彎蠕變?cè)囼?yàn)，通過(guò)短期試驗(yàn)試件抗彎強(qiáng)度的5%分位值確定長(zhǎng)期試驗(yàn)的最低應(yīng)力水平。再根據(jù)被測(cè)木質(zhì)復(fù)合材料在90天及以上時(shí)間持續(xù)荷載后的蠕變系數(shù)、試件破壞數(shù)量以及蠕變速率三個(gè)指標(biāo)是否符合相關(guān)要求，來(lái)判斷被測(cè)木質(zhì)復(fù)合材料與實(shí)木產(chǎn)品的工程等效性。

3.2 加載方式

由于測(cè)試周期的不同，目前對(duì)木質(zhì)材料DOL效應(yīng)研究的加載方式可以分為長(zhǎng)期恒定加載和循環(huán)加載。恒定加載方式可以較為直觀得出木材破壞時(shí)間和應(yīng)力水平的關(guān)系，但耗費(fèi)時(shí)間久、試驗(yàn)周期長(zhǎng)。循環(huán)加載是通過(guò)對(duì)試件周期性加載、卸載，可以在較短的時(shí)間內(nèi)加快試件疲勞，模擬長(zhǎng)期損傷累積的過(guò)程，縮短試驗(yàn)周期，減少環(huán)境因素對(duì)試件DOL效應(yīng)的影響。這種變化的加載方式也可以模擬構(gòu)件在應(yīng)用中經(jīng)歷雪荷載等實(shí)際情況。

4 國(guó)內(nèi)外工程木DOL研究進(jìn)展

4.1 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)對(duì)工程木DOL效應(yīng)研究從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，研究對(duì)象集中于傳統(tǒng)工程木產(chǎn)品，蠕變?cè)囼?yàn)周期及其預(yù)測(cè)也普遍較短。MTP的長(zhǎng)期試驗(yàn)及其模擬預(yù)測(cè)方面研究較少，并缺乏環(huán)境變化對(duì)DOL效應(yīng)的影響研究，對(duì)CLT長(zhǎng)期物理力學(xué)性能的研究更是鮮有報(bào)道。

2007年，王勝偉[18]對(duì)單板層積材進(jìn)行了拉伸與壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，采用不同的應(yīng)力水平，記錄了時(shí)間、變形及荷載數(shù)據(jù)，得到了包含蠕變應(yīng)變與時(shí)間的LVL本構(gòu)關(guān)系式，結(jié)果表明數(shù)值模擬與實(shí)際吻合較好。該研究提出了木材及LVL等工程木產(chǎn)品長(zhǎng)期性能的預(yù)測(cè)方法，同時(shí)為其理論研究和分析提供了依據(jù)。

2009年，周華樟[19]研究了荷載周期對(duì)基本構(gòu)件長(zhǎng)期變形的影響規(guī)律，并深入研究了大跨度木結(jié)構(gòu)拱和單層木網(wǎng)殼的蠕變屈曲和殘余穩(wěn)定承載力。

2015年，邱立鵬[20]完成了足尺膠合木曲梁短期承載力試驗(yàn)以及在變化的濕度和荷載作用下的長(zhǎng)期承載性能試驗(yàn)，揭示了膠合木曲梁在荷載作用下以及在荷載和濕度變化共同作用下發(fā)生橫紋受拉脆性破壞的機(jī)理和模式，建立的本構(gòu)關(guān)系模型同時(shí)考慮了木材熱脹冷縮、濕脹干縮、黏彈性蠕變、機(jī)械吸附蠕變、破壞模式、各向異性損傷和荷載持續(xù)時(shí)間效應(yīng)，并采用有限元軟件ABAQUS建立模型，對(duì)試件的破壞時(shí)間進(jìn)行了良好預(yù)測(cè)。同年，馬欣欣[21]探究了不同溫濕度條件下，竹束單板層積材和竹集成材的蠕變性能，運(yùn)用時(shí)溫等效原理與機(jī)械吸附蠕變模型進(jìn)行分析，然后進(jìn)行了一年的蠕變和恢復(fù)試驗(yàn)，分析了不同應(yīng)力水平與材料蠕變的相關(guān)性，獲得兩種材料在正常使用環(huán)境下的蠕變規(guī)律，建立本構(gòu)模型進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，為竹質(zhì)工程材料在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

2016年，賀鐵[22]進(jìn)行了膠合竹木梁的荷載持續(xù)效應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)置3組預(yù)應(yīng)力水平，通過(guò)2個(gè)月的長(zhǎng)期加載以及加載后的性能測(cè)試，研究了預(yù)應(yīng)力鋼絲數(shù)量、總預(yù)加力數(shù)值以及長(zhǎng)期荷載大小幾種因素對(duì)膠合竹木梁長(zhǎng)期受彎性能的影響，并研究了受蠕變及應(yīng)力調(diào)控后的膠合竹木梁短期性能。

2017年，金弋博總結(jié)歸納了木材DOL效應(yīng)研究的試驗(yàn)方法、常用模型，通過(guò)對(duì)東北落葉松木材的短期和長(zhǎng)期試驗(yàn)，探究了木材橫紋受拉的DOL效應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度和彈性模量的影響。發(fā)現(xiàn)木材橫紋受拉DOL效應(yīng)要弱于Madison曲線，同時(shí)不影響其彈性模量。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)了幾種DOL模型參數(shù)，建立了木材橫紋受拉DOL模型，并預(yù)測(cè)木材的長(zhǎng)期強(qiáng)度，給出了適合中國(guó)規(guī)范的木材橫紋受壓DOL影響系數(shù)。

2018年，劉非微[23]對(duì)LVL梁進(jìn)行了不同荷載水平的長(zhǎng)期蠕變?cè)囼?yàn)，探究LVL梁的蠕變變形發(fā)展規(guī)律，結(jié)合黏彈性力學(xué)及經(jīng)典蠕變模型，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出LVL梁的最佳蠕變本構(gòu)方程，同時(shí)采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行模擬與分析，理論值與實(shí)測(cè)值得到了較好的吻合度。

迄今為止，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有對(duì)CLT長(zhǎng)期物理力學(xué)性能的相關(guān)研究。因此，開(kāi)展對(duì)CLT的DOL及蠕變性能的試驗(yàn)研究具有迫切的需求和重要意義。

4.2 國(guó)外研究進(jìn)展

4.2.1 CLT產(chǎn)品DOL研究

國(guó)外針對(duì)CLT產(chǎn)品的長(zhǎng)期性能研究也相對(duì)較少，相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)均還未對(duì)其荷載持續(xù)系數(shù)及使用條件系數(shù)作出明確規(guī)定。由于CLT的正交結(jié)構(gòu)，依據(jù)ASTM D 6815量化研究CLT荷載持續(xù)系數(shù)及蠕變系數(shù)是不合適的，目前國(guó)際上也缺少針對(duì)CLT的DOL系數(shù)計(jì)算方法。

2007年，J?bstl等通過(guò)對(duì)相同尺寸的5層CLT試件和膠合木試件，在不同氣候條件下施加長(zhǎng)期荷載(9%和25%的短期失效荷載)，考察CLT在不同環(huán)境條件下的長(zhǎng)期蠕變性能，結(jié)果表明CLT的蠕變值比膠合木高39%～47%，符合CLT正交特性的假設(shè)。通過(guò)總變形數(shù)據(jù)和推導(dǎo)得出了橫向?qū)訚L動(dòng)剪切模量對(duì)應(yīng)的蠕變調(diào)整系數(shù)，為計(jì)算不同層數(shù)CLT構(gòu)件和其他分層結(jié)構(gòu)木產(chǎn)品，如膠合板和OSB等材料的蠕變值提供了依據(jù)。

2014年，Nakajiml等[24]對(duì)日本雪松(Cryptomeriajaponica)制成的CLT進(jìn)行了荷載持續(xù)效應(yīng)測(cè)試和蠕變測(cè)試，取短期彎曲承載力的70%、75%和80%進(jìn)行荷載持續(xù)效應(yīng)測(cè)試，蠕變?cè)囼?yàn)應(yīng)力等級(jí)為33%，將試驗(yàn)結(jié)果與典型蠕變曲線和Madison曲線進(jìn)行比較，結(jié)果表明CLT的蠕變系數(shù)為2.0，荷載持續(xù)系數(shù)為0.66，二者幾乎與常用的實(shí)木蠕變系數(shù)和荷載持續(xù)系數(shù)相當(dāng)。

2016年，Li等[25]研究了低周疲勞試驗(yàn)條件下CLT的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度損傷累積及荷載持續(xù)效應(yīng)。建立了基于應(yīng)力的損傷累積模型并進(jìn)行了校正，該驗(yàn)證模型為定量CLT橫向?qū)覦OL效應(yīng)對(duì)滾動(dòng)剪切強(qiáng)度的影響提供了可靠的工具，可用于研究CLT在任意加載歷史下的DOL行為。

《CLT Handbook》參考加拿大木材工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)《CSA O86∶19 Engineering design in wood》[26]及歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范《EN 1995-1-1 Eurocode 5—Design of Timber Structures》[27]中其他木材及木基產(chǎn)品的荷載持續(xù)系數(shù)、使用條件系數(shù)及蠕變系數(shù)的使用規(guī)定，介紹了兩種CLT產(chǎn)品系數(shù)選擇方案，兩個(gè)方案根據(jù)J?bstl等的研究，均考慮了橫向?qū)訉?duì)整體蠕變系數(shù)的影響。兩個(gè)方案具體如下：

方案一與CSA O86∶19格式一致。荷載持續(xù)系數(shù)KD參照CSA O86∶19中表5.1的規(guī)定，取值見(jiàn)表1。使用條件系數(shù)KS采用CSA O86∶19中表7.3給出的膠合木使用條件系數(shù)，干燥使用條件統(tǒng)一取KS=1.0，潮濕環(huán)境則根據(jù)相應(yīng)的受力狀態(tài)選取，見(jiàn)表2。蠕變系數(shù)建議由短期荷載引起的彈性變形時(shí)，橫向?qū)拥臐L動(dòng)剪切模量減小25%來(lái)計(jì)算CLT單層板的剪切剛度，當(dāng)計(jì)算由長(zhǎng)期荷載引起的永久變形時(shí)，CLT橫向?qū)拥臐L動(dòng)剪切模量則降低50%[26]。

表1 荷載持續(xù)系數(shù)KD

表2 使用條件系數(shù)KS

方案二與EN 1995-1-1的格式一致。荷載持續(xù)時(shí)間和使用條件系數(shù)：1級(jí)和2級(jí)服役條件采用EN 1995-1-1中的kmod系數(shù)，而不是使用KD和KS系數(shù)，見(jiàn)表3。蠕變系數(shù)根據(jù)J?bstl等人的研究采取EN 1995-1-1中層板膠合木變形系數(shù)的1.1倍，調(diào)整后見(jiàn)表4。

表3 強(qiáng)度修正系數(shù)kmod

表4 調(diào)整后的CLT蠕變修正系數(shù)kdef

CLT手冊(cè)盡管提供了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的臨時(shí)替代方法，但對(duì)于長(zhǎng)期持荷的情況仍建議進(jìn)一步研究各種荷載配置、不同跨度等參數(shù)對(duì)CLT長(zhǎng)期性能的影響，以驗(yàn)證以上建議的合理性，不斷修繕相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.2 GLT產(chǎn)品DOL研究

相比CLT，GLT的DOL研究方面相對(duì)完善，主要包括不同受力加載方式、加載周期以及溫濕度變化環(huán)境下的長(zhǎng)期力學(xué)性能研究。相關(guān)規(guī)范中荷載持續(xù)系數(shù)的選用也有明確規(guī)定。

1998年，Morlier等聯(lián)合各國(guó)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行了三種不同環(huán)境條件下的GLT與LVL梁的DOL試驗(yàn)。受力形式包括直梁受彎、坡梁受彎、曲梁受彎以及橫紋受拉等。同年，Aicher等[28]采用不同強(qiáng)度等級(jí)的云杉制成GLT，在三種溫濕度環(huán)境變化下探究了時(shí)間、濕度變化及尺寸對(duì)DOL效應(yīng)的影響，結(jié)果表明曲梁受彎和橫紋受拉兩種試件的DOL效應(yīng)基本一致；并且在構(gòu)件截面尺寸較小時(shí)，濕度變化對(duì)膠合木橫紋應(yīng)力DOL效應(yīng)的影響更加明顯，建議合理考慮濕度應(yīng)力以及引入DOL濕度變化系數(shù)。

2010年，Pazlar[29]完成了歷時(shí)3年多的膠合木直梁長(zhǎng)期蠕變?cè)囼?yàn)。整個(gè)試驗(yàn)在室外遮擋環(huán)境下進(jìn)行，監(jiān)測(cè)了環(huán)境溫濕度變化、梁的撓度變化以及縱橫向應(yīng)變變化，并利用 Luikov 模型模擬了梁橫截面上溫度、濕度的分布及變化規(guī)律。

2011年，Aratake等[30]對(duì)低彈模的日本雪松(Cryptomeriajaponica)作為芯層制成的膠合木進(jìn)行了為期4年的彎曲蠕變?cè)囼?yàn)，探究該木材作為膠合木層板的可行性，采用蠕變測(cè)試得到的數(shù)據(jù)擬合出冪律模型，估計(jì)了試件50年的蠕變系數(shù)，結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日本建設(shè)部公告的標(biāo)準(zhǔn)限值。

2019年，Massaro等[31]進(jìn)行了荷載和濕度控制下的膠合木長(zhǎng)期橫紋承壓試驗(yàn)，研究了橫向蠕變以及機(jī)械滲透蠕變對(duì)木構(gòu)件長(zhǎng)期性能的影響，并給出了簡(jiǎn)化的一維模型，該模型綜合考慮了荷載及濕度變化的綜合影響。將試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，顯示出模型具有良好的預(yù)測(cè)效果。

4.2.3 其他工程木產(chǎn)品DOL研究

1999年，Norlin等[32]通過(guò)在不同平均應(yīng)力水平下對(duì)試樣進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，研究了花旗松LVL的滾動(dòng)剪切和縱向剪切疲勞性能。研究發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)剪切破壞比縱向剪切表現(xiàn)出更高的抗疲勞性，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與考慮應(yīng)力歷史的損傷累積模型進(jìn)行校準(zhǔn)，兩種失效模式的模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間都具有良好的一致性。

2005年，Amino等[33]采用逐級(jí)加載方式對(duì)楊木梁和竹材做兩表面層板的楊木夾心梁進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)，觀察不同荷載水平下的長(zhǎng)期力學(xué)性能，通過(guò)比較蠕變系數(shù)等參數(shù)來(lái)揭示竹材加固對(duì)木梁整體蠕變值的影響。

2012—2013年，Wang等[34]對(duì)刨花板的DOL及蠕變效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)，研究加載速率對(duì)短期強(qiáng)度的影響，同時(shí)進(jìn)行了為期一年的長(zhǎng)期恒載和短期循環(huán)疲勞試驗(yàn)，得到其應(yīng)變歷史，建立了蠕變斷裂模型，并利用不同速率的短期試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型預(yù)測(cè)。該蠕變斷裂模型綜合考慮了材料的短期強(qiáng)度、載荷歷史以及撓度歷史和失效時(shí)間，可用于木質(zhì)復(fù)合材料應(yīng)用時(shí)間的可靠性研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)及建筑節(jié)能等日趨重視和一系列鼓勵(lì)政策的出臺(tái)，以CLT、GLT為代表的重型木結(jié)構(gòu)形式將在中高層木結(jié)構(gòu)市場(chǎng)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。CLT的正交結(jié)構(gòu)使其更容易發(fā)生蠕變行為，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)CLT的DOL行為相關(guān)測(cè)試方法和設(shè)計(jì)系數(shù)等方面研究都亟待完善?；趪?guó)內(nèi)速生木材、竹材和結(jié)構(gòu)板材發(fā)展的混合結(jié)構(gòu)CLT是國(guó)內(nèi)CLT材料發(fā)展的一個(gè)重要方向，研究表明這類(lèi)混合結(jié)構(gòu)CLT具有較好的短期力學(xué)性能，如滾動(dòng)剪切性能和抗彎性能[35]，其DOL行為也有待展開(kāi)研究，以推進(jìn)CLT在我國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的完善。