正交膠合木力學性能的研究綜述

李明月 任海青 龔迎春 武國芳

( 1. 中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091；2. 北京林業(yè)大學材料科學與技術學院，北京 100083)

正交膠合木（CLT）是一種新型的工程木產(chǎn)品，不僅節(jié)能環(huán)保，更具有高強度、耐火性強、抗震性強等特點，主要應用于中高層、大跨度木結構建筑以及混合結構建筑中。在低碳節(jié)能的大背景下，近年來國務院及國家相關部委陸續(xù)頒布了《促進綠色建材生產(chǎn)和應用行動方案》[1]《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》[2]等重要法規(guī)文件和政策措施，鼓勵綠色建筑和建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，這將給生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保的木結構建筑提供更廣闊的發(fā)展空間。結合我國國情及未來發(fā)展趨勢，發(fā)展多高層木結構和混合木結構是必經(jīng)之路。正交膠合木由于自身突出優(yōu)點成為中高層綠色建筑的首選材料[3]，其性能研究也成為國內(nèi)外研究熱點。目前國內(nèi)外學者就CLT力學性能的影響因素、CLT力學模型預測分析、CLT破壞模式以及抗火抗震條件下CLT力學性能等進行了大量研究，本研究針對CLT的力學性能相關研究進行概述，并在現(xiàn)有的研究成果上對未來CLT力學性能的研究方向進行展望，以期為我國CLT相關研究提供參考。

1 CLT生產(chǎn)工藝及力學性能影響因素

1.1 CLT生產(chǎn)工藝

普通CLT生產(chǎn)工藝包括流程如圖1所示，針對CLT的生產(chǎn)工藝具體流程，國內(nèi)外學者展開了大量研究工作，在層板選擇方面由針葉材逐漸擴展到闊葉材，由原木鋸材擴展到其他合成材料及改性材料領域。組坯方式也由單一的正交組坯發(fā)展到其他角度組坯方式，而膠黏劑的種類和施膠工藝同樣受到關注。

圖 1 CLT的生產(chǎn)工藝流程Fig. 1 Production process of CLT

1.2 CLT力學性能影響因素

在CLT力學性能檢測中主要是抗壓強度、抗彎強度和剪切強度。正交組坯使得CLT在平面內(nèi)和平面外都具有較高的抗壓強度，在工程中廣泛應用于墻板、樓板、屋面板等[4]。不同于膠合木主要作為柱使用，CLT的抗壓性能的研究相關文獻可查閱的較少。對于CLT抗壓性能的影響因素主要是層板的彈性模量和組坯方式。

在CLT力學性能中滾動剪切性能在CLT產(chǎn)品設計中十分重要，尤其是作為樓面板及屋面板使用時，由于CLT垂直層存在，CLT面板受到垂直于其平面的較大荷載時，滾動剪切應力發(fā)生，橫向?qū)悠茐?，最終整個結構體系失效。CLT的滾動剪切剛度和強度是控制CLT樓面和屋面板設計及性能的關鍵因素，目前CLT滾動剪切性能的影響因素已成為國內(nèi)外研究的熱點問題。對于CLT滾動剪切性能影響因素主要概括為3個方面：一是木材自身的物理和構造特性，如密度、早晚材、年輪方向等；二是制備工藝和節(jié)點連接，如組坯方式、膠合工藝、連接方式等；三是組坯單元的材質(zhì)影響，如針葉材、闊葉材、木質(zhì)復合材料等。

1.2.1物理和構造特性對于CLT力學性能的影響

王巍[5]認為木材可以被認為是一種正交各向異性的材料，并有3個主要的材料方向，即縱向、徑向和弦向，CLT中滾動剪切行為指剪切應力引起鋸材在其橫切面（RT面）上產(chǎn)生的剪切應變。由于木材的橫切面剪切模量（GRT）很低，同一年輪中早、晚材具有不同的抵抗剪切變形能力，在剪力作用下，容易在早晚材過渡區(qū)域產(chǎn)生裂縫，發(fā)生滾動剪切破壞。Aicher等[6]運用有限元方法對云杉（Picea asperata）加工而成的3層結構CLT試件的滾動剪切模量進行了定量分析，研究表明CLT滾動剪切模量根據(jù)年輪的不同分布在50～200 MPa之間。Wang等[7]對剪切破壞的橫向?qū)愉彶倪M行觀察，發(fā)現(xiàn)破壞位置主要在早晚材過渡區(qū)域和木射線位置。

Cao等[8]研究了節(jié)子對于CLT力學性能的影響。由垂直層壓組成的有活節(jié)的木板強度更高，清材和具有死結的CLT的力學性能無顯著差異，而具有節(jié)子的位置垂直層疊組成的CLT比清材組成CLT具有明顯的較高剛度。CLT在破壞時裂紋首先在木材紋理處發(fā)生，在活節(jié)內(nèi)部延伸，但只是在死結的邊界處擴展，并不進入死結內(nèi)部。Wei等[9]利用數(shù)字散斑方法對CLT滾動剪切應變進行觀測，在高剪切應變附近，試件開裂的比例較高，而剪切應變通常發(fā)生在早材和早材部位的結合面的位置上。Zhou等[10]對于CLT滾動剪切的研究發(fā)現(xiàn)年輪的排列方向?qū)τ跐L動剪切性能也有影響，中間層年輪方向交叉排列的剪切模量高于平鋸或1/4鋸的排列。Ehrhart等[11]對鋸材的滾動剪切模量進行測試結果表明，越靠近髓心位置板材的抗剪性能越好。Li[12]認為層板厚度和寬度對于抗剪強度影響顯著，因此建議最小寬厚比為4從而保證CLT強度。

1.2.2制備工藝對CLT力學性能的影響

Gong等[13]對日本落葉松（Larix kaempferi）CLT膠合工藝進行評價，針對日本落葉松較好的工藝參數(shù)為200 g/m2、1.0 MPa。Gong等[14]對國內(nèi)速生楊木CLT膠合工藝進行研究，針對涂膠量、壓力和膠黏劑3個因素采取正交試驗的方法進行試驗，結果表明針對楊木較好的生產(chǎn)工藝參數(shù)為180 g/m2、1.0 MPa，使用單組份聚氨酯作為膠黏劑。Li等[15]就CLT制造工藝對其滾動剪切強度的影響進行了驗證，他們發(fā)現(xiàn)0.4 MPa壓力下由SPF制成的CLT試件的滾動剪切強度為2.22 MPa，比0.1 MPa壓力下制成的同類試件對應的1.85 MPa的滾動剪切強度高。同時對不同層數(shù)的CLT進行剪切試驗，結果表明與5層的CLT相比3層CLT在破壞時的最大滾動剪切應力（強度）較低。Hindman等[16]對南方松制備的CLT力學性能評價，發(fā)現(xiàn)由南方松制備的CLT力學性均高于以發(fā)布的值，但膠層浸漬剝離率不滿足已有標準。Buck等[17]對45°組坯和90°組坯的CLT力學性能進行評價，結果表明45°組坯的CLT力學性能明顯優(yōu)于90°組坯，但45°組坯的CLT在外力作用下仍無法完全克服橫向?qū)釉跐L動剪切應力作用下造成的破壞。龔迎春等[18]利用日本落葉松制備CLT其抗壓性能，結果表明斜45°組坯的CLT相比較正交組坯的CLT，抗壓彈性模量和抗壓強度分別增加了15.82%和15.45%，這是由于斜45°組坯，中間層受力介于橫紋受力和順紋受力之間，相比較正交組坯的橫紋層，該層可以抵抗剪應力，因此抗壓彈性模量和抗壓強度增加。以上研究表明說CLT的膠合工藝中針對不同組坯單元需要修正膠合工藝參數(shù)，制備工藝的優(yōu)化對于CLT的力學性能有顯著提高。

1.2.3單元材質(zhì)對CLT力學性能的影響

不同樹種的力學性能不同、膠合性能不同，對CLT滾動剪切的性能影響顯著，同等壓力下不同樹種鋸材制成的CLT試件的滾動剪切模量不同。傳統(tǒng)CLT制備主要使用的是針葉材，如SPF等，隨著研究的深入，闊葉材逐漸被用于CLT的制備，并且體現(xiàn)出良好的性能。Aicher等[19]對山毛櫸（Fagus sylvatica）的剪切性能進行研究，表明年輪方向是影響木材抗剪性能的重要性能之一，而山毛櫸的抗剪強度和剪切模量是針葉材的5～7倍。同年Aicher等[20]將櫸木應用于CLT橫向?qū)硬⑦M行力學評價，結果表明歐洲山毛櫸與歐洲云杉（Picea abies）制備的CLT力學性能顯著提高。王志強等[21]對混合樹種CLT的力學性能進行了研究，選用花旗松（Pseudotsuga menziesii）、輻 射 松（Pinus radiata）和 楊 樹（Populus），將楊木置于芯層，花旗松或輻射松置于表層，壓制單一樹種和混合樹種CLT，對試件進行順紋抗彎、順紋抗剪和橫紋抗剪性能測試。試驗結果表明，相比抗彎彈性模量最低的純楊木CLT，花旗松與楊木混合CLT的性能提升35%。以上研究表明闊葉材在CLT產(chǎn)品的使用和設計中具有很好的發(fā)展前景，復合結構CLT成為研究熱點。

2 CLT力學性能模型預測及分析

2.1 有限元模擬CLT力學性能研究

近幾十年來，隨著計算機技術的發(fā)展，有限元在各種結構設計和分析領域已經(jīng)被廣泛應用，發(fā)揮著極為重要的作用，成為最廣泛的一種分析手段。龔迎春等[18]采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬CLT力學性能，3層CLT抗彎破壞載荷、層間剪切破壞載荷、順紋抗壓破壞載荷的預測值與實測值相對誤差分別為+7.04%、+3.96%、?2.54%。有限元模擬值和實測值存在相對誤差，這是由于數(shù)值模擬的支座約束條件與實驗測試的支座情況難以完全相同，但差異不大，說明有限元建模模擬CLT的力學性能是可行的。朱新榮等[22]利用CFD軟件對某不規(guī)則表面的多層建筑進行了數(shù)值模擬研究，得到了建筑表面風壓系數(shù)的分布規(guī)律。結果表明，當建筑物表面形狀非常規(guī)則時，其風壓系數(shù)呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，當建筑物表面形狀不規(guī)則時，風壓系數(shù)受表面形狀的影響較大，其變化規(guī)律主要與表面位置是否受氣流影響有關。劉澤亞[23]利用ANSYS有限元分析方模擬分析了落葉松膠合木板的三點彎曲以及四點彎曲試驗。結果表明，利用ANSYS有限元軟件建立的落葉松膠合木板彈性變形階段，精度較高，誤差較小，利用ANSYS有限元軟件對落葉松膠合木板性能的預測并建立相關模型是一種較為適用的方法。

2.2 CLT計算理論模型計算研究

目前，國內(nèi)對于CLT的力學性能計算處于初步探索階段，主要是通過足尺靜態(tài)力學試驗來評估CLT的力學性能，包括抗彎性能、剪切性能等。但由于CLT是一種新型的工程木產(chǎn)品，力學性能影響因素眾多，對其力學性能進行評價，過程漫長且資源消耗量大。通過層板力學性能，采用理論計算模型可以等效的估算CLT的力學性能，減少繁重的測試任務。Sylvain等[24]總結了在歐洲對CLT的力學性能的理論一般采用機械連接理論（Gamma法）、復合層板理論（K方法）、剪力類比法、簡單設計法等。龔迎春等[18]采用機械連接理論、復合層板理論、剪力類比法、簡單設計法計算理論方法來預測3、5、7層CLT的等效抗彎剛度和強度，通過靜態(tài)試驗對3、5層CLT預測值進行驗證，尋求較優(yōu)的計算理論模型，結果表明相比較機械連接理論和復合層板理論，剪力類比法計算的等效抗彎剛度值更加接近實測值。剪力類比法可以用于計算CLT抗彎強度。Niederwestberg等[25]對3層和5層CLT板的剪切剛度進行了評價，并利用Timoshenko梁理論和剪切模擬方法將計算結果與單層性能評價的剪切剛度值進行了比較，指出兩種計算方法的不同之處，并且認為CLT力學強度的計算方法取決于CLT中的層數(shù)和CLT面板的屬性軸。

3 CLT破壞模式

在高應力作用下CLT的破壞與其他種類工程木破壞方式不同，CLT內(nèi)部有1層或數(shù)層與外側(cè)層板垂直組坯的層板，稱為橫向?qū)?，而木材橫紋受拉承載能力較低，通常會存在橫紋劈裂脆性破壞，最終導致結構體系的破壞。CLT破壞模式主要為：底層受拉破壞和橫向?qū)蛹羟衅茐?，CLT在受到作用力時，層間產(chǎn)生滾動剪切作用力發(fā)生層間斷裂，由于這種斷裂在CLT的長期使用位置如樓板、墻體中無法肉眼觀測到，對結構體系的安全性能影響巨大。

謝文博等[26]對鐵杉（Tsuga chinensis）CLT力學性能檢測分析發(fā)現(xiàn)CLT試件在抗彎受力過程中，首先產(chǎn)生橫向?qū)訚L動剪切破壞。隨著載荷的增加，CLT橫向?qū)訚L動剪切破壞不斷加劇，延伸至界面層，導致界面層發(fā)生剪切破壞，CLT層間剪切破壞同樣發(fā)生在上壓頭與下支撐之間位置。在發(fā)生界面層剪切破壞時，施加在CLT試件上的載荷已非常接近最大破壞載荷。當達到試件最大破壞載荷時，試件即發(fā)生平行層受拉斷裂破壞，造成試件失效。龔迎春[27]對國產(chǎn)日本落葉松CLT進行短跨距的三點彎測試，結果表明，主要的破壞形式是橫向?qū)愉彶牡募羟衅茐摹Ａ硗?，隨著載荷增加，破壞形式還包含底層鋸材的拉伸斷裂及表層和橫向?qū)拥哪z層破壞。Lam等[28]將CLT試件在破壞荷載作用下實驗結果結合有限元模擬，確定實驗中觀察到CLT的破壞形式為剪切破壞，且這種破壞模式在CLT破壞中比例非常高，確定了試樣滾動剪切性能的主導地位。Ehrhart[29]對4個闊葉樹種CLT的滾動剪切性能進行研究，結果表明密度和剪切模量的變化，比密度和剪切強度的變化更為均勻。實驗中所有試件的不同區(qū)域都出現(xiàn)了漸進式開裂，直至完全開裂和最終失效，他們認為這是測試試樣在內(nèi)部將荷載從已經(jīng)失效的區(qū)域重新分配到仍在承受荷載的區(qū)域的能力。Hochreiner等[30]對CLT板在集中載荷作用下的失效模式進行總結，認為CLT板的失效主要分為7種破壞模式（圖2）。1）TL型破壞：L向拉伸破壞，即斷裂面垂直于鋸材長度方向，在光滑的木材中，斷裂纖維的最大長度為10 mm；2）CL型破壞：在L方向的壓縮破壞，由于木材細胞的局部不穩(wěn)定性，導致典型的扭曲破壞模式，這是纖維材料中常見的破壞模式；3）I型破壞：垂直于鋸材的壓痕破壞；4）R型破壞：徑向拉伸破壞，主要發(fā)生在早期木材細胞中，強度值分布較大，這種破壞形式可能是由平行于鋸材的剪應力或垂直于鋸材的滾動剪應力引起的；相應的斷裂面通常位于板的內(nèi)部，盡可能長地跟隨年輪；5）T1型破壞：弦向拉伸破壞，發(fā)生在木材的早期和晚期。這種類型的破壞是由于外層的橫向拉伸彎曲應力、收縮應力，或者由于滾動剪應力引發(fā)；6）T2型破壞：弦向平面拉伸破壞，發(fā)生在與相鄰板的過渡區(qū)，以平面裂紋路徑為特征，但裂紋表面為交錯結構。造成這種特殊破壞模式的原因可能是由于垂直于晶粒的彎曲應力或垂直于相鄰層的拉應力共同疊加產(chǎn)生了整體的滾動剪切應力；7）S型破壞：平行年輪方向的剪切破壞）。通常，失效模式TL和T2一起導致最終結構失效，而模式R和T1則保持局部并且?guī)缀醪挥绊慍LT板的剛度和強度。在破壞初始階段CLT的板材強度主要受到年輪及板的寬度的影響。

圖 2 CLT板內(nèi)部裂紋模式分類Fig. 2 Classification of crack modes within CLT plates（Hochreiner）

CLT在外力作用下發(fā)生膠層破壞、橫向?qū)悠茐牡榷喾N破壞模式，但是橫向?qū)悠茐挠葹橹匾?，針對CLT橫向?qū)右灼茐倪@一特性，Niederwestber等[31]結合結構復合材（SCL）和鋸材，研制了一種新型的多層復合層壓板（CLP），通過靜力試驗和模態(tài)試驗，對由層合板和不同層合板組成的5層CLP的力學性能進行了評價。結果表明，與常規(guī)CLT相比，CLP的抗剪強度、抗彎剛度和彎矩阻力分別提高了143%、43%和87%。剪切試驗和彎曲試驗的破壞模式表明，在橫向?qū)又惺褂肔SL可以消除CLT中潛在的滾動剪切破壞。

4 抗火、抗震條件下CLT力學性能研究

為了木結構的安全，在特定條件（火災、地震等）下CLT的力學行為特征亦不容忽視，已成為關注的熱點。

Wiesner等[32]對CLT在高溫作用下的力學性能進行研究。從室溫到200 ℃，對CLT的抗彎和抗剪性能進行研究，結果表明由于木材的化學成分，在溫度升高時木材熱降解對CLT抗彎性能影響大于層間抗剪性能的影響。Bateman等[33]對于CLT制作成的樣品進行燃燒實驗，在第1階段持續(xù)燃燒是由于陰燃引起的分層導致，分層與木材內(nèi)部溫度分布關系密切。提出了在實驗中不同的配置之間由于傳熱到達和進入面板的差異而引起燃燒差異，這很可能是受到煙氣層的影響，最終提出設計標準應該考慮暴露在外的木材表面和煙層的能量平衡。呂雯蓉等[34]對CLT防火性能的研究現(xiàn)狀進行了總結，提出在火災條件下CLT的物理力學性能變化研究需重點關注，今后可以將新材料運用于CLT結構中，并建立準確的CLT計算機力學模型，能夠準確的預測出在不同條件下不同CLT的防火性能及物理性能變化情況。

Azumi等[35]提出一種新的彈簧系統(tǒng)對CLT進行連接，實驗表明這種系統(tǒng)作用下的5層CLT建筑具有足夠的抗震性。中高層CLT建筑的結構抗震性可以通過改善連接來擴大，甚至在日本這樣的高震區(qū)也是如此。Ricco等[36]提出了一種在多層結構中作為軟層隔震的通用CLT的策略和初始數(shù)據(jù)，以達到抗震性能。Van de Lindt等[37]對不同的墻壁和面板配置在地震作用下的行為進行研究，一種由墻體結構為3.65 m長，由4塊0.91 m長的面板組成，長寬比為4∶1，另一種3.28 m長的墻體，由2塊2.64 m長的面板組成，長寬比為2∶1，研究高、低展弦比板在全尺度振動臺試驗中的性能和行為；還有一種在墻體結構為3.65 m長，由4塊0.91 m長的面板組成的墻體的剪力墻兩端加橫向墻，以確定是否對剪力墻的性能和橫向墻的角鋼支架連接產(chǎn)生不利影響。在地震模擬情況下，這種該結構表現(xiàn)良好，并符合規(guī)范要求的生命安全。高寬比為4∶1的墻體結構表現(xiàn)為搖擺行為，高寬比為2∶1的墻體主要表現(xiàn)為滑動和更多的釘拔和變形。測試結果表明，2∶1和4∶1的面板寬高比都能保證人身安全，同時也突出了這2種寬高比的不同特點。何敏娟等[38]基于承載力的設計方法設計的一幢3層和一幢6層CLT剪力墻結構，根據(jù)層間位移角的增量動力分析曲線并結合可靠度要求，分析了其在多遇地震、設防地震、罕遇地震作用下結構的層間位移角。建議多層CLT剪力墻結構在遭遇不同程度地震影響時層間位移角限值取值，即多遇地震層間位移角限值為1/350，設防地震層間位移角限值為1/150，罕遇地震層間位移角限值為1/75。

CLT節(jié)點抗火、抗震條件下的力學性能方面研究較少，國內(nèi)相關研究更是屈指可數(shù)，相關研究尚未涉及特殊條件下CLT的主要破壞方式、力學性質(zhì)等內(nèi)容，考慮到建筑的安全性，在CLT耐火、抗震性能方法和優(yōu)化設計等方面，有待深入研究。

5 展望

針對CLT力學性能研究中存在的問題和不足，提出如下建議：

1）進一步探究CLT斷裂機制。CLT的橫向?qū)拥钠茐氖怯绊慍LT安全性能的重要因素，CLT橫向?qū)佑赡z層、橫向?qū)愉彶慕M成，這兩部分因材料性質(zhì)導致破壞機理不同，不能一概而論，現(xiàn)有的研究對于橫向?qū)訂栴}的研究主要針對橫向?qū)愉彶牡奈⒂^結構（且研究尚未深入），而膠層的破壞及膠層斷裂韌性的計算研究較少。建議對橫向?qū)悠茐臋C制進行深入研究，對于CLT在中高層木結構建筑和混合建筑中的合理利用提供更為科學的理論依據(jù)。

2）采用適當?shù)难芯糠椒▽τ跈M向?qū)悠茐臋C制研究，李征[39]利用斷裂力學的相關內(nèi)容對于層板膠合木的層間斷裂進行研究，采用二次曲線可以較好的表征層板膠合木復合型層間斷裂的斷裂準則。CLT在膠層處破壞可以用斷裂力學中復合界面斷裂韌性進行研究。傳統(tǒng)的木結構設計基于材料的強度準則，可利用斷裂力學的相關研究對CLT膠層斷裂進行研究。CLT在生產(chǎn)加工時，上下層板的膠粘拼合是正交方向，且相鄰拼板間年輪的方向不同，這種拼接方式提高了CLT強度和穩(wěn)定性的同時減小了由于徑向和切向脹縮率不同對層板性能的不利影響。因此，由于木材各向異性的特性，有必要對木材的微觀構造進行分析，研究其對CLT斷裂的影響方式。尤其是闊葉材有太多不同的復雜的組織，且每個組織的構造不同，對于其力學性質(zhì)的影響不同。建議結合微觀力學性能與斷裂力學研究CLT橫向?qū)拥钠茐臋C制。

3）盡快開展國內(nèi)CLT木結構在抗震、抗火條件下的力學性能研究，探究國產(chǎn)材CLT在地震、火災等條件下的力學性能及破壞形式，填補國內(nèi)相關內(nèi)容的空缺。