正交膠合木平面剪切性能的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

沈肇雨，周宇昊，王 正，何宇航，陳 偲，王 石

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.國(guó)家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

我國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑歷史悠久且對(duì)我國(guó)建筑史具有深遠(yuǎn)影響。盡管木結(jié)構(gòu)建筑有諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于木材正交異性的特點(diǎn)，導(dǎo)致其層數(shù)和高度往往受限并逐漸被鋼筋混凝土等新材料所代替。尤其在人口眾多的我國(guó)，土地資源緊缺導(dǎo)致建筑高度越來越高，木材作為建筑材料已無法滿足人們的需求。迄今，我國(guó)建筑業(yè)的建筑類型仍以現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等為主[1-2]。

近年來，以正交膠合木(Cross-laminated Timber，簡(jiǎn)稱CLT)為代表新一代重型木結(jié)構(gòu)建筑材料正在部分取代鋼筋混凝土和磚混結(jié)構(gòu)建筑，廣泛用于建設(shè)低、中、高層民用住宅和公共建筑等公共建筑。CLT是由三層以上實(shí)心鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材(SCL)垂直正交膠合組坯而成的一種工程木產(chǎn)品[3]。CLT的一大特性是它的裝配式預(yù)制化，CLT在生產(chǎn)前就必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)，對(duì)所產(chǎn)出的板材進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，以保證生產(chǎn)出來的CLT板符合CLT木建筑工程應(yīng)用的實(shí)際需求。國(guó)外對(duì)CLT的研究及運(yùn)用開展較早，20世紀(jì)90年代，德國(guó)和奧地利率先開始對(duì)CLT進(jìn)行研究與推廣工作，歐洲住宅建筑應(yīng)用廣泛。1993年，世界上第一棟CLT住宅建筑在歐洲建成。2019年3月，位于挪威Brumunddal的Mjstrnet大樓完工，此建筑共18層，高度達(dá)到85.4 m，也是CLT建筑迄今為止最高的。近年來，北美和日本相繼開始研究和發(fā)展CLT。CLT具有尺寸穩(wěn)定性好、隔音、保溫性能好、力學(xué)性能好、使用性能佳和施工方便、低碳、固碳和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)上具有潛在競(jìng)爭(zhēng)力，也能夠合理替代混凝土、磚石和鋼鐵等材料[4]。目前，CLT通常是通過在工廠里預(yù)制生產(chǎn)的，并根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工廠內(nèi)完成精加工。這種制造方式不僅提高了施工效率，還對(duì)減少成本和減小污染起到很大作用。在中高層建筑中，其預(yù)制化和簡(jiǎn)單快捷的安裝方法能減少施工時(shí)間。強(qiáng)重比高，結(jié)構(gòu)完整性與耐久性也是它的一大優(yōu)點(diǎn)[5-12]。因此，大力推廣CLT也是提高林木產(chǎn)品附加值的良好途徑。

CLT作為一種新型實(shí)木復(fù)合工程材料按性能要求控制加工工藝和相關(guān)參數(shù)的正確設(shè)計(jì)格外重要。而且因?yàn)樗恼讳佋O(shè)工藝，其平面(滾動(dòng))剪切剛度和強(qiáng)度是判斷其能否作為建筑結(jié)構(gòu)用材的關(guān)鍵要素。剪切應(yīng)力引起鋸材的橫切面(RT面)上產(chǎn)生的剪切應(yīng)變叫做CLT 的平面剪切性能[13]，被用于評(píng)價(jià)CLT層間力學(xué)性能。CLT 用作樓板時(shí)需要承受豎向荷載，用作墻板時(shí)需要承受風(fēng)荷載，在這些力的作用下會(huì)發(fā)生剪切變形，影響CLT 板作為樓板或墻板的性能。在美國(guó)CLT手冊(cè)中，指出了CLT平面剪切剛度和強(qiáng)度對(duì)CLT樓面和屋面板設(shè)計(jì)和性能非常重要。因此，研究CLT平面剪切強(qiáng)度對(duì)CLT材料的應(yīng)用及優(yōu)化CLT產(chǎn)品設(shè)計(jì)十分重要。

1 國(guó)外CLT平面剪切性能的測(cè)試方法

CLT因?yàn)槠湔恍詫?dǎo)致相鄰兩層板間紋理方向互相垂直，這也是它平面外剛度和平面內(nèi)抗剪強(qiáng)度低的主要原因，多種材料進(jìn)行組合能有效解決這些不足。近年來，國(guó)外主要研究方向集中在通過找到合適的測(cè)試方法和理論來測(cè)量和預(yù)測(cè) CLT 的剪切性能并尋找合適的層板材料。目前國(guó)際上有多種測(cè)試方法用于CLT 的平面剪切強(qiáng)度測(cè)試工作。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)主要有ANSI/APA PRG 320[14]和ASTM D198[15]，其中ANSI/APA PRG 320中提到根據(jù) ASTM D198采用三點(diǎn)彎曲加載方式測(cè)試 CLT 梁的平面剪切強(qiáng)度，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)如圖1所示。

圖1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

此方法通過測(cè)量加載的峰值載荷Pmax，使用式(1)計(jì)算剪切強(qiáng)度τ。

(1)

式中：τ為剪切強(qiáng)度(MPa)；b為試件橫截面寬度(mm)；d為試件橫截面厚度(mm)；Pmax為極限荷載(N)。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)主要有EN16351[16]，EN408[17]等。在EN16351中提到了測(cè)量CLT平面剪切強(qiáng)度的四點(diǎn)彎曲加載方式試驗(yàn)，跨高比可分為9和12兩種。其中跨高比為9的測(cè)試方法如圖2所示。

圖2 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

此方法通過測(cè)量加載的峰值載荷Fmax，使用式(2)和式(3)計(jì)算剪切強(qiáng)度τ。

Pmax=Fmax

(2)

(3)

式中：τ為剪切強(qiáng)度(MPa)；b為試件橫截面寬度(mm)；d為試件橫截面厚度(mm)；Pmax為極限荷載(N)。

EN408中，提出了將試件以一定角度夾持的加載方式測(cè)試木材的順紋抗剪強(qiáng)度。該標(biāo)準(zhǔn)中在試件兩板面粘貼鋼板，根據(jù)特定的試件尺寸給出試件的傾斜角度為14°。測(cè)試方法如圖3所示。

圖3 將試件以一定角度夾持的剪切試驗(yàn)

該傾斜角14°是由特定的試件尺寸：l=(300±2)mm、b=(32±1)mm、h=(55±1)mm決定的。計(jì)算其剪切強(qiáng)度τ見式(4)。

(4)

式中：τ為剪切強(qiáng)度(MPa)；l為試件長(zhǎng)度(mm)；b為試件橫截面寬度(mm)；Pmax為極限荷載(N)。

此方法與Gong等[18]根據(jù)ASTM D2718[19]發(fā)展的一種改進(jìn)的平面剪切試驗(yàn)方法有相似之處。該方法的測(cè)試原理如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的平面剪切試驗(yàn)

計(jì)算其剪切強(qiáng)度τ見式(5)。

(5)

式中：τ為剪切強(qiáng)度(MPa)；L為試件長(zhǎng)度(mm)；w為試件寬度(mm)；α是傾斜角(°)；Pmax為極限荷載(N)。

ASTM D2718中，在試件兩板面上粘貼鋼板，使試件保持豎直，通過施加壓力的V形塊和粘貼的兩鋼板實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的剪切。測(cè)試方法如圖5所示。

圖5 將試件豎直夾持的剪切試驗(yàn)

計(jì)算其剪切強(qiáng)度τ見式(6)。

(6)

式中：τ為剪切強(qiáng)度(MPa)；l為試件長(zhǎng)度(mm)；b為試件寬度(mm)；Pmax為極限荷載(N)。

2 國(guó)外CLT平面剪切性能的研究現(xiàn)狀

伴隨著CLT在全球近30年的發(fā)展歷程，如今CLT在歐洲已廣泛用于中高層民用和非民用建筑，加拿大、美國(guó)和日本等國(guó)家也在CLT板乃至CLT建筑的研究與應(yīng)用中取得了階段性的豐碩成果[20-22]。同時(shí)，歐洲和加拿大地區(qū)已對(duì)CLT進(jìn)行了相對(duì)成熟的系統(tǒng)研究，特別是不僅對(duì)CLT力學(xué)性能和在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的研究做了大量工作，而且還在臨時(shí)道路、城市化交通建設(shè)中的應(yīng)用和CLT板的環(huán)境特性等方面取得較多的工程實(shí)例和研究成果。2005年，加拿大FPInnovation公司針對(duì)加拿大SPF為基材的CLT的加工工藝以及各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了相應(yīng)的系統(tǒng)研究，并于2012年出版了《CLT手冊(cè)》。該手冊(cè)包括了CLT板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算、生產(chǎn)加工及各項(xiàng)工藝參數(shù)、各項(xiàng)力學(xué)性能的預(yù)測(cè)計(jì)算和測(cè)試方法、環(huán)境特性以及CLT建筑的抗震性能、防火性能等方面技術(shù)內(nèi)容。2015年，英國(guó)BSI出版了關(guān)于CLT的標(biāo)準(zhǔn)EN 16351。該標(biāo)準(zhǔn)中給出了用四點(diǎn)彎曲加載方式以及壓剪方法測(cè)量CLT平面剪切強(qiáng)度的方法，為規(guī)范測(cè)試CLT剪切性能提供了有效依據(jù)。2000年，Aicher等[23]運(yùn)用有限元方法，對(duì)云杉制成的3層結(jié)構(gòu)的CLT試件滾動(dòng)剪切強(qiáng)度進(jìn)行分析。研究表明，其滾動(dòng)剪切強(qiáng)度根據(jù)年輪的不同分布而變化。2009年，Ayrilmis等[24]研究了不同測(cè)試方法對(duì)CLT滾動(dòng)剪切性能的影響，并得出結(jié)論，采用通偏軸壓縮加載得到的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度(3.8 MPa)比采用5點(diǎn)抗彎測(cè)試得到的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度(4.8 MPa)低26.3%。2011年，Yawalata[25]測(cè)試了三層CLT試件并驗(yàn)證了CLT制造工藝對(duì)滾動(dòng)剪切的影響。研究發(fā)現(xiàn)，由SPF制成的3層CLT試件在0.4 MPa壓力下的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度為2.22 MPa，在0.1 MPa下測(cè)得的值為1.85 MPa。這表明，較高的生產(chǎn)壓力能提高CLT的滾動(dòng)剪切性能。2014年，Qinyi Zhou等[26]為探究垂直層剪切性能對(duì)CLT設(shè)計(jì)和應(yīng)用造成的影響，采用黑云杉的縮尺模型制作了3層CLT試件，通過面內(nèi)剪切法和不同跨度彎曲法對(duì)其測(cè)試并研究了其滾動(dòng)剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明，黑云杉面內(nèi)剪切試驗(yàn)測(cè)得的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度比不同跨度彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果高出2倍多。顯然，探究科學(xué)準(zhǔn)確地測(cè)試CLT滾動(dòng)剪切性能的方法工作迫在眉睫。2015年，Schneider等[27]通過改變CLT尺寸來探究對(duì)滾動(dòng)剪切強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明當(dāng)側(cè)面未膠合時(shí)CLT滾動(dòng)剪切強(qiáng)度與其尺寸成正比，但側(cè)面膠合時(shí)的CLT滾動(dòng)剪切強(qiáng)度則與尺寸成反比；這驗(yàn)證了試樣的寬度會(huì)影響CLT的滾動(dòng)剪切剛度，但當(dāng)寬度超過一定值時(shí)，則影響不明顯。2015年，Meng Gong等[28]將不同闊葉材樹種分別作為CLT垂直層材料，替代垂直層常規(guī)材料SPF，制成特制3層結(jié)構(gòu)CLT試件對(duì)滾動(dòng)剪切性能進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，闊葉材(研究中采用楊木和樺木)的抗?jié)L動(dòng)剪切性能要優(yōu)于針葉材(研究中采用云杉)，所測(cè)試件的平均滾動(dòng)剪切強(qiáng)度是3.00 MPa。研究表明，使用闊葉材作為CLT的垂直層可有效地改善滾動(dòng)剪切性能；楊木與樺木相比前者滾動(dòng)剪切模量和強(qiáng)重比更具有優(yōu)勢(shì)。2016年，Maurizio follesa[29]通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試 CLT 板的力學(xué)性能并評(píng)估各個(gè)預(yù)測(cè)CLT變形和破壞極限相關(guān)理論的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)中 CLT 承受面外荷載作用，結(jié)果表明三種不同理論計(jì)算得到的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度特征值有很大差異。Sikora KS等[30]對(duì)西加云杉制成的CLT進(jìn)行了研究，確定了CLT板的厚度對(duì)彎曲剛度和強(qiáng)度以及剪切性能的影響，通過彎曲試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)測(cè)試了3層和5層 CLT 試件在面內(nèi)和面外的力學(xué)性能。研究結(jié)論表明，CLT 厚度增加，其彎曲強(qiáng)度和滾動(dòng)剪切強(qiáng)度均降低，同時(shí)試驗(yàn)也測(cè)得了西加云杉的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度平均值為1.0～1.2 MPa。同年，Li Y等[31]對(duì)CLT進(jìn)行斜坡加載和低周疲勞載荷試驗(yàn)，研究了損傷累積和DOL對(duì)CLT滾動(dòng)剪切強(qiáng)度的影響，根據(jù)斜坡加載測(cè)試結(jié)果得出，3層CLT比5層在破壞時(shí)的最大滾動(dòng)剪切強(qiáng)度更低。2019年，Jonas Turesson[32]研究了板寬對(duì)CLT面內(nèi)剪切的影響，采用有限元計(jì)算剪切剛度，并顯示為相對(duì)于邊緣膠合CLT板剪切剛度的折減系數(shù)，得出結(jié)論大多數(shù)寬厚比折減系數(shù)在0.6～0.9之間，且使用低寬厚比的板可以得到低的折減系數(shù)。

3 國(guó)內(nèi)CLT平面剪切性能的研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)對(duì) CLT 的研究還比較淺顯，起步也較晚，但近年來有了較快發(fā)展，對(duì)于CLT的研究和推廣熱度一直在上升。許多高校和研究單位，例如南京林業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)林業(yè)科學(xué)院木材工業(yè)研究所等諸多高校、研究單位相繼開展了對(duì)CLT性能的探索研究。2016年，闕澤利等[33]對(duì)不同厚度的杉木層板對(duì)CLT的彎曲力學(xué)性能的影響進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，以杉木為基材的五層單元結(jié)構(gòu)的CLT達(dá)到了日本CLT標(biāo)準(zhǔn)中同級(jí)CLT的力學(xué)性能要求。2016年，付紅梅[34]研究了不同材料制成CLT的滾動(dòng)剪切性能。結(jié)果表明，速生楊木、SPF和LVL三者相比，速生楊木滾動(dòng)剪切性能最好，這說明在CLT橫向?qū)涌梢钥紤]使用速生楊木。王志強(qiáng)等[35-36]還對(duì)楊木制成的CLT試件進(jìn)行壓縮和浸漬處理，結(jié)果表明這些處理對(duì)試件的滾動(dòng)剪切性能并無明顯提高。2016年，姜桂超[37]以杉木為研究對(duì)象研究厚度和奇偶層層板層厚比對(duì) CLT 力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明層板厚度對(duì)構(gòu)件的破壞形式有很大影響。2017年，高子震等[38]對(duì)鐵杉CLT滾動(dòng)剪切測(cè)試方法與相關(guān)理論，以及應(yīng)用平面應(yīng)力剪切法對(duì)CLT的滾動(dòng)剪切性能等進(jìn)行了系統(tǒng)分析與研究，并對(duì)CLT的滾動(dòng)剪切性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，對(duì)CLT工程應(yīng)用具有重要意義。2018年，謝文博[39]測(cè)試與分析了鐵杉CLT板抗彎強(qiáng)度、主強(qiáng)度方向的彈性模量，以及層間剪切強(qiáng)度、膠層剪切強(qiáng)度和浸漬剝離等性能。該研究表明，CLT垂直層滾動(dòng)剪切強(qiáng)度對(duì)于CLT抗彎強(qiáng)度和界面層剪切強(qiáng)度尤為關(guān)鍵。2019年，王正等[40]對(duì)三層、五層和七層CLT矩形截面梁的剪應(yīng)力進(jìn)行研究。主要結(jié)論表明，CLT層數(shù)、平行層與垂直層彈性模量比值EL/ET(或EL/ER)會(huì)影響CLT梁的層間剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)力。

4 結(jié)束語

國(guó)內(nèi)在CLT平面剪切性能研究中取得了較好的研究成果，但在其理論指導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證等深度和廣度的工作研究上仍亟待加強(qiáng)，如缺乏對(duì)CLT垂直層應(yīng)力狀態(tài)及其破壞機(jī)理的深入研究，等等。為此，在今后的CLT平面剪切性能研究中，可充分借鑒國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)研究成果，揚(yáng)長(zhǎng)避短，建議重點(diǎn)做好以下五點(diǎn)工作：

(1)目前針對(duì)CLT剪切性能的分析大多是針對(duì)剪切強(qiáng)度、彈性模量以及最終破壞形態(tài)方面，可以通過載荷位移曲線與試件的全程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)方式來進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，解析每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)下試件與曲線的對(duì)比情況，全面了解CLT在受剪時(shí)的試件與載荷位移曲線同步動(dòng)態(tài)過程，清晰地了解裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)張的全過程。

(2)開展CLT應(yīng)力分析與理論計(jì)算，主要包括平面應(yīng)力計(jì)算與分析。一方面，通過計(jì)算CLT平行層和垂直層的應(yīng)力分布，確定平行層、垂直層的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布，并確定垂直層的應(yīng)力狀態(tài)。另一方面，利用平面應(yīng)力狀態(tài)分析、垂直層破壞方位角，對(duì)CLT試件垂直層的破壞類型及其應(yīng)力應(yīng)變機(jī)理進(jìn)行綜合分析。

(3)對(duì)三點(diǎn)彎曲法中的剪切強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行修正，同時(shí)對(duì)平面剪切試驗(yàn)法中的三疊層等厚和不等厚的CLT剪切試件的傾斜角公式進(jìn)行推導(dǎo)，計(jì)算特定長(zhǎng)厚比CLT剪切試件的傾斜角。

(4)開展三層、五層、七層等厚和不等厚的CLT平面剪切強(qiáng)度測(cè)試方法研究及其破壞機(jī)理分析，提高該CLT研究工作的系統(tǒng)性和完整性。

(5)借鑒國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步完善我國(guó)有關(guān)CLT的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

總之，在我國(guó)大力倡導(dǎo)發(fā)展綠色建材的大背景下，CLT作為目前世界上最新型的綠色建材值得推廣。進(jìn)一步加強(qiáng)CLT平面剪切性能技術(shù)的研究，對(duì)促進(jìn)CLT的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造，以及國(guó)內(nèi)CLT板的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有良好的作用。