正交膠合木銷槽承壓性能研究進(jìn)展?

桂 濤 龔迎春 郭晨悅 王志強(qiáng) 鄭 維 趙天長

（1. 南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091；3. 江蘇森之虎建筑工程有限公司，江蘇 南京 210008）

近年來，正交膠合木（Cross-laminated timber, CLT）由于良好的尺寸穩(wěn)定性、防火性能、抗震性能以及較高的剛度、強(qiáng)度等力學(xué)特性，在中高層木結(jié)構(gòu)中作為墻體和樓面板等承重構(gòu)件得到廣泛應(yīng)用[1-2]。墻板與樓板間連接的節(jié)點處是木結(jié)構(gòu)中相對薄弱位置，易發(fā)生破壞。相關(guān)研究表明，近80%的木結(jié)構(gòu)破壞屬于節(jié)點連接處失效[3]。銷連接是木結(jié)構(gòu)常用的連接方式之一，銷類連接承載性能主要由銷抗拔強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和木材銷槽承壓性能構(gòu)成。木結(jié)構(gòu)銷槽承壓性能是評估銷軸類連接力學(xué)性能的重要指標(biāo)，確定木材銷槽承壓強(qiáng)度是確定銷連接承載性能的基礎(chǔ)[4-5]。CLT由于其正交結(jié)構(gòu)等構(gòu)造特性，使其銷槽承壓性能與實木或其他工程木有較大區(qū)別，因此確定CLT銷槽承壓性能對CLT構(gòu)件連接設(shè)計有重要意義。本文對比2 種銷槽承壓測試方法，歸納總結(jié)CLT銷槽承壓性能影響因素和強(qiáng)度計算公式，以期為今后CLT銷槽承壓性能的相關(guān)研究提供參考。

1 銷槽承壓強(qiáng)度測試方法

木材銷槽承壓性能測試方法包括全孔和半孔方法，如圖1、2所示。一些研究者對比分析了2種方法的不同和優(yōu)缺點[6-7]，結(jié)果表明：半孔測試法相對簡單，易于操作，可避免銷發(fā)生彎曲，試驗誤差較小，但與實際情況不完全相符；而全孔法要求較高，影響因素較多，但更接近木材銷槽承壓時的實際情況。另外，不同測試標(biāo)準(zhǔn)對2種測試方法要求也不盡相同。如ASTM D5764-97a(2018)Standard Test Method for Evaluating Dowel-Bearing Strength of Wood and Wood-Based Products，BS EN 383:2007Timber Structures-Test methods-Determination of embedment strength and foundation values for dowel type fasteners和ISO 10984-2:2009 Timber structures - Dowel-type fasteners - Part 2: Determination of embeding strength ，這3種標(biāo)準(zhǔn)均包括全孔測試方法，而半孔測試方法只在ASTM D5764-97a(2018)和ISO 10984-2:2009標(biāo)準(zhǔn)中推薦；ASTM D5764-97a(2018)主要采用半孔法，僅在試件容易發(fā)生劈裂時要求采用全孔法；ISO 10984-2:2009主要采用全孔法，僅在銷容易發(fā)生彎曲時要求采用半孔法。另外，3種標(biāo)準(zhǔn)在試件尺寸、荷載取值和剛度計算等方面存在區(qū)別，如表1所示?？傮w而言，當(dāng)試件厚度較大，銷直徑較小時，為防止銷屈服，應(yīng)采用半孔測試法；當(dāng)試件厚度較小，銷直徑較大時，試件易發(fā)生劈裂，而銷不易彎曲，此時應(yīng)采用全孔測試法。

表1 3 種標(biāo)準(zhǔn)比較Tab.1 Comparisons between three standards

圖1 全孔測試法Fig. 1 Full-hole test

圖2 半孔測試法Fig. 2 Half-hole test

ASTM D5764-97a(2018)的加載程序（圖3）要求以恒定速率，通常取1 mm/min，在1～10 min內(nèi)達(dá)到荷載最大值。BS EN 383:2007和ISO 10984-2:2009的加載程序（圖4）則相對比較復(fù)雜，包括彈性階段預(yù)加載，即以恒定速率在試驗120 s時加載至0.4倍極限荷載（通過預(yù)實驗獲得），保載30 s，再以相同的速率降至0.1倍極限荷載并保載30 s，最終在（300±120）s內(nèi)單調(diào)加載至荷載最大值。

圖3 ASTM D5764-97a加載程序Fig.3 Loading procedure in ASTM D5764-97a

圖4 BS EN383 和ISO 10984-2 加載程序Fig.4 Loading procedure in BS EN383 and ISO 10984-2

ASTM D5764-97a(2018)在計算銷槽承壓強(qiáng)度時采用的荷載為5%銷徑平移法獲得的屈服點對應(yīng)的屈服荷載，而BS EN 383:2007 則采用最大荷載。盡管ASTM D5764-97a(2018)和BS EN 383:2007 采用的荷載不同，但兩者計算獲得的銷槽承壓強(qiáng)度基本一致。Santos等[8]對海岸松（Pinus pinaster）分別進(jìn)行全孔和半孔試驗，發(fā)現(xiàn)半孔和全孔試驗下松木的順紋銷槽承壓強(qiáng)度、剛度和橫紋剛度幾乎相同。ASTM D5764-97a(2018)測得的橫紋銷槽承壓強(qiáng)度比BS EN 383:2007高36%，Santos等[8]認(rèn)為這是由于試件密度導(dǎo)致，與試驗方法無關(guān)。Cui等[7]對屈服荷載和最大荷載計算的膠合竹銷槽承壓強(qiáng)度進(jìn)行對比，試驗表明兩者的比值約等于1，相差較小。

2 CLT銷槽承壓性能影響因素

CLT銷槽承壓性能受多方面因素影響，主要包括層板材料、組坯結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征、加載方式和銷直徑等因素（圖5）。CLT和膠合木（Glued laminated timber,GLT）均由實木構(gòu)成，但CLT的正交結(jié)構(gòu)、層板間縫隙等構(gòu)造特征對銷槽承壓性能影響更顯著。如現(xiàn)行的歐洲CLT標(biāo)準(zhǔn)BS EN 16351:2015Timber structures-Cross laminated timber-Requirements中，允許層板間存在縫隙（最大的層板間縫隙要求小于6 mm）。同時，為降低CLT材料變形，通常在層板厚度方向鋸切深度小于4 mm應(yīng)力釋放縫。此外，研究表明，緊固件從表面打入CLT并側(cè)向加載表現(xiàn)出很好的延性。圖6是典型的CLT和膠合木（GLT）中螺栓銷槽承壓的荷載位移曲線，CLT表現(xiàn)出更好的延性[9]，這是由于CLT正交構(gòu)造使得橫向?qū)悠鸬皆鰪?qiáng)作用，避免過早承壓破壞。近年來，隨著自攻螺釘（Self-typing screws, STS）在木結(jié)構(gòu)中的廣泛運用，采用STS連接節(jié)點的銷槽承壓性能也顯得越來越重要。相較于螺栓連接，STS有螺紋增強(qiáng)，增加了接觸面摩擦，會影響銷槽承壓性能[10]，這也增加了自攻螺釘銷槽承壓的復(fù)雜性。因此，今后的研究工作應(yīng)更多地關(guān)注采用自攻螺釘?shù)匿N槽承壓性能。下面分別討論各因素對CLT銷槽承壓性能的影響。

圖5 CLT銷槽承壓性能影響因素Fig.5 Factors of CLT embedment properties

圖6 直徑30 mm光滑螺栓下CLT和GLT的銷槽承壓荷載-位移行為Fig.6 Load-displacement behaviour of CLT and GLT with smooth dowels (d=30 mm)

2.1 層板材料

目前，市場上多采用針葉材作為CLT層板材料，如杉木-松木-冷杉組合樹種、落葉松、花旗松等。張俊珍等[11]采用單因素方差分析探討層板等級對日本落葉松膠合木銷槽承壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：高等級層板具有較高的密度，其銷槽承壓性能較好。隨著CLT材料發(fā)展，一些闊葉材和當(dāng)?shù)貥浞N木材[12]，如桉木、樺木、楊木，或竹材也被用作CLT層板材料。Ehlbeck等[13]采用全孔測試法對歐洲常見的闊葉材和針葉材樹種進(jìn)行測試，結(jié)果表明，闊葉材的銷槽承壓強(qiáng)度約是相同密度針葉材的1.1倍，并建立了相應(yīng)的理論計算公式，這為Eurocode 5 中的銷槽承壓強(qiáng)度計算公式奠定基礎(chǔ)。Sandhaas等[14]對多種木材進(jìn)行順紋銷槽承壓測試，發(fā)現(xiàn)不同樹種間的延性和銷槽承壓性能也不一同，櫸木（Fagus sylvatica）的銷槽承壓性能延性最高，在24 mm的螺栓下超過30。巴西龍鳳檀（Cumaru，Dipteryx odorata）在12 mm螺栓下的延性最小，僅為3.1。另一方面，為改善CLT力學(xué)性能（如抗彎性能），采用工程木，如LVL、重組竹和實木鋸材混合形成的混合結(jié)構(gòu)CLT材料也在發(fā)展中。Schweigler等[15]采用全孔法研究加載角度對LVL銷槽承壓性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)在加載角度大于60°時，LVL硬化現(xiàn)象和繩索效應(yīng)更加明顯。我國具有豐富的竹材資源，充分利用竹材，探究竹材成為結(jié)構(gòu)用材的可能性成為研究的方向[6-7,16-18]。李霞鎮(zhèn)等[17]對毛竹基重組竹進(jìn)行銷槽承壓性能測試，并將試驗結(jié)果與Eurocode 5和NDS的計算結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明：重組竹材質(zhì)均一穩(wěn)定，銷槽承壓強(qiáng)度變化范圍為71.40～99.02 MPa，變異系數(shù)小于12.63%；順紋方向2個銷槽承壓公式預(yù)測值與試驗值接近，而橫紋方向預(yù)測值均明顯小于試驗值?？傮w而言，層板的銷槽承壓性能，隨著層板密度增大而增大；對于CLT材料，層板材料的多樣性和混合性會導(dǎo)致CLT銷槽承壓性能復(fù)雜性，這主要是因為不同材料的銷槽承壓性能有差異。

2.2 構(gòu)造特征

普通CLT是由奇數(shù)層的實木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材正交組坯而成，不少研究者探討CLT層數(shù)對銷槽承壓性能的影響，但得出的結(jié)論不同。歐加加等[19]對三層和五層CLT試件在不同銷徑和加載方向下進(jìn)行銷槽承壓試驗，指出銷槽承壓強(qiáng)度與層數(shù)成正比，膠縫處銷槽承壓強(qiáng)度小于非膠縫處。Tuhkanen等[20]探究了層數(shù)和層板厚度對CLT銷槽承壓性能的影響，發(fā)現(xiàn)相鄰層的鎖定效應(yīng)和硬化效應(yīng)有助于提高銷槽承壓強(qiáng)度，但層厚和層數(shù)對銷槽承壓強(qiáng)度無影響。相比GLT，普通CLT構(gòu)造特征包括正交結(jié)構(gòu)、同一層層板間縫隙、層板應(yīng)力釋放縫等。一些研究表明，這些構(gòu)造特征對CLT物理、力學(xué)性能均會產(chǎn)生影響[20-23]。馬夢淋[24]探究了銷栓與拼縫的位置關(guān)系對銷槽承壓強(qiáng)度的影響，當(dāng)銷栓垂直于試件表層板時，存在5 種不同的位置關(guān)系，當(dāng)銷栓平行于表層板時，存在6 種不同的位置關(guān)系。試驗發(fā)現(xiàn)，僅當(dāng)銷栓垂直于表層板且加載角度為0°時，銷栓與拼縫的位置關(guān)系對銷槽承壓強(qiáng)度影響不顯著；當(dāng)銷栓垂直于表層板且加載角度為90°和銷栓平行于表層板且加載角度為0°時，銷栓與拼縫的位置關(guān)系對銷槽承壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響。由于木材橫紋銷槽強(qiáng)度小于順紋銷槽承壓強(qiáng)度，CLT正交結(jié)構(gòu)引起的橫向?qū)诱急炔煌瑢︿N槽承壓性能也有影響。Dong等[25-26]探究了橫向?qū)诱急葘LT銷槽承壓性能的影響，并建立CLT銷槽承壓性能理論計算公式。研究表明：橫向?qū)雍穸日急葘LT銷槽承壓性能有顯著影響，橫向?qū)咏档弯N槽承壓強(qiáng)度卻提高了延性，銷槽承壓強(qiáng)度與橫向?qū)雍穸日急瘸煞幢?。另外，除了普通結(jié)構(gòu)CLT，為改善CLT物理力學(xué)性能，還存在特殊結(jié)構(gòu)或連接形式的CLT材料，如表層連續(xù)兩層平行結(jié)構(gòu)的CLT（圖7）[1]，木銷連接的CLT（圖8）[27-28]，以及非90°（如45°）組坯結(jié)構(gòu)的CLT（圖9）等。這些構(gòu)造特征均會影響CLT銷槽承壓性能。

圖7 連續(xù)兩層平行結(jié)構(gòu)CLTFig.7 Continuous two-longitudinal-layer CLT

圖8 木銷連接CLTFig.8 Wood dowel connected CLT

圖9 45°組坯結(jié)構(gòu)CLT Fig.9 45°lay-up CLT

綜上，CLT層板間縫隙、橫向?qū)诱急鹊葮?gòu)造特征對其銷槽承壓性能有一定的影響，實際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免縫隙，并盡可能讓CLT多數(shù)層順紋銷槽承壓，以提高其銷槽承壓性能。有關(guān)CLT層數(shù)對銷槽承壓性能的影響尚未有定論。目前已有的CLT銷槽承壓性能研究多關(guān)注縫隙位置對CLT性能的影響，而缺少縫隙寬度的相關(guān)研究，由于不同生產(chǎn)廠家所預(yù)留的縫隙寬度有所不同，今后有關(guān)縫隙寬度對銷槽承壓性能的影響應(yīng)展開進(jìn)一步的研究。

2.3 銷加載參數(shù)

已有研究表明，銷的形式（螺栓、螺釘），銷打入的位置，銷直徑和制作銷的鋼材質(zhì)量等級等參數(shù)對銷槽承壓性能有很大影響[14,29]。對于CLT材料，由于受銷不同的打入面，以及層板相對位置和紋理方向等因素的影響，CLT銷加載因素較為復(fù)雜（圖10）。Dong等[25]分別對圖10 中的6 種方式進(jìn)行銷槽承壓性能測試，發(fā)現(xiàn)方式(a)和(c)的銷槽承壓強(qiáng)度較高，分別為37.66 MPa和39.60 MPa；方式(b)和(e)的強(qiáng)度較低，分別為12.55 MPa和13.20 MPa。除了水平和垂直打入，Uibel等[30-31]對表面打入的螺栓進(jìn)行45°加載，并建立了基于角度的CLT銷槽承壓計算公式。另外，銷直徑對銷槽承壓性能也有一定的影響。馬夢淋[24]采用4 種直徑（10、12、16、25 mm）進(jìn)行半孔銷槽承壓試驗，發(fā)現(xiàn)采用10 mm和25 mm直徑的銷測得的銷槽承壓強(qiáng)度相差甚遠(yuǎn)，直徑為10 mm時，強(qiáng)度范圍為25～32.5 N/mm2，直徑為25 mm時，強(qiáng)度范圍為15～25 N/mm2。少部分學(xué)者對銷的鋼材等級和表面粗糙度影響展開了研究，Rodd等[32]采用不同粗糙度的鋼銷進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)較粗糙的鋼銷具有更高的承載力。Sandhaas等[14]采用2 種鋼材等級但表面粗糙度相同的螺栓進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度的螺栓獲得的承載力更高，但Sandhaas等認(rèn)為鋼材硬度也是導(dǎo)致更高承載力的可能原因之一。因此，銷的參數(shù)對CLT銷槽承壓性能有一定影響。目前相關(guān)研究多集中于采用光滑螺栓的銷槽承壓試驗，對于采用自攻螺釘?shù)脑囼烏r有涉及。隨著自攻螺釘在CLT建筑中廣泛運用，應(yīng)開展采用自攻螺釘?shù)匿N槽承壓試驗，探討自攻螺釘連續(xù)螺紋對銷槽承壓性能的影響。

圖10 不同的CLT銷槽承壓形式Fig.10 Different types of embedment in CLT

3 CLT銷槽承壓強(qiáng)度理論計算

由于CLT與實木或其他工程木不同的構(gòu)造特征，現(xiàn)有實木或工程木的銷槽承壓計算公式不適用于CLT材料。目前仍未建立統(tǒng)一的CLT銷槽承壓計算公式，相關(guān)計算公式主要分為2 大部分：有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中給出的計算公式和相關(guān)試驗研究建立的公式。公式的建立方法主要分為考慮CLT構(gòu)造特征和不考慮CLT構(gòu)造特征2 種，下面對目前已有的CLT銷槽承壓性能計算公式進(jìn)行總結(jié)。

3.1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中CLT銷槽承壓性能計算公式

3.1.1 CSA O86

加拿大規(guī)范CSA O86:19Engineering design in wood中，針對木質(zhì)材料和非木質(zhì)材料（鋼、混凝土）的銷槽承壓強(qiáng)度有所區(qū)分。對于木質(zhì)材料，基于木材絕干密度和外螺紋直徑，建立了橫紋、順紋時的銷槽承壓強(qiáng)度。該規(guī)范認(rèn)為，橫紋方向上，CLT銷槽承壓性能計算公式與實木一樣，而對于順紋方向銷槽承壓性能，則采用系數(shù)Jx(Jx=0.9)來區(qū)分，如式（1）和（2）。

式中：f0為順紋銷槽承壓強(qiáng)度，MPa；f90為橫紋銷槽承壓強(qiáng)度，MPa；G為相對絕干密度；d為緊固件直徑，mm。

3.1.2 CLT 手冊[1]

CLT手冊認(rèn)為在多數(shù)情況下，CLT由于構(gòu)造引起的銷槽承壓強(qiáng)度變化極小，但在緊固件直徑較大或承壓長度較小時，應(yīng)調(diào)整承壓長度為有效長度。當(dāng)加載方向主要為順紋時，應(yīng)將橫紋方向的受壓長度乘以Fe⊥/Fe//。同樣，當(dāng)加載方向主要為橫紋時，既可以保守估計為與木材銷槽承壓強(qiáng)度一致，也可以將順紋方向的受壓長度乘以Fe///Fe⊥。Kennedy[33]根據(jù)此理論推算了CLT銷槽承壓強(qiáng)度公式，如式（3）。

式中：fθ,CLT為CLT的銷槽承壓強(qiáng)度，MPa；l||為縱向?qū)映袎洪L度，mm；l⊥為橫向?qū)映袎洪L度，mm；lp為總承壓長度，mm；fθ為縱向?qū)訉影邃N槽承壓強(qiáng)度，MPa；f90-θ為橫向?qū)訉影邃N槽承壓強(qiáng)度，MPa。

3.2 其他研究文獻(xiàn)中CLT銷槽承壓強(qiáng)度計算公式

盡管現(xiàn)有規(guī)范中已提及CLT銷槽承壓強(qiáng)度計算公式，但目前開展的CLT銷槽承壓性能試驗表明，采用上述已有公式計算的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)差異較大。一些研究者基于試驗數(shù)據(jù)建立了新的CLT銷槽承壓性能計算公式。

Uibel等[22,30-31]改變層數(shù)、層板厚和膠縫，對13種不同組坯方式的CLT試件進(jìn)行銷槽承壓測試，基于438個試件的試驗數(shù)據(jù)提出2種公式，如式（4）和（5）。試驗通過改變CLT的層數(shù)、縫隙寬度（小于6 mm）和層板厚度等，一共有4種不同構(gòu)造的CLT試件在5種不同受力條件下進(jìn)行銷槽承壓測試。其中，式（4）不考慮CLT的橫向?qū)诱急龋瑑H考慮木材密度和加載角度，其擬合相關(guān)系數(shù)R=0.75。式（5）則考慮了CLT橫向?qū)诱急葘LT銷槽承壓強(qiáng)度的影響，其擬合相關(guān)系數(shù)R=0.74。值得注意的是，式（4）和（5）中要求層板厚度小于40 mm，縱向?qū)雍穸扰c橫向?qū)雍穸缺戎捣秶鸀?.95～2.1。

式中：fθ,avg為銷槽承壓強(qiáng)度平均值，MPa；ρ12為含水率12%時的密度，g/cm3；t0,i為單個縱向?qū)雍穸?，mm；t90,j為單個橫向?qū)雍穸?，mm；t為 CLT整體厚度，mm；θ為加載方向與外層層板紋理方向間的夾角，（°）。

Kennedy等[33]采用9 種螺釘對1 080 個試件進(jìn)行銷槽承壓測試，研究變量包括6 種普通螺釘，3 種自攻螺釘，改變銷槽承壓長度和加載角度。并將試驗結(jié)果與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的公式進(jìn)行對比，研究發(fā)現(xiàn)已有計算公式不適用于CLT銷槽承壓強(qiáng)度計算。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，Kennedy提出適用于CLT銷槽承壓強(qiáng)度計算公式，如式（6），該公式未考慮銷直徑的影響。

Dong等[25]采用半孔測試法對660 個試件進(jìn)行銷槽承壓試驗，通過改變橫向?qū)诱急龋?/0.2/0.33/ 0.4/0.5/0.6/1），對5 組不同構(gòu)造的CLT試件和2 組膠合木試件，在不同樹種（SPF/南方松/花旗松），螺栓直徑（10/12/14 mm）和加載角度（0°/45°/90°）下的銷槽承壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，并建立CLT銷槽承壓強(qiáng)度計算公式，如式（7）。相比式（5），式（7）中允許的橫向?qū)雍穸日急确秶蟆?/p>

式中：tt是CLT中橫向?qū)诱伎偤穸鹊谋戎担瑪?shù)值在0～1范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

銷槽承壓性能是CLT構(gòu)件連接的關(guān)鍵性能之一，由于CLT的正交結(jié)構(gòu)和層板間縫隙的存在等特殊構(gòu)造，使其銷槽承壓性能與實木或其他工程木有較大不同。系統(tǒng)地展開CLT銷槽承壓性能影響因素研究和建立統(tǒng)一的、適合CLT構(gòu)造特性的CLT銷槽承壓強(qiáng)度計算公式，有利于完善CLT構(gòu)件設(shè)計理論和方法。今后應(yīng)著重展開以下研究：

1）混合結(jié)構(gòu)CLT銷槽承壓性能研究。為拓寬國內(nèi)CLT制備原材料，應(yīng)對國內(nèi)樹種、常用工程木等混合制備的CLT進(jìn)行銷槽承壓試驗，探究其用作CLT材料的潛力。

2）自攻螺釘連接CLT的銷槽承壓性能研究。近年來自攻螺釘越來越多地用于CLT和膠合木等重型工程連接節(jié)點，但自攻螺釘?shù)奶厥饴菁y形狀對銷槽承壓性能的影響仍未明確。

3）建立統(tǒng)一的計算公式。現(xiàn)有預(yù)測公式僅針對部分樹種，缺乏涵蓋不同密度的預(yù)測公式，且相關(guān)規(guī)范中的特征值公式過于保守。因此建立統(tǒng)一的、適合CLT構(gòu)造特性的銷槽承壓強(qiáng)度計算公式將有利于完善CLT構(gòu)件設(shè)計理論和方法。