CLT結(jié)構(gòu)建筑體系與建筑技術(shù)研究進(jìn)展*

王界賢 姚利宏 劉睿靜

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

正交膠合木（Cross-Laminated Timber，CLT）結(jié)構(gòu)建筑是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種由新型工程木產(chǎn)品CLT作為主要承重構(gòu)件的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑[1]。CLT是由三層或三層以上實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)用木質(zhì)復(fù)合材（Structural Composite Lumber，SCL）通過(guò)相鄰層相互垂直組坯，采用結(jié)構(gòu)膠黏劑加壓預(yù)制而成的實(shí)體木質(zhì)工程材（圖1），主要用于屋蓋、樓板和墻體等木結(jié)構(gòu)構(gòu)件[2]。CLT板的正交組坯方式使其在材料主方向和次方向均具有相同的干縮濕脹性能[1-2]，提高了產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性，允許預(yù)制大幅面樓板和較長(zhǎng)的墻板[3]。此外，CLT板的正交結(jié)構(gòu)提供了相對(duì)較高的平面內(nèi)外強(qiáng)度和剛度，以及阻止連接件劈裂的性能[1]。CLT板輕質(zhì)高強(qiáng)[4]，為多高層木結(jié)構(gòu)提供了可能[5]。

圖1 CLT的組坯方式[3]Fig.1 Assembly patterns of CLT structure

1 CLT結(jié)構(gòu)建筑體系

CLT建筑體系指以CLT樓板、墻板、屋面板等為主要承重構(gòu)件，配以混凝土、鋼等其他建材組成的一種新型裝配式建筑結(jié)構(gòu)[6]。CLT板因其較優(yōu)的尺寸穩(wěn)定性、環(huán)境友好性、強(qiáng)重比高等特點(diǎn)區(qū)別于鋼筋混凝土、磚混結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)建筑體系。

1.1 CLT建筑體系形式

CLT建筑的結(jié)構(gòu)體系有多種建造方式，根據(jù)構(gòu)件之間的連接形式，可將CLT建筑體系形式分為平臺(tái)式（platform-type）和連續(xù)式（balloon-type）兩種[3]。

平臺(tái)式結(jié)構(gòu)體系采用平臺(tái)施工法，每一層的樓面平臺(tái)作為下一層CLT墻體的基礎(chǔ)，即在完成某層所有墻板和樓板的吊裝后再進(jìn)行上一層墻板等構(gòu)件的安裝。因此，每層樓層（包括屋頂）的CLT樓板充當(dāng)橫隔板，用于抵抗橫向荷載并將其傳遞到下面的剪力墻[3]。平臺(tái)式建造是目前最常用的建造方式，尤其適用于多高層CLT建筑。這種建造方式具有施工方便、連接形式簡(jiǎn)單、傳力路徑明確等特點(diǎn)[7]（圖2）。

圖2 平臺(tái)式CLT結(jié)構(gòu)Fig.2 Platform-type CLT structure

在連續(xù)式結(jié)構(gòu)體系中，CLT墻板沿整個(gè)建筑高度延伸，為一整塊連續(xù)的長(zhǎng)板材，形成主要的抗側(cè)力系統(tǒng)（LLRS）[3]，中間的樓面板連接在CLT墻板上，類(lèi)似于輕型木結(jié)構(gòu)中采用連續(xù)墻骨柱的施工方法[3]。連續(xù)式CLT建筑一般采用筒體結(jié)構(gòu)（CLT墻體和柱共同承重、建筑內(nèi)部CLT承重墻體-外圍密柱框架承重[10]），以使建筑平面更為開(kāi)放、內(nèi)部空間更為靈活。但這種建造方式在實(shí)際應(yīng)用中并不常見(jiàn)[7]，因結(jié)構(gòu)連接復(fù)雜，并且墻板受到CLT板長(zhǎng)度限制，不宜在工廠預(yù)制，另外在建造過(guò)程中缺少操作平臺(tái)，增加施工難度，所以這種建造方式一般用于底層、商業(yè)和工業(yè)建筑。加拿大魁北克市13層的Origine大樓和Arbora建筑群采用了此種建造方式（圖3）。

圖3 連續(xù)式CLT結(jié)構(gòu)Fig.3 Balloon-type CLT structure

1.2 CLT建筑體系類(lèi)型

從已有建筑實(shí)例來(lái)看，結(jié)合GB/T 51226—2017《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[11]對(duì)高層木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系的分類(lèi)，CLT建筑的結(jié)構(gòu)體系總體上可以分為兩種：1）純CLT結(jié)構(gòu)，指承重構(gòu)件均采用CLT產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)體系（如Stadthaus公寓[12]）；2）混合CLT結(jié)構(gòu)，是由CLT構(gòu)件與其他結(jié)構(gòu)（如混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)或其他木材產(chǎn)品）構(gòu)件混合承重的結(jié)構(gòu)體系?；旌螩LT結(jié)構(gòu)一般采用混凝土的基礎(chǔ)形式，形成上下組合的木結(jié)構(gòu)體系[13]。由于構(gòu)件間的組合方式多樣，在生產(chǎn)實(shí)踐中產(chǎn)生了多種不同結(jié)構(gòu)體系，一般是混凝土基礎(chǔ)、混凝土核心筒、混凝土樓板、CLT核心筒、CLT剪力墻、CLT樓板、膠合木框架、膠合木梁柱、鋼框架等構(gòu)件的組合[14-17]。

CLT建筑在歐美應(yīng)用較多。當(dāng)前，已在挪威布魯蒙達(dá)爾市建成的Mj?st?rnet大樓是全球最高的木結(jié)構(gòu)建筑，內(nèi)含酒店、餐廳、辦公室、公寓等，共計(jì)18 層，高85.4 m，采用膠合木框架支撐+CLT豎井+膠合木和混凝土樓板的混合木結(jié)構(gòu)體系（圖4），建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用大型預(yù)制墻體[9]。隨著木結(jié)構(gòu)建筑正逐漸突破層數(shù)限制，Van等[18]提出利用CLT與混凝土結(jié)合來(lái)建造超過(guò)40 層（≤150 m）摩天大樓，以混凝土（8 m×21 m）為核心筒，外圍CLT墻體（25 m×35 m）在一定間隔處使用懸臂支架，并用拉桿支撐連接，中間層樓板處添加剛性加強(qiáng)層，以保證建筑有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。我國(guó)在多高層木結(jié)構(gòu)方面的研究起步相對(duì)歐美較晚[19]，在CLT建筑體系方面的相關(guān)工作主要集中于對(duì)CLT剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能研究。

圖4 Mj?st?rnet大樓結(jié)構(gòu)體系[9]Fig.4 Structural system of Mj?st?rnet

2 CLT結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)

2.1 CLT建筑抗側(cè)性能

在CLT結(jié)構(gòu)建筑中，CLT構(gòu)件主要用來(lái)抵抗地震和風(fēng)帶來(lái)的水平荷載，對(duì)CLT建筑抗側(cè)性能的研究是一個(gè)重要方向。國(guó)外學(xué)者在CLT剪力墻及其結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)性能方面已有系統(tǒng)地研究，結(jié)果表明：CLT結(jié)構(gòu)的破壞多集中于墻板與墻板、墻板與樓板或基礎(chǔ)間的連接區(qū)域；抗剪件的布置及力學(xué)性能直接影響CLT剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力[20-22]。Channinmi[23]針對(duì)6層CLT木結(jié)構(gòu)建筑，研究了三種抗側(cè)力系統(tǒng)（Lateral Load Resisting Systems，LLRS），分別為框架、核心筒和剪力墻，從建筑結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)適用的角度進(jìn)行探討，研究發(fā)現(xiàn)三種抗側(cè)力系統(tǒng)中成本相對(duì)較高的是框架系統(tǒng)，因其對(duì)木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)等級(jí)和節(jié)點(diǎn)處的連接有嚴(yán)格要求；其次是核心筒系統(tǒng)，最后是剪力墻系統(tǒng)。另外該研究介紹了抗側(cè)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)，即套筒基礎(chǔ)（圖5），其混凝土和木柱之間鋪設(shè)工程橡膠，用以吸收地震能量，幫助體系中的木柱在地震發(fā)生后仍然保持原來(lái)位。

圖5 套筒基礎(chǔ)（圖解）[23]Fig.5 Socket foundation (diagrammatic)

國(guó)內(nèi)關(guān)于CTT建筑抗側(cè)性能的研究正處于起步階段，已有研究主要集中于CLT剪力墻的抗側(cè)性能，研究采用試驗(yàn)或有限元模擬的方法，內(nèi)容涉及不同材料CLT剪力墻的抗側(cè)性、以CLT作填充墻的膠合木框架或鋼框架等混合結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性研究。其中王志強(qiáng)等[24]對(duì)采用不同材料的CLT剪力墻的抗側(cè)性進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)與單一鋸材CLT剪力墻相比，鋸材-LVL混合材CLT剪力墻的抗側(cè)剛度大，但破壞位移和抗側(cè)承載力均較小。在以CLT做填充墻的混合結(jié)構(gòu)抗側(cè)性研究方面，沈銀瀾等[25]對(duì)以CLT剪力墻填充的鋼框架結(jié)構(gòu)開(kāi)展了數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)此混合結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、承載能力均高于純鋼框架結(jié)構(gòu)。凌秀等[26]則通過(guò)試驗(yàn)印證了前者結(jié)論，發(fā)現(xiàn)鋼框架-CLT剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和承載力分別是純鋼框架的4.86倍和2.79倍。薛敬丞等[27]則對(duì)以CLT剪力墻填充的膠合木框架結(jié)構(gòu)開(kāi)展了抗側(cè)性試驗(yàn)研究，與膠合木純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其極限荷載、抗側(cè)剛度和耗能分別為木結(jié)構(gòu)純框架的2.45倍、3.65倍和2.4倍。薛建陽(yáng)等[28]通過(guò)試驗(yàn)，同樣得出填充CLT剪力墻板后膠合木框架的抗側(cè)承載力得到較大幅度提高的結(jié)論。

2.2 CLT建筑節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)

在CLT結(jié)構(gòu)建筑中，連接節(jié)點(diǎn)是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系受力的薄弱環(huán)節(jié)，有研究表明，CLT建筑中板間模型的不同連接方法會(huì)顯著影響建筑剛度、振動(dòng)周期、基礎(chǔ)剪力和建筑延性[29]。因此，了解連接件的結(jié)構(gòu)性能和連接技術(shù)對(duì)CLT建筑設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

Follesa等[30]針對(duì)CLT墻板和樓板討論了構(gòu)件在同一平面內(nèi)采用不同機(jī)械連接方式的力學(xué)性能，分別從不同節(jié)點(diǎn)連接的強(qiáng)度、剛度和操作難易、操作速度以及包括緊固件成本和人力成本在內(nèi)的總成本等方面進(jìn)行了分析。Gavric等[20]介紹了典型CLT螺紋連接件的大量試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果，對(duì)墻板間、樓板間、墻和樓板間的螺紋連接進(jìn)行了面內(nèi)單調(diào)、循環(huán)剪切和抗拔試驗(yàn)，對(duì)其強(qiáng)度、剛度、耗能、延性比和強(qiáng)度減值等力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Hassanieh等[31]研究了CLT樓板-鋼梁連接節(jié)點(diǎn)間采用不同緊固件下的抗剪性能，通過(guò)試驗(yàn)分析提出了此類(lèi)節(jié)點(diǎn)連接的抗剪承載力簡(jiǎn)化公式。Ataei等[32]開(kāi)展了CLT-鋼組合梁層間連接的試驗(yàn)，研究了其剪切滯回性能，對(duì)比了自攻螺釘連接和螺栓連接兩種不同連接方式分別對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪承載力的影響，并建立了CLT-鋼組合梁層間連接節(jié)點(diǎn)的抗剪計(jì)算數(shù)值模型。Brown[33]研究了采用不同角度自攻螺釘?shù)腃LT節(jié)點(diǎn)，對(duì)59個(gè)節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了9種不同構(gòu)型的測(cè)試，通過(guò)單調(diào)試驗(yàn)和循環(huán)試驗(yàn)得出了相關(guān)的節(jié)點(diǎn)性能參數(shù)。結(jié)果表明，大多數(shù)連接件的平均實(shí)驗(yàn)超強(qiáng)度系數(shù)(γRd)為1.7，現(xiàn)有的分析模型在估算強(qiáng)度方面是足夠的，但在估算剛度方面還不夠。

在國(guó)內(nèi)有關(guān)CLT建筑節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)的研究中，姚悅等[7]率先根據(jù)國(guó)外學(xué)者的有關(guān)研究[34]和北美CLT手冊(cè)[3]介紹了CLT建筑常見(jiàn)的幾種連接方式，并分析了新型連接件自攻螺釘(Self-Tapping Screw，STS)的性能特點(diǎn)及在CLT建筑中的應(yīng)用。Yang等[35]通過(guò)單向推出試驗(yàn)研究了國(guó)產(chǎn)落葉松-鋼連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，介紹了栓桿直徑等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，并采用指數(shù)模型對(duì)此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的荷載位移曲線進(jìn)行了擬合。鐘淼麟等[36]研究了緊固件數(shù)量對(duì)CLT節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，分別對(duì)不同緊固件數(shù)量的CLT鋼木連接節(jié)點(diǎn)在平行于木紋方向和垂直于木紋方向進(jìn)行剪力單調(diào)加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)連接節(jié)點(diǎn)的破壞形式主要為環(huán)紋釘?shù)膹澕羝茐暮蛷澢冃?；緊固件數(shù)量多于15個(gè)且垂直于木紋方向的連接節(jié)點(diǎn)在承受剪力荷載時(shí)還伴隨層板的撕裂破壞。何敏娟等[22]探索了CLT墻與其下樓面鋼梁采用預(yù)應(yīng)力螺栓連接，測(cè)試了6組不同預(yù)應(yīng)力狀況下的試件，分析了側(cè)向力作用下連接區(qū)域的破壞特征、承載力和抗滑移性能，測(cè)得不同預(yù)應(yīng)力狀況下墻與鋼梁最大靜摩擦力，得到了CLT-鋼接觸面在純剪狀態(tài)下靜摩擦系數(shù)值。結(jié)果表明：CLT墻與鋼梁的預(yù)應(yīng)力螺栓連接節(jié)點(diǎn)具有較高的強(qiáng)度和剛度；加載完成之后，CLT和鋼各自的摩擦面存在擦痕，其余部位未發(fā)現(xiàn)損傷。

3 結(jié)論

CLT建筑對(duì)發(fā)展我國(guó)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)和綠色建筑具有重要價(jià)值。我國(guó)在CLT研究領(lǐng)域雖然起步較晚，但經(jīng)過(guò)多年研究，在CLT建筑體系、抗側(cè)性和構(gòu)件連接等方面取得了階段性進(jìn)展和成果。同時(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也在逐步完善，GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 51226—2017《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等補(bǔ)充了CLT相關(guān)設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求，規(guī)定了部分類(lèi)型CLT建筑適用的總層數(shù)和總高度，一定程度上彌補(bǔ)了多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的空缺。在促進(jìn)建筑綠色發(fā)展的背景下，隨著市場(chǎng)新需求的不斷加大，我國(guó)在CLT建筑的研究與應(yīng)用方面也將加速發(fā)展。加快推進(jìn)針對(duì)CLT建筑的規(guī)范體系建設(shè)和設(shè)計(jì)方法研究，是促進(jìn)我國(guó)CLT建筑產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的前提。在材料加工、構(gòu)件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)連接、防火、抗震、防潮、隔聲等方面加快開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新突破，促進(jìn)更多CLT建筑的落地建造，以工程實(shí)例積攢經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)加強(qiáng)數(shù)值模擬分析，建立可持續(xù)開(kāi)展的理論研究系統(tǒng)。通過(guò)多方面努力，CLT建筑市場(chǎng)一定能健康發(fā)展，開(kāi)拓廣闊前景。