竹木復合正交膠合木板性能研究＊

范敬賢

（南京林業(yè)大學土木工程學院，江蘇 南京 210037）

近年來，隨著社會進步和生活水平的提高，國家對于低碳環(huán)保、節(jié)能減排的需求與日俱增，而木制的結(jié)構(gòu)建筑更加生態(tài)友好、綠色環(huán)保，符合當代人們的消費理念。同時，中國房建行業(yè)快速發(fā)展，水泥鋼筋用量巨大，進而產(chǎn)生了大量的二氧化碳，對于環(huán)境的破壞嚴重，為了中國經(jīng)濟持續(xù)健康綠色的發(fā)展，木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展勢在必得。對于木結(jié)構(gòu)來說，應用在高層建筑中比較困難，針對單方面竹木力學性能比較弱的原因[1]，筆者將在本文中提到竹木復合正交膠合木（Cross-Laminated Timber，CLT），同時本文也將著重對CLT 板及力學性能的現(xiàn)狀和發(fā)展前景進行展望。

1 正交膠合木的簡單介紹

目前，大多數(shù)人對于木材了解較多，木材密度低、強度高、彈性更好，同時抗震性能也較為優(yōu)越，從古至今在建筑橋梁方面有著廣泛的應用，而目前所利用的木材越來越多元化，性能等方面也有較大的提升[2]。本文介紹的正交膠合木，是近年來國外開發(fā)的一種新型木產(chǎn)品，被廣泛應用于中高層建筑中，但是國內(nèi)對于該領(lǐng)域的研究還相對較少。正交膠合木是一種至少由3 層實木鋸材或結(jié)構(gòu)復合板材正交組坯，采用結(jié)構(gòu)膠黏劑壓制而成的矩形、直線、平面板材形式的工廠預制工程木產(chǎn)品[3]。圖1 為典型的CLT 板坯結(jié)構(gòu)，能夠明顯看出受力的各向相異的這一個特點，因此受力性能也更加良好。CLT 板使用范圍廣、尺寸規(guī)格豐富，一般厚度在5～30 cm 之間，如有需要也可生產(chǎn)出特定厚度的板，其寬度一般在1.2～3 m 之間，長度也在5～18 m 之間。CLT 預制板也可以依據(jù)設計要求切割成任意的形狀和尺寸。

圖1 正交膠合木結(jié)構(gòu)

正交膠合木利用木材順紋方向抗拉強度高和橫紋方向抗壓強度高的特點，采用交錯疊合的方式，即木材的橫紋和順紋2 個方向交叉重疊，使受力更加勻稱，具有良好的雙向力學性能，可用于單向板或者雙向板[4]，在高層建筑領(lǐng)域應用廣泛。在正交膠合木板中，奇數(shù)層力學性能較為穩(wěn)定，起主要力學承載作用。CLT的構(gòu)造應一般滿足對稱原則、奇數(shù)層原則和垂直正交原則[5]。

2 正交膠合木優(yōu)點

正交膠合木及其重型木結(jié)構(gòu)建筑體系與傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑比較，其優(yōu)點如下：①板件的尺寸穩(wěn)定，力學性能良好。正交膠合木通過縱橫正交鋪設，顯著提高了板材結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性，縱向和橫向的力學性能均勻；并且正交膠合木橫向的穩(wěn)定性比實木或者膠合木橫紋方向的穩(wěn)定性提高10 倍以上[6]，能夠更充分地發(fā)揮力學性能。②承載性能較強。正交膠合木在縱橫2個方向都具有較好的承載性能，同時通過在制造過程中控制木材含水率和去除基材的缺陷，可顯著提高板材的強度、剛度和穩(wěn)定性；由于正交膠合木輕質(zhì)高強，能夠有效地減輕結(jié)構(gòu)的自重，更能凸顯其強重比這一特點[3]。③防火性能好。遇火時，正交膠合木結(jié)構(gòu)強度衰減較慢，有更好的延性，主要是因為正交膠合木燃燒后表面形成炭化層，炭化效果進一步阻斷火焰?zhèn)鞑?，保證了板材的結(jié)構(gòu)強度[2]。④保溫、隔音性能強。正交膠合木建筑保溫系數(shù)為混凝土建筑的10 倍左右[7]，隔音降噪效果為混凝土建筑的4 倍左右，相比于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，更有利于人們居住。⑤施工快、噪聲低。由于正交膠合木基本上都是工廠先預制加工，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑相比，正交膠合木可在工廠模塊預制化生產(chǎn)，現(xiàn)場裝配快、噪聲低、污染小，因此通常要比鋼筋混凝土建筑節(jié)省70%施工時間，能夠大大縮短工期，降低人工成本[2]。⑥應用領(lǐng)域范圍廣?？捎糜诘?、中層甚至高層的民用住宅和非民用建筑，季節(jié)變化對施工造成的影響較小。⑦更加低碳環(huán)保。排碳量更低，計算結(jié)果表明，正交膠合木的溫室氣體排放僅為鋼材的1/20[7]。

綜上所述，這些優(yōu)越的性能將有力推動正交膠合木建筑產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展和推廣，也有利于低碳節(jié)約型社會的建立。

3 竹木復合膠合木CLT 板

在CLT 全球生產(chǎn)不斷推進的過程中，已經(jīng)嘗試使用本地軟木、硬木以及兩者的組合來制造CLT。由結(jié)構(gòu)復合木材（如定向刨花板、平行木片膠合木及旋切板膠合木等）和尺寸木料制成的復合CLT 也受到了相當多的關(guān)注。使用本地木材物種進行CLT 制造的一般目的是提高本地木材資源的附加值并減少由原材料的長途運輸引起的成本和碳排放[7]，更能降低建造使用過程中的成本。但是從中國的國情出發(fā)，中國的木材資源是短缺的，竹材資源的儲量是巨大的，竹材是是木材的較為理想的替代品。竹材是一種環(huán)境友好、可循環(huán)使用的綠色建材，隨著生產(chǎn)工藝和工程需求的迭代[8]，出現(xiàn)了一系列的主流工程竹產(chǎn)品，例如竹重組材、竹集成材和竹簾竹席膠合板。與木材相比，竹子的硬度較低，但密度和強度較高。在大多數(shù)情況下，竹質(zhì)工程產(chǎn)品的剛度/質(zhì)量比通常高于普通鋼筋混凝土，但低于木質(zhì)工程產(chǎn)品。從工程的角度來看，竹制品和木制品的力學性能在某種程度上可以互補[6]。通過優(yōu)化竹木復合CLT 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以充分利用竹材和木材的力學性能[9]。

4 CLT 板的國外研究及發(fā)展現(xiàn)狀

正交膠合木（CLT）在20 世紀70 年代由歐洲率先提出，而且緊跟著也是在歐洲成立了生產(chǎn)該板件的工廠，隨著時間推移，西方多個國家對于CLT 板構(gòu)件的力學性能做了大量的測驗工作。2007 年，有研究人員對一個7 層的CLT 建筑進行了抗震試驗，數(shù)據(jù)表明，該類結(jié)構(gòu)抗震性能比較優(yōu)越，而且具有更好的彈性及延性，F(xiàn)ELLMOSER 等[10]利用振動臺對CLT 墻體進行了一個動態(tài)性能的測驗，發(fā)現(xiàn)該墻體對于抗震性能有很好的抵御作用。而且對于結(jié)構(gòu)的延性和耗能特征有著非常重要的影響，即使是在震級較高時，發(fā)現(xiàn)只有底部剪力墻會有一定受壓損傷。與此同時，專家學者也發(fā)現(xiàn)CLT 在燃燒時表面會形成一個炭化層，進而起到隔絕氧氣的作用，也證實了該板件有很好的耐火性能。

FELLMOSER 等[10]將CLT 構(gòu)件板與普通木板進行了防火性能測驗，發(fā)現(xiàn)防火性能與黏合劑的性能也是有關(guān)系的，同時研究了不同環(huán)境溫度下CLT 板的彈性模量、彎曲強度及失效時間，在溫度較高時能夠達到3 h 以上的阻燃效果。由于建筑規(guī)范中對于材料阻燃率的要求，CLT 在這些方面均有著良好的表現(xiàn)，也使得它在高層建筑中的實現(xiàn)成為可能，YAWALATA 等[11]對CLT 板，尤其是該構(gòu)件的滾動剪切性能、抗彎性能等各個方面，以及它的徐變特性，通過不同方法的力學測驗和有限元分析，研究了層數(shù)不同的正交膠合板和釘合板的不同。研究發(fā)現(xiàn)該板件中間層對于抗彎強度有明顯的影響，同時研究表明，該新型的正交膠合木板具備良好的力學性能[11]。FELLMOSER 等[10]研究了原材料的強度對于構(gòu)件承載力的影響，研究結(jié)果表明，抗剪切性能取決于中間板材的強度，通過對不同層數(shù)的CLT 板進行性能研究試驗，發(fā)現(xiàn)彎曲強度和剪切強度隨著板厚的增加而降低，這與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在某些方面是相背離的。

此外，國外除了對CLT 板構(gòu)件力學性能進行理論研究外，也在建筑工程領(lǐng)域進行了廣泛的運用，第一座建成的是瑞士的單層CLT 建筑。隨著時間的推移，在德國、英國、美國等國家均建成了一些高層建筑，當然這些結(jié)構(gòu)也不是純粹的木結(jié)構(gòu)，大多是由混凝土和木結(jié)構(gòu)組合而成的。CLT 板在國外房屋建筑學領(lǐng)域應用比較廣泛，但是在木結(jié)構(gòu)、橋梁等方面的應用較少，1998 年奧地利Wandritsch 公路橋的橋面板，使用的是CLT 板，此外，挪威的一架鋼結(jié)構(gòu)大橋采用CLT板代替瀝青路面板，使得強重比更高，減輕結(jié)構(gòu)的自重荷載。

5 CLT 板國內(nèi)研究及發(fā)展現(xiàn)狀

對于CLT 板的研究，國外的技術(shù)經(jīng)驗已經(jīng)較為成熟，中國對于該領(lǐng)域的研究起步時間相對較晚，在國外研究的經(jīng)驗基礎上，中國在該領(lǐng)域的發(fā)展也在不斷加快，目前包括南京林業(yè)大學在內(nèi)的許多科研所對CLT 板的制造工藝、力學性能、數(shù)值模擬等方面進行了大量的研究，也取得了非常可觀的成果，試驗也取得了階段性的勝利。

目前中國主要對使用國產(chǎn)樹種制得的CLT 板進行性能的探究，同時也對用楊木等數(shù)種制而成的木材進行了力學性能的研究，并且得到了相應的承載力計算方法[12]。謝文博、盧曉等以加拿大西部的鐵杉為原料對板件的力學性能和耐久性能進行了探究，利用胡克定律、材料力學和彈性力學等知識，得到了不同層數(shù)的類交合層的層間剪應力及它們的最大層間剪應力。大量的試驗研究表明，CLT 板件的層間存在的剪應力和膠合層，通過計算平行層和垂直層彈模之比等因素，得到了該板件的力學性能[13]，同時加工方式不同，橫切面的構(gòu)造也不同。并分析了密度、年輪走向、髓心的距離以髓心的位置對于剪切性能的影響，研究結(jié)果表明，在荷載的作用下，CLT 板的受力變形一般多屬于彈性階段，通常會發(fā)生脆性破壞[13]。

通過膠合重組的手段加工而成的CLT 板，能夠有效減少本身缺陷所帶來的影響，在工廠進行預制加工，板件的生產(chǎn)更加靈活，現(xiàn)場施工速度更快，可以依據(jù)工程的實際需要來進行尺寸的加工。截至目前，中國的CLT 板集中在建筑領(lǐng)域，而且多為單向板，對橋梁結(jié)構(gòu)的應用研究較少，考慮到橋面雙向受力及木材各項異性的特點，還需要進行大量的試驗，對于CLT雙向板進行力學性能分析，包括滾動剪切性能的分析，從而使CLT 該板在橋梁結(jié)構(gòu)等方面的應用成為可能。

6 結(jié)論

本文重點論述了正交膠合木的優(yōu)點及良好的受力性能，國外對于正交膠合木的理論研究和實際應用已經(jīng)非常成熟，而且應用市場也非常廣闊。中國由于竹材較多、木材稀少，研究方向也更傾向于竹木制成的正交膠合木，它能夠有效地彌補竹材自身的力學性能缺陷，使各個方向的力學性能都能得到充分發(fā)揮。國內(nèi)外通過抗阻燃試驗、滾動剪切試驗及抗彎試驗和彈性模量的測定[14]，發(fā)現(xiàn)竹木制成的CLT 板在強度和穩(wěn)定性方面都有著良好的表現(xiàn)。國內(nèi)通過研究發(fā)現(xiàn)，竹木復合板要比木結(jié)構(gòu)的復合板性能更加優(yōu)越，因此竹木結(jié)構(gòu)勢必有著廣闊的發(fā)展前景，而且鑒于上述正交膠合板的優(yōu)點，在今后的發(fā)展中，木結(jié)構(gòu)也將逐步轉(zhuǎn)向高層建筑。