正交膠合木及其銷槽承壓強(qiáng)度研究現(xiàn)狀

王雪婷　徐才峰　王志強(qiáng)

摘要： 本文介紹了一種新型工程木產(chǎn)品-正交膠合木，并分析了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于木材及正交膠合木在銷槽承壓強(qiáng)度等方面的相關(guān)研究現(xiàn)狀，以期為這種新型工程用木產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 正交膠合木； 特性； 銷槽承壓

中圖分類號(hào)： S 781. 69， TS 664. 03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

正交膠合木（Cross-laminated timber，CLT）是一種最初發(fā)展于歐洲的新型工程木產(chǎn)品，該材料是由至少3層實(shí)心鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)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(yù)制產(chǎn)品[ 1 ]（圖1）。近年來(lái)，CLT產(chǎn)品不斷被公眾所熟知與認(rèn)可，其不僅實(shí)現(xiàn)了“劣材優(yōu)用，小材大用”的高性價(jià)比生產(chǎn)目標(biāo)，在結(jié)構(gòu)上也解決了木結(jié)構(gòu)建筑層高限制的一大難題，被譽(yù)為建筑業(yè)的“第二次文藝復(fù)興”[ 2 ]。

木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接一直是業(yè)內(nèi)熱點(diǎn)話題。研究表明，約80%的木結(jié)構(gòu)失效都是由于節(jié)點(diǎn)連接的破壞所導(dǎo)致[ 3 ]。在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中，連接件有多種不同的連接形式，比如釘連接、齒連接、螺栓連接和榫卯連接等等；其中，螺栓連接等銷類連接是應(yīng)用最廣的節(jié)點(diǎn)連接形式[ 4 ]，確定銷類連接性能的前提之一就是須確定木材銷槽承壓強(qiáng)度。由于CLT與其它工程產(chǎn)品如膠合木相比，具有層板間縫隙和正交結(jié)構(gòu)等構(gòu)造特征，因此，研究CLT銷槽承壓性能有助于完善CLT結(jié)構(gòu)的連接理論。

1 正交膠合木特性

1. 1 尺寸穩(wěn)定性

由于普通正交膠合木（CLT）在結(jié)構(gòu)上都滿足正交、對(duì)稱的原則，因此和普通木材相比，這種構(gòu)造特征較大地降低了木材自身各向異性的不足。研究表明，CLT的線干縮濕脹系數(shù)為0.02%，其尺寸穩(wěn)定性是實(shí)木和膠合木橫紋方向尺寸穩(wěn)定性的12倍[ 5 ]。相關(guān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際案例也表明，CLT具備很好的尺寸穩(wěn)定性和抗震性能，成功解決了木結(jié)構(gòu)建筑在層高上的限制，如2007年在日本進(jìn)行了一項(xiàng)7層CLT建筑地震臺(tái)抗震實(shí)驗(yàn)，該CLT建筑承受了7.2級(jí)地震[ 6 ]。澳大利亞10層Forté CLT公寓和加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的18層全木結(jié)構(gòu)公寓等高層木結(jié)構(gòu)建筑中，都使用了CLT材料作為承重樓面板等構(gòu)件。

1. 2 經(jīng)濟(jì)環(huán)保性能

木材本身就具備可降解的特性，是實(shí)現(xiàn)永續(xù)利用的綠色材料，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，在使用過(guò)程中，還可持續(xù)優(yōu)化環(huán)境。2009年，英國(guó)建筑師Andrew Waughh與合作人Anthony Thistleton采用CLT聯(lián)手設(shè)計(jì)建造了一座8層木結(jié)構(gòu)建筑，該建筑從地板到天花板，甚至是電梯井完全由木質(zhì)結(jié)構(gòu)組成，承重墻及地板也都為CLT材料，工期時(shí)長(zhǎng)僅耗用不到3個(gè)月的時(shí)間，據(jù)估測(cè)該建筑吸收了186 t碳[ 7 ]。除此之外，研究還表明，在實(shí)際應(yīng)用中1 m2的CLT可吸收溫室效應(yīng)氣體222.55 kg，而鋼筋混凝土則釋放溫室效應(yīng)氣體90.12 kg/m2。在水資源消耗方面，鋼筋混凝土是CLT的18倍[ 8 ]。

1. 3 耐火阻燃性能

木材的燃點(diǎn)在200～290 ℃左右，雖是固體可燃物，但其本身卻可隔熱。木材還具有炭化效應(yīng)，當(dāng)燃燒到一定程度時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生炭化層，從而阻止材料的繼續(xù)燃燒，保證結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)不容易被破壞；而鋼材的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)高于木材，在火災(zāi)時(shí)則會(huì)迅速升溫以致坍塌[ 9 ]。此外，木結(jié)構(gòu)建筑的耐火阻燃值是鋼結(jié)構(gòu)的1.3倍，是水泥結(jié)構(gòu)的1.7倍[ 10 ]。CLT屬于大截面尺寸的重型木構(gòu)件材料，其碳化速度與膠合木差別不大，故也具有很好的耐火阻燃性能。

2 木材銷槽承壓試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

2. 1 國(guó)內(nèi)木材銷槽承壓試驗(yàn)研究

1986年，黃紹胤等研究了木材螺栓連接中的銷槽承壓強(qiáng)度[ 11 ]，研究結(jié)果表明，螺栓連接木材順紋銷槽承壓強(qiáng)度為：含水率15% 的木材標(biāo)準(zhǔn)小試件順紋承壓強(qiáng)度系數(shù)平均值為0.938，鋼銷的抗彎強(qiáng)度系數(shù)為0.907 6，其變異系數(shù)為2.16%和4，76%。2011年，劉柯珍針對(duì)國(guó)產(chǎn)落葉松規(guī)格材和落葉松膠合木試樣進(jìn)行半孔銷槽承載試驗(yàn)[ 12 ]，結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)落葉松規(guī)格材銷槽承壓強(qiáng)度平均值為39.93 MPa，試驗(yàn)值與理論值較一致；國(guó)產(chǎn)落葉松順紋承壓時(shí)，銷槽承壓屈服強(qiáng)度與木材密度正相關(guān)；當(dāng)滿足最小端距時(shí)，規(guī)格材的長(zhǎng)度對(duì)銷槽承壓最大荷載和屈服荷載不影響；而對(duì)于落葉松膠合木，其順紋承壓強(qiáng)度與密度的相關(guān)性大于橫紋承壓強(qiáng)度。橫紋抗壓時(shí)，屈服荷載和銷槽承壓屈服強(qiáng)度與鋼銷直徑呈較明顯負(fù)相關(guān)，且銷槽承壓破壞與紋理方向相關(guān)[ 12 ]。

2013年，李霞鎮(zhèn)對(duì)重組竹銷的銷槽承壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究[ 13 ]；董鑒等對(duì)木材銷槽承壓強(qiáng)度現(xiàn)狀進(jìn)行了研究與分析，總結(jié)了銷槽承壓試驗(yàn)的不同方法、不同影響因素的研究以及銷槽承壓強(qiáng)度公式的探究[ 14 ]。2014年，張俊珍針對(duì)測(cè)試方法、鋼銷直徑、層板等級(jí)、加載方向等因素，對(duì)日本落葉松膠合木銷槽承壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，層板等級(jí)對(duì)銷槽承壓強(qiáng)度影響最大，其次是鋼銷直徑和加載方向；測(cè)試方式與銷槽承壓強(qiáng)度不相關(guān)[ 15 ]。2016年，馬貴進(jìn)等針對(duì)濕度對(duì)花旗松膠合木銷槽承壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，不同濕度下的銷槽承壓破壞與紋理方向有關(guān)，但與濕度相關(guān)性不明顯，且與相關(guān)規(guī)范理論計(jì)算值偏差較大[ 16 ]。2017年，周巍宇對(duì)日本落葉松膠合木的銷槽承壓性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橫紋理方向鋼銷承壓，試件達(dá)到屈服階段仍持續(xù)增加，而順紋理方向則達(dá)到最大值后突然降低；日本落葉松膠合木銷槽承壓強(qiáng)度隨著密度的增加而提高；試驗(yàn)方法對(duì)銷槽承壓強(qiáng)度沒(méi)有影響[ 17 ]。

2. 2 國(guó)外木材銷槽承壓試驗(yàn)研究

1987年，Whale對(duì)大量針葉材、闊葉材、膠合板和加壓木材纖維板的順紋銷槽承壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，順紋銷槽承壓強(qiáng)度與鋼銷直徑關(guān)系為負(fù)相關(guān)[ 18 ]。1989年，Hirai基于受拉加載方式，研究了試驗(yàn)方法和鋼銷直徑對(duì)銷槽承壓性能的影響，結(jié)果表明，鋼銷直徑不影響木材銷槽的承壓強(qiáng)度[ 19 ]。1992年，Ehlbeck 研究比較了不同密度針葉材、闊葉材的銷槽承壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)闊葉材的銷槽承壓強(qiáng)度比相同密度針葉材的銷槽承壓強(qiáng)度大10%左右，并據(jù)此提出了相應(yīng)的計(jì)算公式[ 20 ]。2001年，Rammer研究了含水率對(duì)釘連接木材銷槽承壓的影響[ 21 ]；Noren研究了銷槽承壓強(qiáng)度隨溫度變化關(guān)系曲線，研究指出，銷槽承壓強(qiáng)度隨溫度增加而增加的原因是木材變干和結(jié)合水蒸發(fā)[ 22 ]。2002年，Kweonhwan Hwang等探究了銷釘直徑及加載角度對(duì)銷槽承壓性能的影響，研究結(jié)論是：除少數(shù)情況外，LVL、SPL和LSL的銷槽承壓強(qiáng)度與銷釘直徑無(wú)明顯關(guān)系，其初始剛度隨著銷釘?shù)闹睆皆龃蠖鴾p小[ 23 ]；Sawata等也通過(guò)試驗(yàn)研究了鋼銷直徑和銷槽承壓強(qiáng)度的關(guān)系，得到的試驗(yàn)結(jié)果是：順紋及橫紋銷槽承壓強(qiáng)度隨密度增加而增加，并由此提出了銷槽承壓強(qiáng)度的計(jì)算方法[ 24 ]。2014年，Winistorfer通過(guò)選取6%和12%含水率的南方松和云杉進(jìn)行試驗(yàn)，以此研究木材含水率對(duì)銷槽承壓強(qiáng)度的影響，研究指出，含水率低的同種木材，其銷槽的承壓強(qiáng)度要高一些[ 25 ]。

3 銷槽承壓強(qiáng)度測(cè)試方法及計(jì)算

目前，銷槽承壓強(qiáng)度主要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5764-97a[ 26 ]和標(biāo)準(zhǔn)EN 383-2007[ 27 ]給出的2種銷槽承壓強(qiáng)度測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)試，分別采用半孔測(cè)試法和全孔測(cè)試法，如圖2和圖3。其中，全孔測(cè)試方法要求在試件中開出一個(gè)完整的洞口，同時(shí)要滿足銷連接件為剛性桿的要求，以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性；而半孔法測(cè)試則要求開半個(gè)洞口，加載面直接作用于半孔上的銷連接件進(jìn)行平壓，加壓過(guò)程中銷連接件不能發(fā)生彎曲。由于測(cè)試方法對(duì)銷槽承壓強(qiáng)度沒(méi)有顯著影響[ 15 ]，相比較而言，半孔法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)誤差小，能比較準(zhǔn)確地反映木材的銷槽承壓強(qiáng)度。

木材銷槽承壓強(qiáng)度的計(jì)算可以分別根據(jù)采用的不同測(cè)試方法，依據(jù)EN 383-2007或者ASTM D5764-97a中分別給出的公式進(jìn)行計(jì)算，如式（1）和（2）。

fh=（1）

fh=（2）

式中： fh——銷槽承壓強(qiáng)度，N/mm2；

Fmax——極限荷載，N；

d——銷直徑，mm；

t——試件厚度，mm；

Fe5%——屈服荷載，N。

2個(gè)公式在計(jì)算上的區(qū)別為：EN 383-2007是通過(guò)繪制銷槽承壓荷載——位移曲線（圖4），確定極限荷載進(jìn)行計(jì)算；而ASTM D5764-97a則是通過(guò)規(guī)定的“5%直徑偏移法”求銷槽承壓屈服荷載。如，當(dāng)5%偏移直線與載荷——位移曲線不相交時(shí)，則認(rèn)為最大載荷為銷槽承壓屈服荷載，再根據(jù)計(jì)算式（1）計(jì)算得到銷槽承壓強(qiáng)度。

而對(duì)于正交結(jié)構(gòu)的CLT，目前國(guó)際上還沒(méi)有統(tǒng)一的銷槽承壓強(qiáng)度計(jì)算公式。不同的學(xué)者對(duì)CLT銷槽承壓強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行了相關(guān)的研究，不同的規(guī)范和手冊(cè)中，代表性的公式主要有以下4個(gè)。

（1）加拿大木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（CSA O86-14）中，只采用調(diào)整系數(shù)Jx對(duì)木材順紋銷槽承壓強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的CLT銷槽承壓強(qiáng)度計(jì)算公式以Hankinson 公式形式表示，如式（3）[ 28 ]。

fiθ=（KDKSFKT）（3）

式中： fip——木材順紋銷槽承壓強(qiáng)度，N/mm2，fip=50G（1-0.01d）Jx，Jx對(duì)于CLT材料取值0.9，其它木質(zhì)復(fù)合材料取值1，G為木材比重，kg/m3；

d——銷直徑，mm；

θ——加載角度，即荷載方向與CLT試件表板層板紋理夾角，（°）；

KD，KSF和KT——分別為加載條件、使用環(huán)境和試件處理的調(diào)整系數(shù)。

（2）Kemmedy等建立了僅僅有關(guān)螺栓直徑和加載角度的CLT銷槽承壓強(qiáng)度計(jì)算公式，如式（4） [ 29 ]。

fθ，avg=（4）

式中： ρ12——含水率為12%時(shí)試件的密度，kg/m3；

θ ——加載角度，（°）。

（3）美國(guó)版本的CLT手冊(cè)提出的CLT銷槽承壓計(jì)算公式，如式（5）。該公式考慮了CLT縱向?qū)雍蜋M向?qū)硬煌匿N槽承壓強(qiáng)度及承壓長(zhǎng)度的影響[ 30 ]。

fθ，CLT=（l∥fθ+l⊥ f90-θ）lp-1（5）

式中： l∥——縱向?qū)邮軌洪L(zhǎng)度，mm；

l⊥——橫向?qū)邮軌洪L(zhǎng)度，mm；

lp——試件總受壓長(zhǎng)度，mm；

fθ——平行層銷槽承壓強(qiáng)度，N/mm2；

f90-θ——橫向?qū)愉N槽承壓強(qiáng)度，N/mm2。

（4）T. Uibel和 H.J. Blaβ采用全孔方法測(cè)試620個(gè)不同加載角度和銷所在位置縫隙情況等條件下的CLT銷槽承壓性能，建立了2個(gè)CLT銷槽承壓計(jì)算公式，如式（6）和（7）。其中，公式（6）沒(méi)有考慮CLT的正交結(jié)構(gòu)；公式（7）考慮了CLT的正交結(jié)構(gòu)，即縱、橫向?qū)雍穸炔煌恼急?。公式?）和（7）有效性的條件為：①CLT每層層板厚度>40 mm；②0.95<<2.1，即縱向?qū)雍穸扰c橫向?qū)涌偤穸戎仍?.95到2.1之間[ 31 ]。

fpred=（6）

fh，pred=0.037·（1-0.016d）·ρ1.16[+

（7）

式中： d——銷直徑，mm；

ρ——CLT材料密度，kg/m3；

α——加載角度，（°）；

t0，i——CLT試件縱向?qū)涌偤穸?，mm；

t90， j——CLT試件橫向?qū)涌偤穸龋琺m。

4 結(jié) 語(yǔ)

CLT作為目前最新的一種工程木產(chǎn)品，國(guó)際上關(guān)于CLT材料及其應(yīng)用等方面的研究正在逐步完善，國(guó)內(nèi)CLT研究尚不深入。CLT與其它工程木，如膠合木，在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的差異，導(dǎo)致CLT物理力學(xué)性能特性方面如銷槽承壓性能的研究，成為CLT產(chǎn)品性能研究的重點(diǎn)之一。對(duì)于國(guó)內(nèi)CLT材料的研究，同時(shí)也應(yīng)基于國(guó)產(chǎn)木材、結(jié)構(gòu)復(fù)合板材和國(guó)內(nèi)木結(jié)構(gòu)行業(yè)實(shí)際情況來(lái)展開。

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第1作者簡(jiǎn)介： 王雪婷（1996-）， 女， 工學(xué)學(xué)士， 主要從事木結(jié)構(gòu)建筑的研究。

通訊作者： 王志強(qiáng)， 博士， 副教授， 研究方向： 新型工程木和木結(jié)構(gòu)建筑。

收稿日期： 2018 - 07 - 23

（責(zé)任編輯： 潘啟英）