正交膠合木滾動(dòng)剪切性能研究進(jìn)展

丁文勝，劉佳賓，袁龍飛，許清風(fēng)，于明昊，向家良

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，上海 201418；2.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032)

正交膠合木(cross-laminated timber,CLT)是指以厚度為15～45 mm的層板相互疊層正交組坯后膠合而成的木制品[1]。最早于20世紀(jì)90年代在奧地利和德國被作為建筑材料開發(fā)出來[2]，CLT輕質(zhì)高強(qiáng)，可充分發(fā)揮木材強(qiáng)重比高的優(yōu)勢，易實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，建造周期短，并且抗震、隔音以及保溫和防火性能好，同時(shí)舒適美觀[3-4]，國內(nèi)CLT的研究及應(yīng)用均處于起步階段。木材是一種正交各向異性材料，木材有3個(gè)主軸方向，即縱向、徑向及弦向(圖1)。木材剪切應(yīng)力包括順紋剪切應(yīng)力、垂直剪切應(yīng)力以及滾動(dòng)剪切應(yīng)力，CLT 力學(xué)性能中滾動(dòng)剪切是剪切應(yīng)力引起鋸材在其橫切面產(chǎn)生的剪切應(yīng)變[5](圖2)。剪切應(yīng)力的產(chǎn)生會(huì)影響CLT板的整體撓度變化及力學(xué)性能，這使得CLT滾動(dòng)剪切性能在CLT的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用中十分重要。

隨著CLT板材加工技術(shù)的日益成熟，目前國內(nèi)外學(xué)者對CLT滾動(dòng)剪切的影響因素、CLT滾動(dòng)剪切測試方法，CLT滾動(dòng)剪切數(shù)值模擬以及破壞模式做了大量研究，本文針對CLT滾動(dòng)剪切性能以上4個(gè)方面研究進(jìn)行分析總結(jié)，并對未來CLT滾動(dòng)剪切性能的研究進(jìn)行展望。

1 CLT滾動(dòng)剪切性能研究影響因素

CLT在制備工藝過程中的不同工藝參數(shù)會(huì)影響其滾動(dòng)剪切性能。CLT加工過程包括材料選擇、材料表面刨光、切割、施膠、組坯、壓制、后期處理，依據(jù)CLT的制備工藝過程將影響因素主要分為3類：一是木材層板材質(zhì)，如針葉材與闊葉材、早材與晚材、木材自身缺陷等；二是構(gòu)造特征，如年輪走向、髓心距離、CLT層板的厚度、寬厚比及跨高比等宏觀構(gòu)造特征；三是加工工藝，如加壓壓力、膠黏劑、施膠量等。

1.1 木材層板材質(zhì)

由于木材的剪切強(qiáng)度會(huì)受生長應(yīng)力或水分變化引起的裂縫以及其他缺陷所影響，如花旗松(Pseudotsuga)沿切向和徑向的收縮率分別為4.9%和2.8%，收縮率的差異會(huì)導(dǎo)致形成更多的干燥裂縫，這些干燥裂縫會(huì)降低剪切強(qiáng)度；花旗松早材和晚材的平均密度為 300 kg·m-3和690 kg·m-3，其早材密度較低以及早材和晚材之間較高的不均勻性也會(huì)使剪切強(qiáng)度較低[6]。研究表明，CLT中不同層板采用的木材單一或多種對其滾動(dòng)剪切性能有顯著影響，部分闊葉材制備CLT的滾動(dòng)剪切性能比針葉材更好。T.Ehrhartetal[7]以云杉(Piceaabies)為參照，研究闊葉材松木(Pinussylvestris)、楊木(Populusspp.)、樺木(Betulapendula)、山毛櫸(Fagussylytica)和白蠟?zāi)?Fraxinusexcelsior)制備的CLT板滾動(dòng)剪切性能，發(fā)現(xiàn)這些闊葉材相較云杉滾動(dòng)剪切性能更優(yōu)。M.Gongetal[8]使用壓縮剪切測試方法測試針葉材黑云杉(Piceamariana)和闊葉材黃樺木(Betulaalleghaniensis)、白楊木(Betulapapyrifera)的滾動(dòng)剪切性能，結(jié)果表明采用闊葉材(黃樺木和白楊木)制備CLT試件可以顯著提高CLT的滾動(dòng)剪切性能，2種闊葉材的平均滾動(dòng)剪切模量和滾動(dòng)剪切強(qiáng)度分別為180 MPa和3.00 MPa。M.Lietal[9]測試了輻射松(Pinusradiata)和花旗松的滾動(dòng)剪切性能，表明闊葉材輻射松的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度高于針葉材花旗松。根據(jù)這些學(xué)者的研究表明部分闊葉材具有更優(yōu)滾動(dòng)剪切性能，由于闊葉材相對針葉材的晚材率高，強(qiáng)度高，闊葉材也稱硬木。傳統(tǒng)的CLT板基本由針葉材制成[10]，闊葉材將來可以廣泛應(yīng)用于CLT的制造。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，木材供應(yīng)需求日趨增加，國內(nèi)豐富的人工林木材資源成為替代進(jìn)口優(yōu)質(zhì)木材資源的有效措施[11]。現(xiàn)已有學(xué)者研究了速生木材的滾動(dòng)剪切性能。王志強(qiáng)等[12]研究發(fā)現(xiàn)普通速生楊木(Populuseuramericana)和改性速生楊木的滾動(dòng)剪切性能與SPF相比都更好，可以將其作為CLT的橫向?qū)硬牧蟻砀纳艭LT的滾動(dòng)剪切性能。T.Guietal[13]使用壓縮剪切測試方法，測得國產(chǎn)速生桉木(Eucalyptusspp.)比SPF具有更高的滾動(dòng)剪切模量和強(qiáng)度，在CLT的制備中，采用速生桉木作橫向?qū)涌梢燥@著提高其滾動(dòng)剪切性能。

1.2 構(gòu)造特征

(1)

D.Yawalataetal[15]、K.Sikoraetal[16]研究CLT板層厚度對CLT滾動(dòng)剪切強(qiáng)度影響，發(fā)現(xiàn)在CLT層數(shù)相同的情況下，隨著試件厚度的增大，滾動(dòng)剪切強(qiáng)度會(huì)減小。Z.Wangetal[17]研究發(fā)現(xiàn)含有髓心的木材制成CLT的滾動(dòng)剪切性能較差，鋸材選取部位里髓心越遠(yuǎn)滾動(dòng)剪切性能越好(圖3中的F區(qū))。這是由于髓心位于樹干中心，其組織松軟，強(qiáng)度低并且易開裂。M.Li[18]、T.Guietal[13]研究認(rèn)為，CLT寬厚比對滾動(dòng)剪切性能影響顯著，隨著寬厚比的增大，滾動(dòng)剪切模量和強(qiáng)度都增大。

1.3 加工工藝

CLT制備過程中組坯方式、加壓壓力、膠黏劑等加工工藝方面也會(huì)引起CLT滾動(dòng)剪切性能的變化。C.O’Ceallaighetal[19]等測試了CLT橫向?qū)咏M坯方向的CLT試件，發(fā)現(xiàn)層板斜45°組坯的CLT板的滾動(dòng)剪切性能比層板正交組坯的更好，滾動(dòng)剪切強(qiáng)度和滾動(dòng)剪切模量數(shù)值有提高。D.Yawalataetal[15]研究不同施加壓力大小下CLT滾動(dòng)剪切強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)0.1 MPa壓力下比0.4 MPa壓力下的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度小。由于考慮到成本以及木材橫紋變形大等因素，一般CLT產(chǎn)品中鋸材同一層相鄰鋸材側(cè)面沒有膠合，相鄰鋸材之間都會(huì)存在縫隙[20]。Z.Wangetal[21]對CLT橫向?qū)娱g無間隙、2 mm、4 mm、6 mm與側(cè)向膠黏進(jìn)行了滾動(dòng)剪切性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)側(cè)面膠合和間隙尺寸對CLT滾動(dòng)剪切強(qiáng)度有明顯影響，隨著橫向?qū)娱g間隙越大，其滾動(dòng)剪切強(qiáng)度越小。

2 CLT滾動(dòng)剪切性能測試方法

目前，CLT滾動(dòng)剪切性能的常用測試方法見表1，主要可分為壓縮剪切測試方法和彎曲剪切測試方法。壓縮剪切試驗(yàn)?zāi)軌虻玫綆缀酢凹儭奔魬?yīng)力，但壓縮剪切試驗(yàn)得到的試件可能出現(xiàn)不同加載模式的疊加。彎曲剪切測試方法的試件破壞模式更接近于CLT的實(shí)際情況，但是存在二次應(yīng)力。N.Ayrilmisetal[22]研究發(fā)現(xiàn)彎曲剪切測試方法比壓縮剪切測試方法得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。Q.Zhouetal[23]、G.Ruanetal[24]通過彎曲剪切測試方法和壓縮剪切測試方法對比這2種方法對CLT試件的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度和滾動(dòng)剪切模量的區(qū)別，結(jié)果表明壓縮剪切測試法所得結(jié)果低于彎曲剪切測試方法的試驗(yàn)結(jié)果，造成差異的原因分析是彎曲剪切試件測試區(qū)域的相鄰部分能夠承受剪切載荷，而壓縮剪切試驗(yàn)中的試件尺寸較小，只有試驗(yàn)區(qū)域部分承受載荷。

表1 CLT滾動(dòng)剪切測試方法Table 1 CLT Rolling Shear Test Methods

2.1 壓縮剪切測試方法

壓縮剪切測試方法最初是將木材置于2個(gè)鋼板之間進(jìn)行測試，標(biāo)準(zhǔn)包括EN789[25]、EN408[26]以及ASTM D2718[27]，但因?yàn)檫@類方法很難研究密度、鋸切方式等方面對CLT滾動(dòng)剪切性能的影響，進(jìn)而改進(jìn)，將2個(gè)鋼板替換為木材，3層皆為木材，標(biāo)準(zhǔn)有根據(jù)EN 408壓縮剪切測試方法改進(jìn)的EN 16351[28]以及P.Fellmoseretal[5]和M.Gongetal[18]根據(jù)ASTM D2718測試方法改進(jìn)為三層夾心結(jié)構(gòu)測試方法。

5種測試方式裝置不同、材料尺寸不同，加載角度等存在區(qū)別，其測試裝置見圖4。試件的尺寸要求不同，EN789規(guī)定試件的寬度應(yīng)為(100±1)mm，長度應(yīng)為(225±1)mm；EN408要求試件長度為(300±2)mm，寬度為(32±1)mm，高度為(55±1)mm；ASTM D2718則允許不同的尺寸；EN 16351的測試方法要求試件寬度大于等于100 mm。除此之外，它們的加載角度規(guī)定也有區(qū)別，規(guī)定加載角度是為了避免出現(xiàn)偏心荷載(偏心荷載會(huì)使CLT在滾動(dòng)剪應(yīng)力的基礎(chǔ)上產(chǎn)生橫向應(yīng)力)。EN789給定角度范圍8°～25°，EN408規(guī)定載荷方向與試件縱軸夾角應(yīng)為14°，ASTM D2718則規(guī)定最小的角度為3°～5°，EN 16351采用加載角度α=14°，三層夾心結(jié)構(gòu)測試方法的角度由(2)式計(jì)算所得。

(2)

式中：α為試件加載時(shí)的傾斜角度；L為試件長度；tcross為試件橫向?qū)拥暮穸龋籺0為試件外層厚度。

在壓縮剪切測試方法中，材料的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度以及滾動(dòng)剪切模量分別由(3)式和(4)式計(jì)算。

(3)

(4)

2.2 彎曲剪切測試方法

彎曲剪切測試方法包括ASTM D2718中的五點(diǎn)彎曲測試方法、EN 16351彎曲剪切測試方法和ASTM D198[29]三點(diǎn)彎曲測試方法。EN 16351中的彎曲剪切測試方法是根據(jù)EN408的抗彎性能測試方法制定，更能真實(shí)測試CLT橫向?qū)拥臐L動(dòng)剪切性能。EN408中抗彎性能試驗(yàn)要求的跨度為l=18h±3h，為了避免CLT最外層過早發(fā)生彎曲破壞，將跨高比減小為12來測CLT橫向?qū)訚L動(dòng)剪切強(qiáng)度和模量，跨高比為9的試件測得滾動(dòng)剪切強(qiáng)度(圖5)。

(5)

(6)

3 CLT滾動(dòng)剪切性能破壞模式

當(dāng)CLT板受到垂直的荷載時(shí)，因?yàn)槟静牡脑绮暮屯聿目辜魬?yīng)力的大小不同，所以早晚材邊界處會(huì)形成年輪摩擦面，這使得木纖維在單層內(nèi)滾動(dòng)，最后發(fā)生剪切變形[30]。不同類型的試件在滾動(dòng)剪切性能測試試驗(yàn)過程中會(huì)出現(xiàn)多種破壞模式[12]，大量試驗(yàn)研究表明：CLT滾動(dòng)剪切破壞有4種模式，即沿木射線方向發(fā)生破壞、沿年輪方向發(fā)生破壞、沿年輪和木射線方向同時(shí)發(fā)生破壞、膠層破壞(圖8)。

X.Nie[31]指出CLT橫向?qū)拥某跏计茐氖怯蓾L動(dòng)剪切應(yīng)力或橫紋拉力導(dǎo)致的，并且發(fā)現(xiàn)橫向?qū)拥哪贻喨∠蚺c破壞模式有關(guān)。Z.Wangetal[17]研究總結(jié)導(dǎo)致CLT材料發(fā)生滾動(dòng)剪切破壞的情況多出現(xiàn)在橫切面早、晚材交界處、木射線和髓心等力學(xué)性能薄弱處。這是由于早材材質(zhì)疏松松軟，細(xì)胞腔較大壁較??；而晚材材質(zhì)硬，細(xì)胞腔小壁厚，使得木材橫紋受剪時(shí)，易發(fā)生滾動(dòng)剪切破壞。另外木射線由射線薄壁細(xì)胞組成，屬于薄壁組織，容易發(fā)生剪切破壞，髓心強(qiáng)度低也極易開裂。將來可根據(jù)CLT滾動(dòng)剪切破壞模式深入研究如何提高CLT板滾動(dòng)剪切性能。

4 CLT滾動(dòng)剪切性能數(shù)值模擬

滾動(dòng)剪切性能試驗(yàn)消耗木材較大，并且CLT的成本高，越來越多的學(xué)者采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行建模分析。由于試驗(yàn)影響因素較多，試驗(yàn)結(jié)果存在一定的不確定性，針對主要控制因素展開數(shù)值模擬[32]。一般將木材簡化為均勻連續(xù)的正交各向異性材料，木材采用C3D8R單元(8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元)，膠層采用膠黏單元進(jìn)行模擬，膠黏單元失效模式一般基于牽引分離模型，CLT每層木材按照木紋的方向建立局部坐標(biāo)系。木材的本構(gòu)關(guān)系選用為彈塑性模型或彈塑性損傷模型，彈性階段將木材看作正交各向異性彈性材料；木材的非線性受力行為則采用Hill屈服準(zhǔn)則[33]和理想彈塑性模型[34],木材在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下的破壞準(zhǔn)則采用修正后Hashin破壞準(zhǔn)則[35]。T.Ehrhartetal[36]利用有限元分析得到試件受力時(shí)的正應(yīng)力與剪應(yīng)力分布情況(圖9)。M.Li[37]為了進(jìn)一步研究測試方法對CLT滾動(dòng)剪切性能的影響，建立了線彈性模型進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果的應(yīng)力分布與試驗(yàn)觀察結(jié)果吻合較好。E.I.S.Floresetal[38]對輻射松制成的CLT板做了關(guān)于橫向?qū)涌p隙、木材密度和跨高比對滾動(dòng)剪切性能影響的多項(xiàng)測試，數(shù)值預(yù)測表明，如果不考慮橫向?qū)娱g的膠粘，極限荷載會(huì)減少40%；木材密度增加37.5%時(shí)，發(fā)現(xiàn)極限荷載增加21%；將跨高比增加2.5倍時(shí)，極限荷載降低50%，其數(shù)值預(yù)測和試驗(yàn)結(jié)果之間發(fā)現(xiàn)了很好的一致性，驗(yàn)證了有限元建模方法的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

CLT是一種新型工程木，當(dāng)受到平面外荷載作用時(shí)，CLT滾動(dòng)剪切強(qiáng)度較小，其滾動(dòng)剪切性能會(huì)影響到CLT整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所以準(zhǔn)確評(píng)估并提高滾動(dòng)剪切強(qiáng)度尤為重要。本文介紹和分析了CLT滾動(dòng)剪切性能的研究現(xiàn)狀，對CLT滾動(dòng)剪切性能的關(guān)鍵問題，即影響因素、測試方法、破壞模式和數(shù)值模擬的研究進(jìn)展和研究成果進(jìn)行了綜述，概述并指出不足：CLT在制備工藝過程中的不同情況都會(huì)影響其滾動(dòng)剪切性能，根據(jù)CLT制備工藝過程將影響因素分為3類，影響因素還需全面分析研究；CLT滾動(dòng)剪切的測試方法較多，為便于工程應(yīng)用，測試方法有待規(guī)范統(tǒng)一；CLT滾動(dòng)剪切破壞模式有4種，可依據(jù)破壞模式研究提高正交膠合木滾動(dòng)剪切性能的方法；數(shù)值模擬方法是分析CLT滾動(dòng)剪切行為有效的工具，數(shù)值模擬精度有待提高，以期能夠推進(jìn)CLT在我國木結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的完善。