張延年, 盧 楊, 韓立坤(沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110168)

板層層數(shù)對釘合交錯層積木板軸壓性能的影響

張延年, 盧 楊, 韓立坤
(沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110168)

為研究板層層數(shù)對釘合CLT板軸心受壓性能的影響,分別對3層、5層、7層的足尺釘合CLT板進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn).研究結(jié)果表明,板層層數(shù)與釘合CLT板的破壞程度有關(guān),板層層數(shù)越少,釘合CLT板破壞越嚴(yán)重.板層層數(shù)的不同會影響釘合CLT板的抗壓承載性能和變形能力.隨著板層層數(shù)的增加,釘合CLT板的極限抗壓承載力大大提高,但彈性恢復(fù)能力下降.板層層數(shù)對釘合CLT板的撓曲方向、延性系數(shù)無明顯影響.初始缺陷的存在會改變釘合CLT板的撓曲方向,降低構(gòu)件的延性性能.在設(shè)計(jì)釘合CLT板的過程中,當(dāng)長細(xì)比過大時,應(yīng)考慮增加安全系數(shù)以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全.

釘合CLT板; 板層層數(shù); 受壓性能; 極限抗壓承載力; 彈性回復(fù)能力; 延性系數(shù)

交錯層積木板(Cross-laminated timber,簡稱CLT)是將規(guī)格木板按垂直交錯疊合方式,采用膠將其連接起來的木產(chǎn)品[1].CLT板充分利用了木材順紋抗拉強(qiáng)度高,橫紋抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn).作為一種新型建筑材料的CLT板具有輕質(zhì)高強(qiáng)、雙向力學(xué)性能良好、耐火性能好、環(huán)保節(jié)能、保溫隔熱、舒適耐用、施工方便[2-4]等優(yōu)點(diǎn).

近十年來,CLT板以其優(yōu)越的性能在歐洲、北美、日本、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家得到了迅速發(fā)展,在住宅、公共建筑、景觀園林、橋梁等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5-6].2013年在澳大利亞墨爾本建造了33 m高的10層公寓,成為目前世界上最高的CLT大樓.費(fèi)爾德巴赫行天橋采用CLT橋面板進(jìn)行全橋整體預(yù)制吊裝.在國內(nèi),現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展比較落后,目前尚無CLT獨(dú)立建筑結(jié)構(gòu)工程的案例[7].隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展,綠色節(jié)能建筑產(chǎn)業(yè)的推廣,國內(nèi)專家學(xué)者開始了對CLT板的研究,提出交錯層積木板中的實(shí)木板層之間采用釘連接,可以提高交錯層積木板的承載力和使用壽命[8],解決了膠合CLT板施工復(fù)雜、使用年限低,污染環(huán)境的難題.

國外學(xué)者分析了CLT板(短柱)板層層數(shù)對其抗壓性能的影響[9],以及板層層數(shù)對CLT板彎曲性能的影響[10],對CLT板(長柱)軸心抗壓性能的研究尚未報(bào)道.為此,分別對3層、5層、7層的足尺釘合CLT板(長柱)進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn),分析板層層數(shù)對釘合CLT板的破壞形態(tài)、極限抗壓承載力、延性系數(shù)、彈性回復(fù)能力的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

三個試件的高度均為2 220 mm,分別由3、5、7層實(shí)木板層疊合而成.加工過程中對實(shí)木板層目測分等,保證每組試件內(nèi)外側(cè)實(shí)木板層的強(qiáng)度分別一致[11].實(shí)木板層采用加拿大進(jìn)口云杉-松木-冷杉規(guī)格材,規(guī)格(長×寬×厚)為3 000 mm×184 mm×38 mm,物理性能指標(biāo)見表1.并將其分別加工成豎紋實(shí)木板層、橫紋實(shí)木板層,規(guī)格分別為2 220 mm×184 mm×38 mm、370 mm×184 mm×38 mm.所有釘子均采用螺紋釘,釘子長度為70 mm,直徑為2 mm,由人工通過射釘槍垂直木材表面釘入實(shí)木板層.試件示意圖見圖1.釘子排布滿足最小邊距、端距、中距的要求.釘子布置詳圖見圖2.具體試件參數(shù)見表2,表2中λ為試件的長細(xì)比,試件編號原則為第1、2個字母“ZY”代表軸心受壓;第3個字母代表釘子類型;第4個字母代表試件板層層數(shù);第5個字母代表疊合區(qū)域的釘子個數(shù);第6個字母代表釘子角度;第7個字母代表釘子長度.

表1 SPF規(guī)格材物理特性表Table 1 Physical properties of SPF dimension stock

圖1 試件示意圖Fig.1 Specimen diagram

圖2 釘子布置詳圖Fig.2 Detail of nail arrangement

表2 試件參數(shù)Table 2 Parameters of specimens

1.2 測點(diǎn)布置

在試件有釘、無釘兩側(cè)沿板層高度中央、兩側(cè)1/3處分別粘貼4個標(biāo)距為100 mm的應(yīng)變片(電阻為(120±0.2)Ω,靈敏系數(shù)(2.097±0.100)%,柵長×柵寬為100 mm×3 mm),4個應(yīng)變片分別布置在兩塊豎紋實(shí)木板層的寬度中央及中間板縫的兩側(cè),以測定試件軸向應(yīng)變大小;在試件有釘側(cè)沿試件高度四分點(diǎn)處分別布置三個位移計(jì),量程分別為100 mm和200 mm,以測量試件撓度隨載荷變化情況.

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及加載制度

所有試件加載試驗(yàn)均在沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室5 000 kN液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.所有試件在端部和底部分別設(shè)置保護(hù)鋼套.為了保證試件兩端能夠自由轉(zhuǎn)動,在試件兩端采用球鉸支座進(jìn)行加載.采用DH3818靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.試驗(yàn)加載裝置見圖3.為了減小系統(tǒng)誤差,在正式加載前進(jìn)行預(yù)加載.試驗(yàn)采用連續(xù)均勻加載方式,加載速度為0.02 mm/s.

圖3 試件加載裝置Fig.3 Loading device of test specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)主要結(jié)果如表3所示,表3中Pu為極限載荷,Δm為與Pu對應(yīng)的位移,即極限位移,Δy為屈服位移,取載荷達(dá)到0.8Pu時的位移,Δu為載荷下降到0.8Pu.時的位移,Δz為試件最大位移,Δh為卸載后最小位移,所有位移值均取正值.D為延性系數(shù).Δ為位移恢復(fù)量,即Δ=Δz-Δh,t為卸載后彈性恢復(fù)時間,v為單位時間位移平均恢復(fù)量.

表3 主要試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Main results

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件的初始缺陷,如初始彎曲、加工誤差、釘合時未對試件進(jìn)行加壓導(dǎo)致板縫過大等,都會影響試件的軸心受壓性能,造成試件撓曲方向不確定,承載力下降等.如試件ZYL54-0-70因板縫過大導(dǎo)致試件撓曲方向與其他試件相反,由無釘側(cè)向有釘側(cè)彎曲.若初始缺陷不明顯,可忽略初始缺陷的影響.由于有釘側(cè)釘子植入最外層豎紋實(shí)木板層的深度大,釘子抗拔力大,在軸向壓力作用下,其他兩個試件均由有釘側(cè)向無釘側(cè)彎曲.

表4 試件破壞形態(tài)匯總Table 4 Summary of failure mode of specimen

當(dāng)試件破壞時,各試件的破壞形態(tài)表現(xiàn)出一定的差異.由表4表明,試件ZYL34-0-70的破壞最為嚴(yán)重,受拉側(cè)的兩塊豎紋實(shí)木板層的內(nèi)外兩側(cè)邊緣處均出現(xiàn)順紋劈裂,且其中一塊豎紋實(shí)木板層在高度中央出現(xiàn)彎折;并且受壓側(cè)豎紋實(shí)木板層在高度中央處出現(xiàn)劈裂.試件ZYL54-0-70的受拉側(cè)僅一塊豎紋實(shí)木板層的內(nèi)外兩側(cè)邊緣處出現(xiàn)順紋劈裂,且跨中附近因存在木節(jié)出現(xiàn)彎折破壞;另一塊豎紋實(shí)木板層僅出現(xiàn)細(xì)微裂縫.試件ZYL74-0-70受拉側(cè)的豎紋實(shí)木板層僅在木節(jié)附近出現(xiàn)細(xì)微的裂紋.試件ZYL54-0-70、ZYL74-0-70受壓側(cè)的豎紋實(shí)木板層均未出現(xiàn)纖維被壓潰的現(xiàn)象.試件破壞形態(tài)如圖4a,4b,4c所示.

圖4 破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes

卸載后將試件拆開,觀察試件破壞后釘子變形的情況.三個試件中,每層板層中部均有7%左右的釘子發(fā)生彎曲變形,而其余釘子未發(fā)生明顯的彎曲變形.如圖4d所示,由于螺紋釘?shù)闹車浇哪静陌l(fā)生剪切破壞,部分螺紋釘表面有少量木屑附著.由此表明,在軸心壓力作用下,螺紋釘能夠有效傳遞載荷,實(shí)施有效連接,使各板層之間協(xié)同工作.

為了使對比效果更明顯,將試件ZYL54-0-70的撓度值取正.各試件載荷-位移曲線如圖5所示.由圖5可知,在加載至極限載荷的80%之前,試件ZYL54-0-70處于彈性階段,載荷與位移基本成線性關(guān)系.在加載初期,試件ZYL34-0-70、ZYL74-0-70撓度出現(xiàn)負(fù)值,當(dāng)載荷達(dá)到極限載荷的50%左右時,撓曲方向發(fā)生改變,撓曲變形隨載荷增加呈線性增加,但增加不明顯.隨加載至極限載荷,曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,開始變得平緩,試件進(jìn)入屈服階段,開始出現(xiàn)較明顯的撓曲變形,且撓度增加較快.達(dá)到極限載荷后,撓度增加越來越明顯,裂縫不斷擴(kuò)展延伸,曲線開始下降,在下降至極限載荷的80%左右后,撓度急劇增加,試件發(fā)生破壞.三個試件的曲線在屈服階段、破壞階段的變化規(guī)律基本相同,即隨載荷的增加,撓曲變形增加速度基本一致.

圖5 各試件載荷撓度曲線Fig.5 Load-deformation curves of specimens

試件載荷與跨中應(yīng)變的關(guān)系如圖6所示,由圖6可知,在加載初期,曲線基本為直線,試件處于彈性階段.試件ZYL74-0-70受拉側(cè)處于受壓狀態(tài),壓應(yīng)變隨載荷增加較明顯.其他兩個試件受拉側(cè)均處于受拉狀態(tài),但拉應(yīng)變增加不明顯.試件ZYL34-0-70受壓側(cè)在加載初期處于受拉狀態(tài),拉應(yīng)變隨載荷增大略有增加.其他兩個試件受壓側(cè)均處于受壓狀態(tài),試件ZYL74-0-70壓應(yīng)變隨載荷增加最不明顯,當(dāng)載荷達(dá)到300 kN左右之前,拉壓兩側(cè)曲線重合,隨載荷增加,兩條曲線開始出現(xiàn)分叉,受拉側(cè)的壓應(yīng)變開始減小.試件ZYL54-0-70從加載初始拉壓兩側(cè)曲線就出現(xiàn)分叉.試件ZYL34-0-70拉壓兩側(cè)曲線重合,兩側(cè)拉應(yīng)變變化規(guī)律相同.當(dāng)載荷達(dá)到極限載荷的80%左右后,隨載荷增加至極限載荷,拉壓應(yīng)變值增加較快,試件處于屈服階段.三個試件受拉側(cè)的拉應(yīng)變增加速度基本一致.試件ZYL34-0-70受壓側(cè)拉應(yīng)變減小至零,壓應(yīng)變隨載荷增加不斷增加.其他兩個試件受壓側(cè)壓應(yīng)變變化速度基本相同.當(dāng)載荷達(dá)到極限載荷后,應(yīng)變值增加顯著,試件發(fā)生破壞.試件ZYL54-0-70、ZYL74-0-70受拉側(cè)拉應(yīng)變變化規(guī)律基本相同,但試件ZYL74-0-70受壓側(cè)壓應(yīng)變隨載荷下降變化速度較快.試件ZYL34-0-70由于長細(xì)比較大,拉壓應(yīng)變值增加速度最快.

圖6 各試件載荷應(yīng)變曲線Fig.6 Load-strain curves of specimens

2.4 承載力

試件ZYL34-0-70、ZYL54-0-70、ZYL74-0-70板層層數(shù)分別為3層、5層、7層,不同的板層層數(shù)對釘合CLT板的抗壓性能影響不同,因此研究板層層數(shù)對承載力的影響具有重要的意義.

由表3表明,三個試件中,試件ZYL34-0-70的極限載荷最小.試件ZYL54-0-70與試件ZYL34-0-70相比,長細(xì)比減小了39.7%,但其極限載荷提高了51.2%.試件ZYL74-0-70的長細(xì)比最小,與試件ZYL34-0-70相比,減小了57.2%,但其極限載荷最大,提高了129.3%.由此表明,板層層數(shù)的增加會減小試件的長細(xì)比,增大試件的穩(wěn)定系數(shù),從而提高試件的抗壓承載能力.

2.5 延性系數(shù)

為研究釘合CLT板進(jìn)入破壞階段以后在承載力沒有顯著下降的情況下承受變形的能力,根據(jù)式(1)計(jì)算構(gòu)件的位移延性系數(shù),計(jì)算結(jié)果見表3.

由表3可知,試件ZYL34-0-70的延性系數(shù)最大,試件ZYL74-0-70次之,但兩者相差不大,與試件ZYL54-0-70相比,分別提高了400.1%、348.7%.這兩個試件在加載初始階段,撓曲方向發(fā)生改變,試件產(chǎn)生的屈服位移較小,所以延性系數(shù)較大.試件ZYL54-0-70由于存在初始缺陷,在整個加載過程中試件的撓曲方向始終是由無釘側(cè)向有釘側(cè)撓曲,產(chǎn)生的屈服位移較大,因此延性系數(shù)最小.由此表明,試件板層層數(shù)對試件延性系數(shù)幾乎沒有影響.但板縫過大等存在的初始缺陷會減小試件的延性系數(shù),降低試件抵抗變形的能力.

2.6 彈性恢復(fù)能力

試件破壞后,為避免發(fā)生斷裂,立即進(jìn)行卸載,三個試件的變形均有回彈現(xiàn)象,能恢復(fù)大部分撓曲變形.由表3表明,與試件ZYL34-0-70相比,試件ZYL74-0-70恢復(fù)所用的時間略有提高,因此卸載后試件單位時間內(nèi)撓度變化量有所下降.三個試件中,試件ZYL54-0-70產(chǎn)生的最大變形、撓度恢復(fù)量最低,單位時間內(nèi)撓度變化量比試件ZYL34-0-70降低了26.2%.由此表明,初始缺陷的存在會降低試件產(chǎn)生的最大變形量和彈性恢復(fù)量.增加試件板層層數(shù),即減小試件的長細(xì)比,會增加彈性恢復(fù)所用時間,降低彈性恢復(fù)速度,使彈性恢復(fù)能力有所下降.

3 承載力計(jì)算分析

根據(jù)GB 50005—2012《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定,軸心受壓構(gòu)件按穩(wěn)定驗(yàn)算承載力計(jì)算,如式(2)、式(3)所示,并且構(gòu)件應(yīng)符合以下假定:釘合CLT板木材材料均勻,釘連接有效,各板層受力后協(xié)調(diào)變形,視為整體進(jìn)行計(jì)算.

當(dāng)樹種強(qiáng)度等級為TC11時按式(2)計(jì)算穩(wěn)定系數(shù):

受壓構(gòu)件承載力由式(3)可得.

式中:F為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定控制下的承載力(N);fc為木材順紋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa).

參照《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,木材順紋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為10 MPa,試件計(jì)算長度為2 220 mm,由式(2)、式(3)計(jì)算可得試件ZYL34-0-70、ZYL54-0-70、ZYL74-0-70的抗壓承載力計(jì)算值F分別為203.1、503.8、819.2 kN.通過比較試驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果,試件ZYL34-0-70的試驗(yàn)極限抗壓承載力Pu高于承載力計(jì)算值22.0%,但試件ZYL54-0-70、ZYL74-0-70的試驗(yàn)極限抗壓承載力Pu分別低于承載力計(jì)算值25.6%、30.7%,因此,當(dāng)長細(xì)比較小時,按《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算釘合CLT板軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性是偏安全的.但當(dāng)長細(xì)比過大時,根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的整體穩(wěn)定性是不安全的,建議對于軸心作用下的釘合CLT板在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)合理增加安全系數(shù)以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全.

4 結(jié) 語

(1) 試驗(yàn)結(jié)果表明,在軸心壓力作用下,板層層數(shù)對釘合CLT板的撓曲方向沒有影響,均由無釘側(cè)向有釘側(cè)撓曲.但初始缺陷的存在會改變構(gòu)件的撓曲方向.破壞形態(tài)表明,板層層數(shù)的增加會大大降低釘合CLT板的破壞程度.

(2) 隨著板層層數(shù)的增加,釘合CLT板的抗壓承載性能提高.增加板層層數(shù)會降低構(gòu)件的長細(xì)比,增大穩(wěn)定系數(shù),從而提高釘合CLT板的極限抗壓承載力.

(3) 板層層數(shù)對釘合CLT板的延性系數(shù)幾乎沒有影響,但板縫過大等初始缺陷會使構(gòu)件的延性系數(shù)有所減小,降低構(gòu)件抵抗變形的能力.隨著板層層數(shù)的增加,釘合CLT板的彈性恢復(fù)速度降低,彈性恢復(fù)能力下降.

(4) 軸心作用下的釘合CLT板在設(shè)計(jì)過程中,當(dāng)長細(xì)比過大時,應(yīng)考慮增加安全系數(shù),以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全.

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【責(zé)任編輯: 趙 炬】

Impacts of Layer Number on Compression Performance of Stapling Cross-Laminated Timber

ZhangYannian,LuYang,HanLikun

(School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168,China)

In order to study the impacts of layer number on compression performance of stapling CLT panels, 3full-scale stapling CLT panels with three layers, five layers and seven layers were tested under axial compression load. The results show that layer number is related to damage degree of stapling CLT panels. The less the number of layers, the more serious the CLT panels; the number of layers can affect compression bearing capacity and deformation capacity of stapling CLT panels. With the increase of layer number, the ultimate compression bearing capacity of CLT panels is greatly improved, but the elastic recovery ability decreases. The layer number has no significant influence on the bending direction and ductility coefficient of CLT panels. The existence of initial defects will change the bending direction of the CLT panels, and reduce the ductility of the member. In the process of designing the CLT panels, the safety factor should be considered to ensure the safety of the structure design when the slenderness ratio is too big.

stapling CLT panels; layer number; compression performance; ultimate compression bearing capacity; elastic recovery ability; ductility coefficient

2016-11-01

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(LR2014015); “百千萬人才工程”人選項(xiàng)目擇優(yōu)資助項(xiàng)目(2014921046); 沈陽市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會科技項(xiàng)目(SJW2015-14).

張延年(1976-),男,遼寧葫蘆島人,沈陽建筑大學(xué)教授,博士.

2095-5456(2017)01-0043-06

TU 366

A