盧 堯，李敏敏，王 正*，高子震，王建和

(1.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.寧波中加低碳新技術(shù)研究院，浙江 寧波 315600)

木材作為一種歷史悠久的可再生天然材料，廣泛應(yīng)用于木材工業(yè)的各個(gè)方面。由于木材受其各向異性以及各種缺陷因素制約，各項(xiàng)力學(xué)性能均存在較大的變異性和不確定性。因此，木材作為建筑材料應(yīng)用于工程領(lǐng)域時(shí)，必須首先對(duì)其進(jìn)行材質(zhì)應(yīng)力分等，以確保所用木材的各項(xiàng)力學(xué)性能滿足工程質(zhì)量需求。正交膠合木(CLT)則成為了建筑材料領(lǐng)域的新寵。目前，CLT通常采用工廠預(yù)制的方式進(jìn)行生產(chǎn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要在工廠進(jìn)行精確的加工，例如：在CLT生產(chǎn)的流水線上進(jìn)行窗或門的裁切和加工。這種生產(chǎn)方式極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)施工的效率，降低了施工的成本，減小了施工現(xiàn)場(chǎng)粉塵和噪音等污染。在中高層建筑中，高層建筑工廠預(yù)制和簡(jiǎn)單快捷的安裝方法使得建筑的施工時(shí)間大大縮短，這是CLT應(yīng)用于建筑的主要優(yōu)勢(shì)之一[1-4]。上世紀(jì)90年代，歐洲的德國(guó)和奧地利率先開始了對(duì)CLT的研究和推廣工作。迄今，CLT在歐洲已廣泛用于中高層民用和非民用建筑。近年來，加拿大、美國(guó)和日本等國(guó)家也先后開始了對(duì)CLT板乃至CLT建筑的研究與應(yīng)用，并取得了階段性的豐碩成果。目前，歐洲和加拿大地區(qū)已對(duì)CLT進(jìn)行了相對(duì)成熟的系統(tǒng)研究，特別是對(duì)CLT力學(xué)性能和在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的研究做了大量工作。另外，在臨時(shí)道路、城市化交通建設(shè)中的應(yīng)用和CLT板的環(huán)境特性等方面，也有相關(guān)的工程實(shí)例和試驗(yàn)研究成果[5]。加拿大FPInnovation公司對(duì)以加拿大SPF為基材的CLT的加工工藝和各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了相應(yīng)的系統(tǒng)的研究，并于2012年出版了《CLT手冊(cè)》。這其中包括CLT板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算、生產(chǎn)加工及各項(xiàng)工藝參數(shù)、各項(xiàng)力學(xué)性能的預(yù)測(cè)計(jì)算和測(cè)試方法、環(huán)境特性以及CLT建筑的抗震性能、防火性能等各個(gè)方面技術(shù)內(nèi)容[6]。奧地利TUG大學(xué)木材材料實(shí)驗(yàn)室Bogensperger等人對(duì)CLT板的面內(nèi)剪切強(qiáng)度和剪切剛度進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果表明，CLT彎曲和面內(nèi)剪切性能優(yōu)于傳統(tǒng)層板膠合木產(chǎn)品[7]。加拿大UBC大學(xué)對(duì)CLT板的彎曲性能和連接件的結(jié)構(gòu)性能開展了專項(xiàng)研究。研究表明，CLT在受到彎曲載荷時(shí)，其抗彎性能受木材密度、膠合強(qiáng)度以及木材橫紋剪切強(qiáng)度等因素的影響[8]。加拿大UNB大學(xué)Chui[9]等通過橫向振動(dòng)法，對(duì)CLT板的主強(qiáng)度方向和次強(qiáng)度方向上的彎曲彈性模量及其面內(nèi)剪切模量進(jìn)行了測(cè)試研究，創(chuàng)立了一種可用于CLT線上質(zhì)量分等的無(wú)損檢測(cè)方法。但歐洲、加拿大學(xué)者的對(duì)CLT的研究多集中于歐洲赤松、SPF、云杉等樹種。針對(duì)加拿大西部鐵杉作為基材的研究工作則相對(duì)較少，并沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的測(cè)試和分析。加拿大西部鐵杉廣泛生長(zhǎng)于加拿大BC省沿海林區(qū)，資源豐富。在制備CLT時(shí)，相較于SPF等樹種，鐵杉木材與其有著相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝方法，但鐵杉木材還具有有效彎曲剛度、抗彎強(qiáng)度和振動(dòng)性能等力學(xué)性能較高，價(jià)格低廉等性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。據(jù)上海木材交易中心數(shù)據(jù)顯示，加拿大鐵杉Ⅱ級(jí)規(guī)格材相較于相同等級(jí)SPF，價(jià)格較低10%左右。然而，西部鐵杉目前大多應(yīng)用于造紙、膠合板生產(chǎn)等低附加值產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，其價(jià)值尚未得到充分體現(xiàn)[10]。鑒于此，文中對(duì)由我國(guó)寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司生產(chǎn)的足尺鐵杉CLT板進(jìn)行了單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其性能計(jì)算分析。通過運(yùn)用機(jī)械組合梁理論對(duì)鐵杉CLT板的有效彎曲剛度和彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)其在實(shí)際工程應(yīng)用中的撓度、所承受的彎矩和振動(dòng)固有頻率等結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究。研究表明，2個(gè)等級(jí)的鐵杉CLT有效彎曲剛度、抗彎強(qiáng)度和振動(dòng)性能等結(jié)構(gòu)力學(xué)性能均滿足實(shí)際工程應(yīng)用需要。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

文中CLT以跨度為4 m的2層CLT示范建筑房為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。因此所用的CLT板采用3層單元結(jié)構(gòu)，每層單元厚度為35 mm，分為等級(jí)Ⅰ和等級(jí)Ⅱ2個(gè)性能等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別用于示范建筑的墻板和樓板；所設(shè)計(jì)CLT成板尺寸為5 500 mm×1 200 mm×105 mm，其單元結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 3層CLT板結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)本CLT 2層示范建筑房實(shí)際工程需要，從各等級(jí)鐵杉規(guī)格材中隨機(jī)挑選分別用于各等級(jí)CLT的加工和制造，其中等級(jí)1(制造樓板用)和等級(jí)2(制造墻體用)CLT各3塊。挑選完成后，采用橫向振動(dòng)法對(duì)鐵杉規(guī)格材的彈性模量進(jìn)行測(cè)試，得到各CLT板材所用的鐵杉規(guī)格材性能指標(biāo)如表1所示[4]。測(cè)試完成后，在本批次鐵杉規(guī)格材中隨機(jī)抽取15根樣本，采用橫向振動(dòng)法對(duì)其橫紋剪切模量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示[11]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 鐵杉CLT板彎曲性能預(yù)測(cè)方法 在計(jì)算CLT有效抗彎剛度時(shí)，依據(jù)機(jī)械組合梁理論，將垂直層單元簡(jiǎn)化為連接上下2層平行層的界面，并且在實(shí)際計(jì)算時(shí)將橫向剪切效應(yīng)的影響考慮在內(nèi)，更符合實(shí)際工程應(yīng)用中的CLT受力條件。將CLT橫向剪切效應(yīng)考慮在內(nèi)后，其有效彎曲剛度與單元鋸材彈性模量的關(guān)系符合式(1)[6]。加拿大UNB大學(xué)周建徽等人針對(duì)此計(jì)算方法應(yīng)用于CLT性能預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和驗(yàn)證，確定了此方法的準(zhǔn)確性[12]。

表1 CLT所用鐵杉規(guī)格材性能參數(shù)

表2 鐵杉橫紋剪切模量測(cè)試結(jié)果

(1)

式中，EIeff為CLT有效彎曲剛度預(yù)測(cè)值(N·mm2)；Ei為平行層鐵杉規(guī)格材彈性模量(MPa)；Ai為CLT單層截面積(mm2)；Ii為CLT單層截面矩(mm3)；n為CLT單元層數(shù)；ai為平行層厚度的1/2與垂直層厚度的1/2之和，即為單元厚度；γi為橫紋剪切模量的相關(guān)系數(shù)，其具體關(guān)系式符合式(2)。

(2)

式中，l為CLT跨度(mm)；b為CLT寬度(mm)；h位CLT單元厚度(mm)；GR為鐵杉規(guī)格材橫紋剪切模量(MPa)。

圖2 3層結(jié)構(gòu)CLT截面示意圖

依據(jù)加拿大木結(jié)構(gòu)規(guī)范CSA O86所規(guī)定的相關(guān)木結(jié)構(gòu)規(guī)格材抗彎強(qiáng)度特征值，本文中等級(jí)Ⅱ鐵杉規(guī)格材抗彎強(qiáng)度特征值取23.9 MPa，等級(jí)Ⅲ鐵杉規(guī)格材抗彎強(qiáng)度特征值取34.7 MPa[13]。CLT跨度取4 m，寬度取1 m。根據(jù)相關(guān)理論，CLT抗彎強(qiáng)度性能與其平行層鐵杉基材的關(guān)系符合式(3)。

(3)

式中，Mr為CLT板所允許承受的最大彎矩(kN/m)；Fb為鐵杉規(guī)格材彎曲強(qiáng)度特征值(MPa)；Ieff為CLT有效截面矩(m3)；φ=0.9。

1.2.2 鐵杉CLT板結(jié)構(gòu)性能預(yù)測(cè)方法 依據(jù)實(shí)際工程中的樓板的應(yīng)用情況，在計(jì)算實(shí)際工程應(yīng)用中CLT的最大撓度時(shí)，將CLT簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁模型，因此CLT在實(shí)際工程應(yīng)用中，其彎曲撓度值與載荷的關(guān)系符合式(4)[14]。

(4)

式中，Δ為實(shí)際工程應(yīng)用中CLT撓度值(mm)；P為實(shí)際工程應(yīng)用中單位長(zhǎng)度CLT所承受的載荷值(kN·m)；L為實(shí)際工程應(yīng)用中CLT的跨度(mm)；EIeff為CLT有效彎曲剛度預(yù)測(cè)值(N·mm)。

依據(jù)實(shí)際工程中的樓板的應(yīng)用情況，在計(jì)算實(shí)際工程應(yīng)用中CLT所承受的最大彎矩時(shí)，將CLT簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁模型。因此CLT所承受的最大彎矩與載荷的關(guān)系符合式(5)[15]。

(5)

式中，Mmax為實(shí)際工程應(yīng)用中CLT的最大彎矩(kN·m)；P為實(shí)際工程應(yīng)用中CLT所承受的載荷值(kN)；L為實(shí)際工程應(yīng)用中CLT的跨度(mm)。

CLT在實(shí)際工程應(yīng)用中，其振動(dòng)性能是表征樓板穩(wěn)定性的重要性能之一。目前，國(guó)外一般通過對(duì)CLT振動(dòng)固有頻率值來評(píng)價(jià)CLT的振動(dòng)性能。依據(jù)實(shí)際工程中的樓板的應(yīng)用情況，在計(jì)算CLT振動(dòng)固有頻率時(shí)，將CLT簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支板模型。因此CLT的振動(dòng)固有頻率與CLT的有效抗彎剛度的關(guān)系符合式(6)[16-17]。

(6)

式中，f為實(shí)際工程應(yīng)用中CLT的振動(dòng)固有頻率值(Hz)；l為實(shí)際工程應(yīng)用中CLT的跨度(mm)；ρ為CLT的密度(kg/m3)；EIeff為CLT有效彎曲剛度值(N·m2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵杉CLT板的抗彎性能預(yù)測(cè)結(jié)果與分析

對(duì)鐵杉CLT板的結(jié)構(gòu)性能預(yù)測(cè)計(jì)算中，其鋸材彈性模量取表1中所示各CLT平行層所用的鐵杉規(guī)格材的彈性模量平均值，而橫紋剪切模量取表2中鐵杉規(guī)格材橫紋剪切模量測(cè)試結(jié)果的平均值。將上述各CLT所用的鋸材的參數(shù)值代入式(1)和式(3)中，算得各CLT的有效彎曲剛度和抗彎強(qiáng)度等性能的預(yù)測(cè)值，如表3所示。

通過表3分析得知，等級(jí)ⅠCLT的有效彎曲剛度平均值為1 003.3×109N·mm2，達(dá)到北美ANSI APA PRG320-2012標(biāo)準(zhǔn)E2等級(jí)所要求的958×109N·mm2。等級(jí)ⅡCLT的有效彎曲剛度平均值為879.5×109N·mm2，達(dá)到北美ANSI APA PRG320-2012標(biāo)準(zhǔn)E2等級(jí)所要求的772×109N·mm2[18]。2016年，愛爾蘭國(guó)立大學(xué)Sikora等人針對(duì)單元厚度為40 mm的西加云杉CLT進(jìn)行了測(cè)試，其有效彎曲剛度為823.7×109N·mm2。與本文預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，加拿大西部鐵杉CLT彎曲性能優(yōu)于西加云杉CLT[19]。

表3 CLT結(jié)構(gòu)性能預(yù)測(cè)結(jié)果

2.2 鐵杉CLT板的工程性能預(yù)測(cè)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)際工程需要，本文所述CLT模擬應(yīng)用于跨度為4 m的2層裝配式CLT建筑中。取活載荷載荷為均布載荷2 kN，固定載荷為CLT板材自重[15]。

將表3中有效彎曲剛度預(yù)測(cè)值和實(shí)際工程中CLT所承受的載荷值分別代入式(4)、式(5)和式(6)中進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行分析，即得CLT在實(shí)際工程應(yīng)用中的最大撓度、所承受的最大彎矩值以及CLT振動(dòng)固有頻率值，如表4所示。

表4 CLT結(jié)構(gòu)性能分析結(jié)果

由表4可知，在設(shè)計(jì)載荷條件下，6塊足尺CLT板試件的撓度預(yù)測(cè)值均小于實(shí)際工程應(yīng)用中跨度的1/360，符合建筑設(shè)計(jì)的要求。且6塊CLT所承受的最大彎矩(Mmax)均遠(yuǎn)小于CLT所能承受的最大彎矩預(yù)測(cè)值(Mr)。

等級(jí)ⅠCLT一階固有頻率的平均值為13.72 Hz，等級(jí)ⅡCLT一階固有頻率的平均值為12.90 Hz。依據(jù)加拿大FPInnovation公司的測(cè)試結(jié)果，以SPF作為單元的CLT樓板的振動(dòng)頻率在9～15 Hz。輕質(zhì)木托梁結(jié)構(gòu)樓板的振動(dòng)頻率在15 Hz以上，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓板的振動(dòng)頻率一般<9 Hz[6]。從2.2中CLT樓板的振動(dòng)性能預(yù)測(cè)結(jié)果來看，鐵杉CLT的振動(dòng)性能與目前加拿大常見的以SPF為基材的CLT結(jié)構(gòu)樓板相一致，明顯優(yōu)于輕質(zhì)木托梁結(jié)構(gòu)樓板。由此可得，本文所提供的鐵杉CLT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，CLT的有效彎曲剛度、抗彎強(qiáng)度和振動(dòng)性能等結(jié)構(gòu)性能滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要。

3 結(jié)論與討論

1)本文所設(shè)計(jì)2個(gè)等級(jí)CLT中，等級(jí)ⅠCLT的有效彎曲剛度平均值為1 003.3×109N·mm2，達(dá)到加拿大ANSI APA PRG320-2012標(biāo)準(zhǔn)E2等級(jí)所要求的958×109N·mm2；等級(jí)ⅡCLT的有效彎曲剛度平均值為879.5×109N·mm2，達(dá)到加拿大ANSI APA PRG320-2012標(biāo)準(zhǔn)E2等級(jí)所要求的772×109N·mm2。

2)在設(shè)計(jì)載荷條件下，6塊CLT試件的撓度值均小于實(shí)際工程應(yīng)用中跨度的1/360，符合建筑設(shè)計(jì)的要求。6塊CLT所承受的最大彎矩均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CLT所能承受的最大彎矩預(yù)測(cè)值；

3)等級(jí)ⅠCLT一階固有頻率的平均值為13.72 Hz，等級(jí)ⅡCLT一階固有頻率的平均值為12.90 Hz。就CLT結(jié)構(gòu)性能預(yù)測(cè)結(jié)果而言，文中所設(shè)計(jì)鐵杉CLT的有效彎曲剛度、抗彎強(qiáng)度和振動(dòng)性能等結(jié)構(gòu)性能均能滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要。