王菲彬 王昕萌 楊樹(shù)明 姜桂超 闕澤利 周海賓
(1. 南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院 南京 210037; 2. 南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210037; 3. 江蘇兄弟智能家居有限公司 宿遷 223800; 4. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091)
當(dāng)前,國(guó)內(nèi)木結(jié)構(gòu)建筑形式主要有輕型木結(jié)構(gòu)、膠合木結(jié)構(gòu)和普通木結(jié)構(gòu),其中北美輕型木結(jié)構(gòu)體系在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑中占據(jù)主導(dǎo)地位。最新《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50005—2017)規(guī)定,國(guó)內(nèi)輕型木結(jié)構(gòu)房屋層數(shù)不得超過(guò)3層,在很大程度上限制了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑在國(guó)內(nèi)的發(fā)展。正交膠合木(cross-laminated timber,CLT)的出現(xiàn)改變了這一局面。CLT是一種新型建筑結(jié)構(gòu)材料,采用相鄰層板正交90°交錯(cuò)層壓的組坯方式,尺寸穩(wěn)定性高,力學(xué)性能優(yōu)異。在國(guó)外,CLT建筑已達(dá)18層以上,我國(guó)也制定出《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51226—2017),且國(guó)內(nèi)第一例6層木結(jié)構(gòu)建筑已在山東省內(nèi)開(kāi)始實(shí)施,如果CLT在國(guó)內(nèi)得到推廣,將極大程度推動(dòng)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑在國(guó)內(nèi)的發(fā)展。
國(guó)外對(duì)CLT的研究無(wú)論是廣度還是深度均達(dá)到了很高水平(Parketal., 2003; Frangietal., 2009; Zhouetal., 2014; Schneideretal., 2015; Caoetal., 2016; Knorzetal., 2016; Hashemietal., 2018),而我國(guó)僅有南京林業(yè)大學(xué)、中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院等對(duì)CLT的材料性能與截面設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)連接承載及其滾動(dòng)剪切、抗彎等力學(xué)性能進(jìn)行了研究,涉及層板模量、組坯方向和層板層數(shù)對(duì)CLT力學(xué)性能的影響等(闕澤利等, 2015; 2017; 董惟群等, 2016; 龔迎春, 2017)。CLT屬于多層復(fù)合材料,層板不宜太厚也不宜太薄,在整體厚度一定的前提下,層板太厚會(huì)造成構(gòu)件整體不均勻,缺陷過(guò)于集中; 層板太薄會(huì)對(duì)制造工藝提出更高要求,加大工作量,同時(shí)也會(huì)增加膠料和木材用量(郭飛燕, 2007)。因此,在滿(mǎn)足力學(xué)性能的前提下,應(yīng)充分考慮層板厚度的影響,但目前國(guó)內(nèi)尚缺少此方面研究。
杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)南方重要的速生用材樹(shù)種,生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高(王俊鴻等, 2014), 但也存在強(qiáng)度差、易吸濕、尺寸不穩(wěn)定等缺陷,從而使得杉木這種小徑材在現(xiàn)階段僅主要用于裝飾、家具等方面。積極拓寬杉木的應(yīng)用范圍,不僅能提升其利用價(jià)值,更能一定程度上促進(jìn)我國(guó)木材工業(yè)的發(fā)展。
鑒于此,本研究選用國(guó)產(chǎn)杉木為試驗(yàn)材料,對(duì)其進(jìn)行層板組坯、冷壓成型,并通過(guò)對(duì)不同層板厚度的CLT進(jìn)行靜力學(xué)試驗(yàn),探討在整體厚度不變的前提下不同層板厚度對(duì)CLT力學(xué)性能的影響,以期拓寬速生材杉木在木結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,促進(jìn)CLT在國(guó)內(nèi)的發(fā)展。
市場(chǎng)采購(gòu)國(guó)產(chǎn)杉木,產(chǎn)地福建,平均密度0.394 g·cm-3,平均含水率13.5%,層板材質(zhì)目測(cè)分等為Ⅱb。參考《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50329—2002),結(jié)合生產(chǎn)加工實(shí)際,制備截面尺寸為300 mm × 95 mm、長(zhǎng)度為2 200 mm和500 mm的試件分別用于抗彎和抗剪試驗(yàn)。
HB S309 單組分液態(tài)聚氨酯膠黏劑,由普邦公司提供,主要化學(xué)成分為異氰酸酯預(yù)聚體,其與木材和空氣中的水分或濕氣反應(yīng)生成堅(jiān)固的膠層。HB S309 聚氨酯最大陳化時(shí)間約30 min,固化時(shí)間約120 min。
多層復(fù)合結(jié)構(gòu)材的性能與組成結(jié)構(gòu)單元的性能息息相關(guān),在CLT力學(xué)試驗(yàn)前,對(duì)杉木板清材小試件的各項(xiàng)性能參數(shù)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 1935—2009; GB/T 1936.1—2009; GB/T 1936.2—2009; GB/T 1937—2009)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表1所示。
試驗(yàn)方案分2種: 方案一研究在試件整體厚度(95 mm)不變的前提下層板厚度對(duì)CLT力學(xué)性能的影響,其組坯方式如表2所示; 方案二以5層CLT結(jié)構(gòu)為例,研究在試件整體厚度(95 mm)不變的前提下奇、偶層厚比例對(duì)CLT力學(xué)性能的影響,其比例關(guān)系如表3所示。
表1 杉木層板力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Tab.1 The results of mechanical properties of Chinese fir
表2 CLT試件的組坯方式Tab.2 Lay-up type of the CLT specimens
表3 CLT試件奇、偶層層板厚度變化Tab.3 Thickness variation of the odd and even layers of the CLT specimens
CLT采用相鄰層板正交90°交錯(cuò)層壓組坯方式,其中奇數(shù)層為主要方向?qū)?順紋方向),偶數(shù)層為次要方向?qū)?橫紋方向)。順紋方向?qū)悠鹬饕W(xué)承載作用。
CLT試件制作主要包括鋪板、施膠和冷壓3個(gè)環(huán)節(jié)。先將聚乙烯薄膜平鋪在地上,接著將第1層層板平鋪于薄膜上面(所有層板在組坯前須清理干凈,不能附著木屑等雜物而降低膠合質(zhì)量),進(jìn)行涂膠(圖1a),涂膠盡量保持均勻,涂膠量為120~160 g·m-2。涂膠后立刻鋪放第2層層板(圖1b),并進(jìn)行第2層層板的涂膠,之后鋪設(shè)第3層層板,以此類(lèi)推,直到達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定層數(shù)。試件涂膠完成后,用木塊固定試件四周,并用薄膜將整張 CLT 試件嚴(yán)密包裹(圖1c)。層板涂膠拼裝完成后進(jìn)行CLT試件冷壓(圖1d),設(shè)定壓力1.5 MPa左右,保壓時(shí)間約2.5 h。
試件冷壓2.5 h后卸壓,并在常溫環(huán)境中放置1周,以使層板間的膠合性能達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)。
圖1 CLT試件的制作Fig.1 Production of the CLT specimensa. 施膠Sizing; b. 鋪板Placement of the second layer; c. 試件包裹Film-wrapped specimen; d. 冷壓Cold pressing.
采用UTM5105型微機(jī)控制材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《Standard Test Methods of Static Tests of Lumber in Structural Sizes》(ASTMD198)和日本標(biāo)準(zhǔn)《直交集成板の日本農(nóng)林規(guī)格》(JAS 3079—2019)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行靜力學(xué)試驗(yàn),測(cè)定抗彎剛度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。每個(gè)項(xiàng)目測(cè)試5個(gè)試件,結(jié)果取平均值。
抗彎性能試驗(yàn)依據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,采用四點(diǎn)彎曲(三分點(diǎn))測(cè)試法,跨度為2 000 mm。試驗(yàn)中,以15 mm·min-1的速度勻速加載,并用位移計(jì)測(cè)量在豎向荷載作用下CLT試件跨中點(diǎn)的豎向位移。抗剪性能試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲測(cè)試法,跨度為240 mm,加載速度為5 mm·min-1。
為了研究CLT靜力學(xué)分析理論是否具有現(xiàn)實(shí)可行性,選用抗彎性能(抗彎剛度、抗彎強(qiáng)度)模型理論(γ理論、κ理論)進(jìn)行計(jì)算分析。
1.4.1 等效抗彎剛度 在γ理論中,通過(guò)計(jì)算試件的等效抗彎剛度(EIeff)確定試件的彎曲性能。等效抗彎剛度主要與梁的截面特性和有效系數(shù)(γ)有關(guān),而γ與連接件的滑移特性相關(guān)。木構(gòu)件之間使用膠黏劑連接時(shí),γ取值一般在0.85~0.99之間。以5層CLT結(jié)構(gòu)為例(圖2),計(jì)算公式如下:
圖2 5層CLT結(jié)構(gòu)斷面分析Fig.2 Sectional analysis of the five-layer CLT structure
(1)
圖3 7層CLT結(jié)構(gòu)斷面分析Fig.3 Sectional analysis of the seven-layer CLT structure
1.4.2 抗彎強(qiáng)度 先采用κ理論計(jì)算試件的等效彈性模量,即根據(jù)豎向荷載的加載方向計(jì)算出復(fù)合系數(shù)κ,再利用系數(shù)κ得出試件的抗彎強(qiáng)度:
(2)
σ=σ0·κ。
(3)
式中:am為試件厚度(mm);E0為層板的順紋彈性模量,7 600 MPa;E90為層板的橫紋彈性模量,316 MPa。
2.1.1 荷載-位移曲線(xiàn)分析 在荷載作用下,不同層板厚度CLT有效試件(取均值)跨中點(diǎn)的荷載-位移曲線(xiàn)如圖4示。
圖4 CLT試件荷載-位移曲線(xiàn)Fig.4 Load-displacement response curves for the specimens
從圖4可以看出,在荷載作用下,各CLT試件荷載-位移曲線(xiàn)整體變化規(guī)律類(lèi)似: CLT彎曲過(guò)程中,前期荷載-位移曲線(xiàn)基本保持為直線(xiàn); 彈性階段加載初期,曲線(xiàn)較平緩,主要是因?yàn)樵嚰谑芰澢鷷r(shí)存在不可避免的非彈性變形; 隨著加載繼續(xù),試件跨中點(diǎn)撓度變化速度較大,荷載增加,撓度遞增逐漸緩慢。3層CLT,試件荷載-位移曲線(xiàn)較穩(wěn)定,而5層和7層CLT,隨著層數(shù)增加,試件剛度逐漸降低,延性變大,破壞模式也較為復(fù)雜。
2.1.2 數(shù)值分析 如表4所示,對(duì)于抗彎剛度,在整體厚度不變的前提下,3層CLT試件的抗彎剛度最大,5層和7層CLT試件次之,相比3層CLT試件,5層和7層CLT試件的抗彎剛度分別降低11%和18%。3層CLT的結(jié)構(gòu)性能較為穩(wěn)定,剛度較高,破壞模式單一,基本為底層板拉斷破壞。因此,當(dāng)設(shè)計(jì)使用3層CLT結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)將材質(zhì)等級(jí)較高且缺陷較少的層板置于CLT結(jié)構(gòu)的外層。
對(duì)于抗彎強(qiáng)度,5層CLT試件的抗彎強(qiáng)度相比3層CLT試件提高18%,相比7層CLT試件提高36%,3層CLT試件的抗彎強(qiáng)度相比7層CLT試件提高16%; 在整體厚度不變的前提下,5層CLT試件的抗彎強(qiáng)度最大,3層和7層CLT試件次之。
對(duì)于抗剪強(qiáng)度,5層和7層CLT試件的抗剪強(qiáng)度相比3層CLT試件分別提高2.6%和16%。在整體厚度不變的前提下,7層CLT試件的抗剪強(qiáng)度最大,5層和3層CLT試件次之。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在整體厚度不變的前提下,層板越厚,試件的抗彎剛度越大; 而抗彎強(qiáng)度,則5層結(jié)構(gòu)最大,其次為3層結(jié)構(gòu),最后為7層結(jié)構(gòu); 抗剪強(qiáng)度隨層板厚度增加呈下降趨勢(shì)。
表4 不同層板厚度對(duì)CLT力學(xué)性能的影響①Tab.4 Effect of different CLT laminate thicknesses on the mechanical performance
2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比 不同層板厚度對(duì)CLT力學(xué)性能的影響試驗(yàn)結(jié)果與由理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比,如圖5所示。
圖5 理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of the experimental results and the theoretical calculation results
由圖5可知,總體而言理論計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果要高,分析其原因: 在力學(xué)試驗(yàn)中,試件變形受很多因素(如板材的缺陷分布、板材力學(xué)強(qiáng)度的隨機(jī)性以及外部環(huán)境等)影響,這些因素是理論計(jì)算中無(wú)法考慮的。層板厚度對(duì)抗彎剛度的影響理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體趨勢(shì)一致,即在整體厚度不變的前提下,隨著層板厚度增加,抗彎剛度逐漸增加??箯潖?qiáng)度與層板厚度之間關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果存在差異,試驗(yàn)結(jié)果顯示,5層CLT試件的抗彎強(qiáng)度最大,其次是3層和7層CLT試件; 而理論計(jì)算結(jié)果顯示,層板厚度越大,抗彎強(qiáng)度越大,即3層CLT試件的抗彎強(qiáng)度最大,其次是5層和7層CLT試件。這說(shuō)明CLT層板的應(yīng)用應(yīng)根據(jù)情況而定,不能只由理論計(jì)算所得結(jié)論應(yīng)用于實(shí)踐生產(chǎn)。
2.1.4 破壞模式與分析 試件壓彎破壞時(shí)的變形普遍較大,主要破壞模式有3種,即底層板拉斷破壞(圖6a)、抗拉區(qū)域膠層斷裂破壞(圖6b)和滾動(dòng)剪切破壞(圖6c),但在試件缺陷集中處(腐朽、木節(jié)等)更容易發(fā)生破壞(圖6d)。在試件受拉區(qū)域,亦會(huì)出現(xiàn)膠層脫落和層板間滑移現(xiàn)象。
圖6 CLT試件受力彎曲的主要破壞模式Fig.6 Main failure modes of the CLT specimens in the bending testa.底層板拉斷破壞Failure of bottom plate;b.抗拉區(qū)域膠層斷裂Fracture of adhesive layer in tensile zone;c.滾動(dòng)剪切破壞Rolling shear failure;d.缺陷集中處破壞Failure at a defect concentration.
1) 抗彎性能破壞模式 3層CLT試件在壓彎破壞過(guò)程中整體表現(xiàn)穩(wěn)定,主要破壞模式為底層板拉斷破壞(圖6a),伴有少量?jī)?nèi)層板的滾動(dòng)剪切破壞(圖6c),沒(méi)有出現(xiàn)膠層開(kāi)裂和端頭層板滑移現(xiàn)象。5層CLT試件在壓彎破壞過(guò)程中發(fā)生滾動(dòng)剪切的情況開(kāi)始增多,因?yàn)閷影遢^薄,層板滾動(dòng)剪切強(qiáng)度較低,最終破壞模式主要包括底層板拉斷、端頭層板層板滑移和少許膠層開(kāi)裂,底層板拉斷破壞程度較輕。7層CLT試件在壓彎破壞過(guò)程中滾動(dòng)剪切和膠層開(kāi)裂現(xiàn)象出現(xiàn)較多,層板厚度過(guò)低,膠層穩(wěn)定性和層板抗剪切能力下降明顯,且由于7層CLT結(jié)構(gòu)的膠層多達(dá)6層,容易發(fā)生膠層脫落現(xiàn)象(圖6b),最終破壞模式主要包括底層板拉斷、端頭層板錯(cuò)位、滾動(dòng)剪切和膠層脫落等,其中以膠層脫落和滾動(dòng)剪切破壞為主。
從試件抗彎性能破壞模式可以看出,3層CLT結(jié)構(gòu)底層板受拉區(qū)域破壞相比5層和7層CLT結(jié)構(gòu)明顯,5層和7層CLT試件在壓彎破壞過(guò)程中出現(xiàn)的膠層脫落和底層板拉斷現(xiàn)象比3層嚴(yán)重。以5層CLT為例,受拉區(qū)域由2層層板組成,分別為主要方向?qū)雍痛我较驅(qū)?,在受拉過(guò)程中,主、次方向?qū)影逑嗷ヒ种?,造成次要方向?qū)訉影鍧L動(dòng)剪切破壞和主要方向?qū)訉影鍞嗔?。而相同情況下的3層CLT,其受拉區(qū)域僅為1層主要方向?qū)?,相比而言較容易發(fā)生斷裂,而7層CLT層板厚度較薄,底層板較5層CLT層板也易斷裂,這也解釋了5層CLT抗彎強(qiáng)度最高的原因。在整體厚度不變的前提下,組坯層數(shù)越多,層板越薄,越容易發(fā)生斷裂和變形,這一定程度上也說(shuō)明了7層CLT試件抗彎剛度和抗彎強(qiáng)度最低的原因,而3層和5層CLT試件的力學(xué)性能表現(xiàn)較為優(yōu)異。
2) 抗剪性能破壞模式 在剪切破壞過(guò)程中,各試件破壞模式大同小異,每個(gè)破壞試件均大量存在滾動(dòng)剪切、層板拉斷和端頭層板滑移等現(xiàn)象,僅從外觀(guān)上并不能看出抗剪性能的差異。
2.2.1 數(shù)值分析 奇、偶層厚比例對(duì)CLT力學(xué)性能的影響如表5所示??梢钥闯?,隨著奇數(shù)層層板厚度增加和偶數(shù)層層板厚度降低,CLT試件的抗彎剛度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均有一定比例提高。這是因?yàn)閮啥撕?jiǎn)支的CLT試件受豎向荷載時(shí),試件主要受力方向?yàn)轫樇y方向(奇數(shù)層層板),而偶數(shù)層層板在承載力方面作用相對(duì)較小,且木材順紋方向的抗彎剛度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均大于橫紋方向,為隨著奇、偶層厚比例不斷增加,抗彎剛度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均不斷增加提供了理論依據(jù)。
2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比 對(duì)奇、偶層厚比例為1.0、1.5、1.9的試件進(jìn)行試驗(yàn)得出的結(jié)果與理論計(jì)算奇、偶層厚比例為1.0、1.2、1.4、1.7、2.1、2.7(取多組與試驗(yàn)比例相近的值)的CLT結(jié)構(gòu)取得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表5所示,二者對(duì)比關(guān)系如圖7所示。
由表5和圖7可知,總體而言理論計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果要高,二者抗彎剛度和抗彎強(qiáng)度與層板厚度之間的關(guān)系參數(shù)變化規(guī)律相同,R(相關(guān)系數(shù))接近1,說(shuō)明均呈線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系,且二者相關(guān)性很高,即在整體厚度不變的前提下,在一定比例范圍內(nèi),隨著奇數(shù)層層板厚度增加和偶數(shù)層層板厚度降低,試件的抗彎剛度和抗彎強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。
表5 奇、偶層板厚比例對(duì)CLT力學(xué)性能的影響①Tab.5 Effect of the CLT odd to even layer thickness ratio on the mechanical performance
圖7 理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of the experimental results and the theoretical calculation results
2.2.3 破壞模式與分析 抗彎試驗(yàn)中,試件在1 min 30 s開(kāi)始出現(xiàn)異響,此時(shí)外觀(guān)無(wú)變化,試件稍微彎曲; 壓彎過(guò)程持續(xù)2 min后試件異響頻率增大,包括膠層斷裂聲和木材纖維斷裂聲,同時(shí)試件端頭層板之間開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微滑移; 約3 min后開(kāi)始出現(xiàn)試件第一次破壞,包括滾動(dòng)剪切破壞和底層板斷裂; 之后荷載上升繼而出現(xiàn)第二次和第三次破壞。此外,在試件缺陷處,如腐朽、木節(jié)點(diǎn),會(huì)較早出現(xiàn)破壞。奇、偶層厚比例為1.0的試件破壞模式主要為2層次要方向?qū)泳l(fā)生滾動(dòng)剪切破壞,并伴有底層板斷裂、膠層斷裂現(xiàn)象(圖8a)。奇、偶層厚比例為1.5的試件破壞模式主要為最下面2層受拉區(qū)的破壞,表現(xiàn)為底層板斷裂及次要方向?qū)拥臐L動(dòng)剪切破壞和膠層斷裂(圖8b)。而奇、偶層厚比例為1.9的試件最終破壞模式為次要方向?qū)影l(fā)生輕微滾動(dòng)剪切破壞和膠層斷裂(圖8c)。通過(guò)破壞模式分析可以得出,在一定比例范圍內(nèi),隨著奇、偶層厚比例增加,抗彎性能不斷增加(破壞模式范圍和破壞力度減小)。
圖8 奇、偶層厚比例不同的破壞模式Fig.8 Failure modes of the different odd to even layer thickness ratiosa. 1.0; b. 1.5; c. 1.9.
1) 滾動(dòng)剪切、層板斷裂、膠層斷裂和層板滑移是CLT結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的主要破壞模式,試件的破壞模式與層板厚度有較大相關(guān)性。
2) CLT試件在壓彎破壞時(shí),3層CLT容易出現(xiàn)底層板斷裂現(xiàn)象,5層和7層結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)膠層開(kāi)裂和端頭層板滑移現(xiàn)象。
3) 在木材用料一定的前提下,CLT層板厚度越大,CLT結(jié)構(gòu)的抗彎性能越佳,且尺寸穩(wěn)定性高,破壞模式單一,基本為底層板斷裂破壞; CLT層板厚度越薄,CLT結(jié)構(gòu)的抗剪性能越好,破壞模式較為復(fù)雜。
4) 在一定比例范圍內(nèi),應(yīng)盡量增加奇、偶層厚比例,即增加奇數(shù)層層板厚度、降低偶數(shù)層層板厚度,這樣可在不提高木材用量的條件下有效提高CLT試件的抗彎、抗剪性能。