沈肇雨，周宇昊，王 正，何宇航，陳 偲，王 石

(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.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

我國木結(jié)構(gòu)建筑歷史悠久且對我國建筑史具有深遠(yuǎn)影響。盡管木結(jié)構(gòu)建筑有諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于木材正交異性的特點(diǎn)，導(dǎo)致其層數(shù)和高度往往受限并逐漸被鋼筋混凝土等新材料所代替。尤其在人口眾多的我國，土地資源緊缺導(dǎo)致建筑高度越來越高，木材作為建筑材料已無法滿足人們的需求。迄今，我國建筑業(yè)的建筑類型仍以現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等為主[1-2]。

近年來，以正交膠合木(Cross-laminated Timber，簡稱CLT)為代表新一代重型木結(jié)構(gòu)建筑材料正在部分取代鋼筋混凝土和磚混結(jié)構(gòu)建筑，廣泛用于建設(shè)低、中、高層民用住宅和公共建筑等公共建筑。CLT是由三層以上實(shí)心鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材(SCL)垂直正交膠合組坯而成的一種工程木產(chǎn)品[3]。CLT的一大特性是它的裝配式預(yù)制化，CLT在生產(chǎn)前就必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測，對所產(chǎn)出的板材進(jìn)行質(zhì)量評估，以保證生產(chǎn)出來的CLT板符合CLT木建筑工程應(yīng)用的實(shí)際需求。國外對CLT的研究及運(yùn)用開展較早，20世紀(jì)90年代，德國和奧地利率先開始對CLT進(jìn)行研究與推廣工作，歐洲住宅建筑應(yīng)用廣泛。1993年，世界上第一棟CLT住宅建筑在歐洲建成。2019年3月，位于挪威Brumunddal的Mjstrnet大樓完工，此建筑共18層，高度達(dá)到85.4 m，也是CLT建筑迄今為止最高的。近年來，北美和日本相繼開始研究和發(fā)展CLT。CLT具有尺寸穩(wěn)定性好、隔音、保溫性能好、力學(xué)性能好、使用性能佳和施工方便、低碳、固碳和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)上具有潛在競爭力，也能夠合理替代混凝土、磚石和鋼鐵等材料[4]。目前，CLT通常是通過在工廠里預(yù)制生產(chǎn)的，并根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工廠內(nèi)完成精加工。這種制造方式不僅提高了施工效率，還對減少成本和減小污染起到很大作用。在中高層建筑中，其預(yù)制化和簡單快捷的安裝方法能減少施工時間。強(qiáng)重比高，結(jié)構(gòu)完整性與耐久性也是它的一大優(yōu)點(diǎn)[5-12]。因此，大力推廣CLT也是提高林木產(chǎn)品附加值的良好途徑。

CLT作為一種新型實(shí)木復(fù)合工程材料按性能要求控制加工工藝和相關(guān)參數(shù)的正確設(shè)計(jì)格外重要。而且因?yàn)樗恼讳佋O(shè)工藝，其平面(滾動)剪切剛度和強(qiáng)度是判斷其能否作為建筑結(jié)構(gòu)用材的關(guān)鍵要素。剪切應(yīng)力引起鋸材的橫切面(RT面)上產(chǎn)生的剪切應(yīng)變叫做CLT 的平面剪切性能[13]，被用于評價CLT層間力學(xué)性能。CLT 用作樓板時需要承受豎向荷載，用作墻板時需要承受風(fēng)荷載，在這些力的作用下會發(fā)生剪切變形，影響CLT 板作為樓板或墻板的性能。在美國CLT手冊中，指出了CLT平面剪切剛度和強(qiáng)度對CLT樓面和屋面板設(shè)計(jì)和性能非常重要。因此，研究CLT平面剪切強(qiáng)度對CLT材料的應(yīng)用及優(yōu)化CLT產(chǎn)品設(shè)計(jì)十分重要。

1 國外CLT平面剪切性能的測試方法

CLT因?yàn)槠湔恍詫?dǎo)致相鄰兩層板間紋理方向互相垂直，這也是它平面外剛度和平面內(nèi)抗剪強(qiáng)度低的主要原因，多種材料進(jìn)行組合能有效解決這些不足。近年來，國外主要研究方向集中在通過找到合適的測試方法和理論來測量和預(yù)測 CLT 的剪切性能并尋找合適的層板材料。目前國際上有多種測試方法用于CLT 的平面剪切強(qiáng)度測試工作。

美國標(biāo)準(zhǔn)主要有ANSI/APA PRG 320[14]和ASTM D198[15]，其中ANSI/APA PRG 320中提到根據(jù) ASTM D198采用三點(diǎn)彎曲加載方式測試 CLT 梁的平面剪切強(qiáng)度，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)如圖1所示。

圖1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

此方法通過測量加載的峰值載荷Pmax，使用式(1)計(jì)算剪切強(qiáng)度τ。

(1)

式中：τ為剪切強(qiáng)度(MPa)；b為試件橫截面寬度(mm)；d為試件橫截面厚度(mm)；Pmax為極限荷載(N)。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)主要有EN16351[16]，EN408[17]等。在EN16351中提到了測量CLT平面剪切強(qiáng)度的四點(diǎn)彎曲加載方式試驗(yàn)，跨高比可分為9和12兩種。其中跨高比為9的測試方法如圖2所示。

圖2 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

此方法通過測量加載的峰值載荷Fmax，使用式(2)和式(3)計(jì)算剪切強(qiáng)度τ。

Pmax=Fmax

(2)

(3)

式中：τ為剪切強(qiáng)度(MPa)；b為試件橫截面寬度(mm)；d為試件橫截面厚度(mm)；Pmax為極限荷載(N)。

EN408中，提出了將試件以一定角度夾持的加載方式測試木材的順紋抗剪強(qiáng)度。該標(biāo)準(zhǔn)中在試件兩板面粘貼鋼板，根據(jù)特定的試件尺寸給出試件的傾斜角度為14°。測試方法如圖3所示。

圖3 將試件以一定角度夾持的剪切試驗(yàn)

該傾斜角14°是由特定的試件尺寸：l=(300±2)mm、b=(32±1)mm、h=(55±1)mm決定的。計(jì)算其剪切強(qiáng)度τ見式(4)。

(4)

式中：τ為剪切強(qiáng)度(MPa)；l為試件長度(mm)；b為試件橫截面寬度(mm)；Pmax為極限荷載(N)。

此方法與Gong等[18]根據(jù)ASTM D2718[19]發(fā)展的一種改進(jìn)的平面剪切試驗(yàn)方法有相似之處。該方法的測試原理如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的平面剪切試驗(yàn)

計(jì)算其剪切強(qiáng)度τ見式(5)。

(5)

式中：τ為剪切強(qiáng)度(MPa)；L為試件長度(mm)；w為試件寬度(mm)；α是傾斜角(°)；Pmax為極限荷載(N)。

ASTM D2718中，在試件兩板面上粘貼鋼板，使試件保持豎直，通過施加壓力的V形塊和粘貼的兩鋼板實(shí)現(xiàn)對試件的剪切。測試方法如圖5所示。

圖5 將試件豎直夾持的剪切試驗(yàn)

計(jì)算其剪切強(qiáng)度τ見式(6)。

(6)

式中：τ為剪切強(qiáng)度(MPa)；l為試件長度(mm)；b為試件寬度(mm)；Pmax為極限荷載(N)。

2 國外CLT平面剪切性能的研究現(xiàn)狀

伴隨著CLT在全球近30年的發(fā)展歷程，如今CLT在歐洲已廣泛用于中高層民用和非民用建筑，加拿大、美國和日本等國家也在CLT板乃至CLT建筑的研究與應(yīng)用中取得了階段性的豐碩成果[20-22]。同時，歐洲和加拿大地區(qū)已對CLT進(jìn)行了相對成熟的系統(tǒng)研究，特別是不僅對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，而且還在臨時道路、城市化交通建設(shè)中的應(yīng)用和CLT板的環(huán)境特性等方面取得較多的工程實(shí)例和研究成果。2005年，加拿大FPInnovation公司針對加拿大SPF為基材的CLT的加工工藝以及各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了相應(yīng)的系統(tǒng)研究，并于2012年出版了《CLT手冊》。該手冊包括了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)測計(jì)算和測試方法、環(huán)境特性以及CLT建筑的抗震性能、防火性能等方面技術(shù)內(nèi)容。2015年，英國BSI出版了關(guān)于CLT的標(biāo)準(zhǔn)EN 16351。該標(biāo)準(zhǔn)中給出了用四點(diǎn)彎曲加載方式以及壓剪方法測量CLT平面剪切強(qiáng)度的方法，為規(guī)范測試CLT剪切性能提供了有效依據(jù)。2000年，Aicher等[23]運(yùn)用有限元方法，對云杉制成的3層結(jié)構(gòu)的CLT試件滾動剪切強(qiáng)度進(jìn)行分析。研究表明，其滾動剪切強(qiáng)度根據(jù)年輪的不同分布而變化。2009年，Ayrilmis等[24]研究了不同測試方法對CLT滾動剪切性能的影響，并得出結(jié)論，采用通偏軸壓縮加載得到的滾動剪切強(qiáng)度(3.8 MPa)比采用5點(diǎn)抗彎測試得到的滾動剪切強(qiáng)度(4.8 MPa)低26.3%。2011年，Yawalata[25]測試了三層CLT試件并驗(yàn)證了CLT制造工藝對滾動剪切的影響。研究發(fā)現(xiàn)，由SPF制成的3層CLT試件在0.4 MPa壓力下的滾動剪切強(qiáng)度為2.22 MPa，在0.1 MPa下測得的值為1.85 MPa。這表明，較高的生產(chǎn)壓力能提高CLT的滾動剪切性能。2014年，Qinyi Zhou等[26]為探究垂直層剪切性能對CLT設(shè)計(jì)和應(yīng)用造成的影響，采用黑云杉的縮尺模型制作了3層CLT試件，通過面內(nèi)剪切法和不同跨度彎曲法對其測試并研究了其滾動剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明，黑云杉面內(nèi)剪切試驗(yàn)測得的滾動剪切強(qiáng)度比不同跨度彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果高出2倍多。顯然，探究科學(xué)準(zhǔn)確地測試CLT滾動剪切性能的方法工作迫在眉睫。2015年，Schneider等[27]通過改變CLT尺寸來探究對滾動剪切強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明當(dāng)側(cè)面未膠合時CLT滾動剪切強(qiáng)度與其尺寸成正比，但側(cè)面膠合時的CLT滾動剪切強(qiáng)度則與尺寸成反比；這驗(yàn)證了試樣的寬度會影響CLT的滾動剪切剛度，但當(dāng)寬度超過一定值時，則影響不明顯。2015年，Meng Gong等[28]將不同闊葉材樹種分別作為CLT垂直層材料，替代垂直層常規(guī)材料SPF，制成特制3層結(jié)構(gòu)CLT試件對滾動剪切性能進(jìn)行測試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，闊葉材(研究中采用楊木和樺木)的抗?jié)L動剪切性能要優(yōu)于針葉材(研究中采用云杉)，所測試件的平均滾動剪切強(qiáng)度是3.00 MPa。研究表明，使用闊葉材作為CLT的垂直層可有效地改善滾動剪切性能；楊木與樺木相比前者滾動剪切模量和強(qiáng)重比更具有優(yōu)勢。2016年，Maurizio follesa[29]通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測試 CLT 板的力學(xué)性能并評估各個預(yù)測CLT變形和破壞極限相關(guān)理論的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)中 CLT 承受面外荷載作用，結(jié)果表明三種不同理論計(jì)算得到的滾動剪切強(qiáng)度特征值有很大差異。Sikora KS等[30]對西加云杉制成的CLT進(jìn)行了研究，確定了CLT板的厚度對彎曲剛度和強(qiáng)度以及剪切性能的影響，通過彎曲試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)測試了3層和5層 CLT 試件在面內(nèi)和面外的力學(xué)性能。研究結(jié)論表明，CLT 厚度增加，其彎曲強(qiáng)度和滾動剪切強(qiáng)度均降低，同時試驗(yàn)也測得了西加云杉的滾動剪切強(qiáng)度平均值為1.0～1.2 MPa。同年，Li Y等[31]對CLT進(jìn)行斜坡加載和低周疲勞載荷試驗(yàn)，研究了損傷累積和DOL對CLT滾動剪切強(qiáng)度的影響，根據(jù)斜坡加載測試結(jié)果得出，3層CLT比5層在破壞時的最大滾動剪切強(qiáng)度更低。2019年，Jonas Turesson[32]研究了板寬對CLT面內(nèi)剪切的影響，采用有限元計(jì)算剪切剛度，并顯示為相對于邊緣膠合CLT板剪切剛度的折減系數(shù)，得出結(jié)論大多數(shù)寬厚比折減系數(shù)在0.6～0.9之間，且使用低寬厚比的板可以得到低的折減系數(shù)。

3 國內(nèi)CLT平面剪切性能的研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對 CLT 的研究還比較淺顯，起步也較晚，但近年來有了較快發(fā)展，對于CLT的研究和推廣熱度一直在上升。許多高校和研究單位，例如南京林業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中國林業(yè)科學(xué)院木材工業(yè)研究所等諸多高校、研究單位相繼開展了對CLT性能的探索研究。2016年，闕澤利等[33]對不同厚度的杉木層板對CLT的彎曲力學(xué)性能的影響進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，以杉木為基材的五層單元結(jié)構(gòu)的CLT達(dá)到了日本CLT標(biāo)準(zhǔn)中同級CLT的力學(xué)性能要求。2016年，付紅梅[34]研究了不同材料制成CLT的滾動剪切性能。結(jié)果表明，速生楊木、SPF和LVL三者相比，速生楊木滾動剪切性能最好，這說明在CLT橫向?qū)涌梢钥紤]使用速生楊木。王志強(qiáng)等[35-36]還對楊木制成的CLT試件進(jìn)行壓縮和浸漬處理，結(jié)果表明這些處理對試件的滾動剪切性能并無明顯提高。2016年，姜桂超[37]以杉木為研究對象研究厚度和奇偶層層板層厚比對 CLT 力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明層板厚度對構(gòu)件的破壞形式有很大影響。2017年，高子震等[38]對鐵杉CLT滾動剪切測試方法與相關(guān)理論，以及應(yīng)用平面應(yīng)力剪切法對CLT的滾動剪切性能等進(jìn)行了系統(tǒng)分析與研究，并對CLT的滾動剪切性能進(jìn)行了預(yù)測，對CLT工程應(yīng)用具有重要意義。2018年，謝文博[39]測試與分析了鐵杉CLT板抗彎強(qiáng)度、主強(qiáng)度方向的彈性模量，以及層間剪切強(qiáng)度、膠層剪切強(qiáng)度和浸漬剝離等性能。該研究表明，CLT垂直層滾動剪切強(qiáng)度對于CLT抗彎強(qiáng)度和界面層剪切強(qiáng)度尤為關(guān)鍵。2019年，王正等[40]對三層、五層和七層CLT矩形截面梁的剪應(yīng)力進(jìn)行研究。主要結(jié)論表明，CLT層數(shù)、平行層與垂直層彈性模量比值EL/ET(或EL/ER)會影響CLT梁的層間剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)力。

4 結(jié)束語

國內(nèi)在CLT平面剪切性能研究中取得了較好的研究成果，但在其理論指導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證等深度和廣度的工作研究上仍亟待加強(qiáng)，如缺乏對CLT垂直層應(yīng)力狀態(tài)及其破壞機(jī)理的深入研究，等等。為此，在今后的CLT平面剪切性能研究中，可充分借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)研究成果，揚(yáng)長避短，建議重點(diǎn)做好以下五點(diǎn)工作：

(1)目前針對CLT剪切性能的分析大多是針對剪切強(qiáng)度、彈性模量以及最終破壞形態(tài)方面，可以通過載荷位移曲線與試件的全程實(shí)時視頻監(jiān)測方式來進(jìn)行動態(tài)分析，解析每個時間節(jié)點(diǎn)下試件與曲線的對比情況，全面了解CLT在受剪時的試件與載荷位移曲線同步動態(tài)過程，清晰地了解裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)張的全過程。

(2)開展CLT應(yīng)力分析與理論計(jì)算，主要包括平面應(yīng)力計(jì)算與分析。一方面，通過計(jì)算CLT平行層和垂直層的應(yīng)力分布，確定平行層、垂直層的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布，并確定垂直層的應(yīng)力狀態(tài)。另一方面，利用平面應(yīng)力狀態(tài)分析、垂直層破壞方位角，對CLT試件垂直層的破壞類型及其應(yīng)力應(yīng)變機(jī)理進(jìn)行綜合分析。

(3)對三點(diǎn)彎曲法中的剪切強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行修正，同時對平面剪切試驗(yàn)法中的三疊層等厚和不等厚的CLT剪切試件的傾斜角公式進(jìn)行推導(dǎo)，計(jì)算特定長厚比CLT剪切試件的傾斜角。

(4)開展三層、五層、七層等厚和不等厚的CLT平面剪切強(qiáng)度測試方法研究及其破壞機(jī)理分析，提高該CLT研究工作的系統(tǒng)性和完整性。

(5)借鑒國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步完善我國有關(guān)CLT的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

總之，在我國大力倡導(dǎo)發(fā)展綠色建材的大背景下，CLT作為目前世界上最新型的綠色建材值得推廣。進(jìn)一步加強(qiáng)CLT平面剪切性能技術(shù)的研究，對促進(jìn)CLT的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造，以及國內(nèi)CLT板的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有良好的作用。