重型工程木荷载持续时间效应研究进展

， 郑 维

(南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

1 重型工程木简介

重型工程木(Mass timber products，MTP)是传统工程木的一种，其截面较大，包括一系列厚板产品，如正交胶合木(Cross-laminated timber，CLT)、结构复合木材(Structural composite lumber，SCL)，以及胶合或机械层合的线性单元产品如层板胶合木(Glued-laminated timber，GLT)、钉接层积材(Nailed-laminated timber，NLT)和硬木销钉层积材(Dowel laminated timber，DLT)等[1]。在过去的二十年间，重型木结构取得了飞速的发展和广泛应用，众多中高层木结构建筑都采用CLT作为承重楼盖、墙体，GLT作为梁、柱构件的承重形式，如加拿大哥伦比亚大学校园内的18层全木结构公寓楼，以及即将落户福建尤溪的12层CLT高层木结构商办综合楼等。不同于传统木结构，这种最近兴起的建筑结构系统具有更好的成本竞争力、可持续性及可靠性，碳效率高、强重比高、高度预制化、施工周期块、耐火性能好以及节能保温等诸多优势。重型木结构与钢筋混凝土相比，更适合应用于大跨度、小尺度及中高层建筑[2]。目前，应用较多的两种MTP主要是GLT和CLT。

GLT是将木材纹理相互平行的规格材或其他工程木产品在长度或宽度方向上指接或拼宽，在厚度方向上层积胶合而成的多层结构复合产品，层板厚度通常为20～45 mm，如图1所示。

图1 层板胶合木

CLT是以实木锯材或结构复合板材为单元，相邻层相互垂直正交组坯，采用结构胶黏剂胶压或钉接制造的新型工程木产品，通常层板3～11层，使用的结构复合板包括单板层积材、层叠木片层积材、定向木片层积材和定向刨花板等[3]，如图2所示。

图2 正交胶合木

相比GLT而言，CLT层板的正交结构使各层之间相互牵制，因此具有更好的尺寸稳定性，并且可以双向受力，这对重型木结构的实现最为重要。但由于CLT的正交组坯特性及木材的各向异性，较小的横纹抗剪强度导致产品在受到面外荷载时，横向层更容易发生滚动剪切破坏，同时横向层的存在也会提高整体产品的蠕变值[4]。无论采用钉或木销机械固定，还是采用结构胶黏剂胶合，CLT在长期荷载作用下与其他工程木产品(如胶合木)相比更容易发生随时间变化的形变[5]。在近十几年来的重型木结构实践中，最有效且经济的做法是用GLT做梁和柱，而墙板、楼盖、屋盖则由CLT来承担。

通常情况下，木材在短期荷载作用下强度大，在长期持续荷载作用下强度变小，这种随着荷载持续时间增加，变形逐渐增大，强度逐渐降低的现象被称为木材的荷载持续时间(Duration of load，DOL)效应[6]。由于木结构建筑长期承受荷载，DOL效应会使构件强度降低乃至发生破坏，存在安全隐患。木材的DOL效应是木结构设计中必须考虑的问题，木材及木材产品强度设计值的确定、稳定性等问题很大程度受DOL效应的影响[6]。目前国内对重型工程木产品DOL效应的研究相对较少，对CLT产品，国内主要研究其短期力学性能[7-10]，针对CLT产品长期性能的研究更是鲜有报道，木结构设计规范中也缺少相应的长期性能设计值。因此，探究MTP构件在长期荷载下的结构性能，有助于丰富MTP在木结构工程领域的相关知识，同时能够更好地将CLT建筑引入木结构相关设计规范。

2 木质材料DOL模型

木质材料的DOL效应包括两方面含义，一方面是木质材料随荷载持续作用时间的增加发生强度降低，另一方面是木质材料的应变或变形随荷载持续时间增加而增大的现象。针对MTP常用的DOL预测模型包括经验模型、损伤累积模型、黏弹性断裂力学模型等。

2.1 经验模型

经验模型是指根据试验的方法，对数据分析总结得出DOL预测模型。最为经典的长期强度预测公式为Madison曲线，由美国林产品实验室对小尺寸清材荷载持续时间与其应力比之间的关系试验探究得出，如式(1)，该公式至今被《美国木结构设计规范》所采用[11]。

(1)

式中：tf为荷载作用时间；SL为木材破坏强度与短期强度的比值。

2.2 损伤累积模型

损伤累积理论是研究工程木产品DOL效应的关键工具之一，通过引入损伤量这一概念来描述木质材料在一段荷载历程下所受到的损伤，当积累损伤达到某个水平后，木质材料开始出现破坏。Foschi和Yao[12]建立的基于应力的损伤累积模型，考虑了DOL对尺寸木材及木材产品强度特性的影响，该模型将损伤累积率视为应力历史和已累积损伤状态的函数，形式如下：

(2)

式中：α为损伤状态变量(α=0表示未损伤状态，α=1表示失效状态)；t是时间；σ(t)为施加的应力历史；σs是短期强度；τ0是短期强度σs的一个分数；τ0σs是产品的一个阈值应力，损伤累积在应力高于τ0σs时出现。

a、b、c、n、τ0为模型参数，可以采用试验数据校准获得，模型参数a由式(3)计算：

a=k(b+1)/[σs(1-τ0)(b+1)]

(3)

式中：k为加载速率；其他参数如式(2)所示。

在长期试验的加载过程中，达到指定恒定荷载前产生的损伤可以用式(4)表示：

a0=[(σa-τ0σs)/(σs-τ0σs)](b+1)

(4)

则失效时间tf用下式表示：

(5)

2.3 蠕变断裂模型

木构件在承担长期荷载时，强度的衰减和变形的发生实际上是一个相互关联的时间过程，现有的文献大多将二者视为相互独立的过程，而蠕变断裂模型考虑了木材强度和蠕变的内在关系。Wang等[13]于2012年在Foschi和Yao模型的基础上，考虑变形历史，提出了如下公式：

dα/dt=aɛ&2+cɛ&2α

(6)

式中：ɛ&为应变率，替代了Foschi和Yao模型公式中的应力历史；a、b、c、n为模型参数。

本构关系是木质材料受到外力时发生蠕变的基础原理，因此重点是本构关系的建立，以便计算给定外加荷载下的应变历史。木质材料的本构关系模型主要分为两类：一是从以往数据总结的经验模型，二是考虑物理性质的力学模型。学者可以根据时间、精度等要求，进行模型的合理选择。

经验模型是通过木材蠕变试验数据，归纳、总结出蠕变与时间的数学表达式。模拟蠕变最常用的经验模型为幂律模型：

J(t)=J0+mtn

(7)

式中：J0、m、n是材料的蠕变柔度等参数；t是时间；J(t)是材料的蠕变柔量。

力学模型从木材本身的弹性和黏弹性性质出发，把木材假设为由弹性、黏性、黏弹性等单位组成的整体。目前从物理概念上较为准确描述木材蠕变行为的力学模型为Pierce[14]提出的五参数蠕变模型，该模型考虑了木材黏性变形与时间的非线性关系，在低应力条件下拥有更高的准确性。形式如下：

(8)

(9)

3 DOL试验方法

3.1 试验标准

目前国内外有三种工程木DOL效应测试和评价标准，分别是《EN 1156 Wood-based Panels—Determination of duration of load and creep factors》[15]、《ASTM D 6815 Evaluation of Duration of Load and Creep Effects of Wood and Wood-Based Products》[16]和国内《GB/T 31291木材和木基产品的荷载持续时间效应和蠕变性能评定》[17]。

其中，EN 1156提供了在恒定气候环境中，弯曲加载条件下测试木质材料蠕变系数和DOL系数的方法。该方法将试样分成强度性能相似的组，施加不同水平的应力进行为期一年的恒载试验，根据应力比与时间曲线分析推导10年加载时该批材料的DOL系数。该方法存在成本高，周期长等缺点，应用不广泛。

ASTM D 6815与GB/T 31291内容相近，提供了一种短期快速评估新型木质复合材料的蠕变和DOL行为的方法。标准中将试样根据抗弯弹性模量分成两个分布和变化范围基本相同的独立组。一组进行短期四点抗弯试验，另一组进行长期四点抗弯蠕变试验，通过短期试验试件抗弯强度的5%分位值确定长期试验的最低应力水平。再根据被测木质复合材料在90天及以上时间持续荷载后的蠕变系数、试件破坏数量以及蠕变速率三个指标是否符合相关要求，来判断被测木质复合材料与实木产品的工程等效性。

3.2 加载方式

由于测试周期的不同，目前对木质材料DOL效应研究的加载方式可以分为长期恒定加载和循环加载。恒定加载方式可以较为直观得出木材破坏时间和应力水平的关系，但耗费时间久、试验周期长。循环加载是通过对试件周期性加载、卸载，可以在较短的时间内加快试件疲劳，模拟长期损伤累积的过程，缩短试验周期，减少环境因素对试件DOL效应的影响。这种变化的加载方式也可以模拟构件在应用中经历雪荷载等实际情况。

4 国内外工程木DOL研究进展

4.1 国内研究进展

我国对工程木DOL效应研究从20世纪90年代开始，研究对象集中于传统工程木产品，蠕变试验周期及其预测也普遍较短。MTP的长期试验及其模拟预测方面研究较少，并缺乏环境变化对DOL效应的影响研究，对CLT长期物理力学性能的研究更是鲜有报道。

2007年，王胜伟[18]对单板层积材进行了拉伸与压缩蠕变试验，采用不同的应力水平，记录了时间、变形及荷载数据，得到了包含蠕变应变与时间的LVL本构关系式，结果表明数值模拟与实际吻合较好。该研究提出了木材及LVL等工程木产品长期性能的预测方法，同时为其理论研究和分析提供了依据。

2009年，周华樟[19]研究了荷载周期对基本构件长期变形的影响规律，并深入研究了大跨度木结构拱和单层木网壳的蠕变屈曲和残余稳定承载力。

2015年，邱立鹏[20]完成了足尺胶合木曲梁短期承载力试验以及在变化的湿度和荷载作用下的长期承载性能试验，揭示了胶合木曲梁在荷载作用下以及在荷载和湿度变化共同作用下发生横纹受拉脆性破坏的机理和模式，建立的本构关系模型同时考虑了木材热胀冷缩、湿胀干缩、黏弹性蠕变、机械吸附蠕变、破坏模式、各向异性损伤和荷载持续时间效应，并采用有限元软件ABAQUS建立模型，对试件的破坏时间进行了良好预测。同年，马欣欣[21]探究了不同温湿度条件下，竹束单板层积材和竹集成材的蠕变性能，运用时温等效原理与机械吸附蠕变模型进行分析，然后进行了一年的蠕变和恢复试验，分析了不同应力水平与材料蠕变的相关性，获得两种材料在正常使用环境下的蠕变规律，建立本构模型进行长期预测，为竹质工程材料在建筑结构中的应用提供了相应的理论基础。

2016年，贺铁[22]进行了胶合竹木梁的荷载持续效应试验，试验设置3组预应力水平，通过2个月的长期加载以及加载后的性能测试，研究了预应力钢丝数量、总预加力数值以及长期荷载大小几种因素对胶合竹木梁长期受弯性能的影响，并研究了受蠕变及应力调控后的胶合竹木梁短期性能。

2017年，金弋博总结归纳了木材DOL效应研究的试验方法、常用模型，通过对东北落叶松木材的短期和长期试验，探究了木材横纹受拉的DOL效应对其强度和弹性模量的影响。发现木材横纹受拉DOL效应要弱于Madison曲线，同时不影响其弹性模量。利用试验数据，校准了几种DOL模型参数，建立了木材横纹受拉DOL模型，并预测木材的长期强度，给出了适合中国规范的木材横纹受压DOL影响系数。

2018年，刘非微[23]对LVL梁进行了不同荷载水平的长期蠕变试验，探究LVL梁的蠕变变形发展规律，结合黏弹性力学及经典蠕变模型，根据试验数据得出LVL梁的最佳蠕变本构方程，同时采用有限元软件ABAQUS进行模拟与分析，理论值与实测值得到了较好的吻合度。

迄今为止，国内还没有对CLT长期物理力学性能的相关研究。因此，开展对CLT的DOL及蠕变性能的试验研究具有迫切的需求和重要意义。

4.2 国外研究进展

4.2.1 CLT产品DOL研究

国外针对CLT产品的长期性能研究也相对较少，相关规范标准均还未对其荷载持续系数及使用条件系数作出明确规定。由于CLT的正交结构，依据ASTM D 6815量化研究CLT荷载持续系数及蠕变系数是不合适的，目前国际上也缺少针对CLT的DOL系数计算方法。

2007年，Jöbstl等通过对相同尺寸的5层CLT试件和胶合木试件，在不同气候条件下施加长期荷载(9%和25%的短期失效荷载)，考察CLT在不同环境条件下的长期蠕变性能，结果表明CLT的蠕变值比胶合木高39%～47%，符合CLT正交特性的假设。通过总变形数据和推导得出了横向层滚动剪切模量对应的蠕变调整系数，为计算不同层数CLT构件和其他分层结构木产品，如胶合板和OSB等材料的蠕变值提供了依据。

2014年，Nakajiml等[24]对日本雪松(Cryptomeriajaponica)制成的CLT进行了荷载持续效应测试和蠕变测试，取短期弯曲承载力的70%、75%和80%进行荷载持续效应测试，蠕变试验应力等级为33%，将试验结果与典型蠕变曲线和Madison曲线进行比较，结果表明CLT的蠕变系数为2.0，荷载持续系数为0.66，二者几乎与常用的实木蠕变系数和荷载持续系数相当。

2016年，Li等[25]研究了低周疲劳试验条件下CLT的滚动剪切强度损伤累积及荷载持续效应。建立了基于应力的损伤累积模型并进行了校正，该验证模型为定量CLT横向层DOL效应对滚动剪切强度的影响提供了可靠的工具，可用于研究CLT在任意加载历史下的DOL行为。

《CLT Handbook》参考加拿大木材工程设计标准《CSA O86∶19 Engineering design in wood》[26]及欧洲木结构设计规范《EN 1995-1-1 Eurocode 5—Design of Timber Structures》[27]中其他木材及木基产品的荷载持续系数、使用条件系数及蠕变系数的使用规定，介绍了两种CLT产品系数选择方案，两个方案根据Jöbstl等的研究，均考虑了横向层对整体蠕变系数的影响。两个方案具体如下：

方案一与CSA O86∶19格式一致。荷载持续系数KD参照CSA O86∶19中表5.1的规定，取值见表1。使用条件系数KS采用CSA O86∶19中表7.3给出的胶合木使用条件系数，干燥使用条件统一取KS=1.0，潮湿环境则根据相应的受力状态选取，见表2。蠕变系数建议由短期荷载引起的弹性变形时，横向层的滚动剪切模量减小25%来计算CLT单层板的剪切刚度，当计算由长期荷载引起的永久变形时，CLT横向层的滚动剪切模量则降低50%[26]。

表1 荷载持续系数KD

表2 使用条件系数KS

方案二与EN 1995-1-1的格式一致。荷载持续时间和使用条件系数：1级和2级服役条件采用EN 1995-1-1中的kmod系数，而不是使用KD和KS系数，见表3。蠕变系数根据Jöbstl等人的研究采取EN 1995-1-1中层板胶合木变形系数的1.1倍，调整后见表4。

表3 强度修正系数kmod

表4 调整后的CLT蠕变修正系数kdef

CLT手册尽管提供了产品设计的临时替代方法，但对于长期持荷的情况仍建议进一步研究各种荷载配置、不同跨度等参数对CLT长期性能的影响，以验证以上建议的合理性，不断修缮相关标准。

4.2.2 GLT产品DOL研究

相比CLT，GLT的DOL研究方面相对完善，主要包括不同受力加载方式、加载周期以及温湿度变化环境下的长期力学性能研究。相关规范中荷载持续系数的选用也有明确规定。

1998年，Morlier等联合各国实验室，进行了三种不同环境条件下的GLT与LVL梁的DOL试验。受力形式包括直梁受弯、坡梁受弯、曲梁受弯以及横纹受拉等。同年，Aicher等[28]采用不同强度等级的云杉制成GLT，在三种温湿度环境变化下探究了时间、湿度变化及尺寸对DOL效应的影响，结果表明曲梁受弯和横纹受拉两种试件的DOL效应基本一致；并且在构件截面尺寸较小时，湿度变化对胶合木横纹应力DOL效应的影响更加明显，建议合理考虑湿度应力以及引入DOL湿度变化系数。

2010年，Pazlar[29]完成了历时3年多的胶合木直梁长期蠕变试验。整个试验在室外遮挡环境下进行，监测了环境温湿度变化、梁的挠度变化以及纵横向应变变化，并利用 Luikov 模型模拟了梁横截面上温度、湿度的分布及变化规律。

2011年，Aratake等[30]对低弹模的日本雪松(Cryptomeriajaponica)作为芯层制成的胶合木进行了为期4年的弯曲蠕变试验，探究该木材作为胶合木层板的可行性，采用蠕变测试得到的数据拟合出幂律模型，估计了试件50年的蠕变系数，结果远远低于日本建设部公告的标准限值。

2019年，Massaro等[31]进行了荷载和湿度控制下的胶合木长期横纹承压试验，研究了横向蠕变以及机械渗透蠕变对木构件长期性能的影响，并给出了简化的一维模型，该模型综合考虑了荷载及湿度变化的综合影响。将试验结果对模型进行校准，显示出模型具有良好的预测效果。

4.2.3 其他工程木产品DOL研究

1999年，Norlin等[32]通过在不同平均应力水平下对试样进行循环测试，研究了花旗松LVL的滚动剪切和纵向剪切疲劳性能。研究发现滚动剪切破坏比纵向剪切表现出更高的抗疲劳性，将实验数据与考虑应力历史的损伤累积模型进行校准，两种失效模式的模型预测与实验结果之间都具有良好的一致性。

2005年，Amino等[33]采用逐级加载方式对杨木梁和竹材做两表面层板的杨木夹心梁进行了蠕变试验，观察不同荷载水平下的长期力学性能，通过比较蠕变系数等参数来揭示竹材加固对木梁整体蠕变值的影响。

2012—2013年，Wang等[34]对刨花板的DOL及蠕变效应进行了试验，研究加载速率对短期强度的影响，同时进行了为期一年的长期恒载和短期循环疲劳试验，得到其应变历史，建立了蠕变断裂模型，并利用不同速率的短期试验结果验证了模型预测。该蠕变断裂模型综合考虑了材料的短期强度、载荷历史以及挠度历史和失效时间，可用于木质复合材料应用时间的可靠性研究。

5 结束语

随着国家对环境保护及建筑节能等日趋重视和一系列鼓励政策的出台，以CLT、GLT为代表的重型木结构形式将在中高层木结构市场中占据越来越重要的地位。CLT的正交结构使其更容易发生蠕变行为，目前国内外对CLT的DOL行为相关测试方法和设计系数等方面研究都亟待完善。基于国内速生木材、竹材和结构板材发展的混合结构CLT是国内CLT材料发展的一个重要方向，研究表明这类混合结构CLT具有较好的短期力学性能，如滚动剪切性能和抗弯性能[35]，其DOL行为也有待展开研究，以推进CLT在我国木结构建筑中的应用和相关设计规范的完善。