国产杉木不同层板厚度对正交胶合木力学性能的影响*

王菲彬 王昕萌 杨树明 姜桂超 阙泽利 周海宾

(1. 南京林业大学风景园林学院 南京 210037； 2. 南京林业大学材料科学与工程学院 南京 210037； 3. 江苏兄弟智能家居有限公司 宿迁 223800； 4. 中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 100091)

当前，国内木结构建筑形式主要有轻型木结构、胶合木结构和普通木结构，其中北美轻型木结构体系在现代木结构建筑中占据主导地位。最新《木结构设计标准》(GB 50005—2017)规定，国内轻型木结构房屋层数不得超过3层，在很大程度上限制了现代木结构建筑在国内的发展。正交胶合木(cross-laminated timber，CLT)的出现改变了这一局面。CLT是一种新型建筑结构材料，采用相邻层板正交90°交错层压的组坯方式，尺寸稳定性高，力学性能优异。在国外，CLT建筑已达18层以上，我国也制定出《多高层木结构建筑技术标准》(GB/T 51226—2017)，且国内第一例6层木结构建筑已在山东省内开始实施，如果CLT在国内得到推广，将极大程度推动现代木结构建筑在国内的发展。

国外对CLT的研究无论是广度还是深度均达到了很高水平(Parketal.， 2003； Frangietal.， 2009； Zhouetal.， 2014； Schneideretal.， 2015； Caoetal.， 2016； Knorzetal.， 2016； Hashemietal.， 2018)，而我国仅有南京林业大学、中国林业科学研究院等对CLT的材料性能与截面设计、节点连接承载及其滚动剪切、抗弯等力学性能进行了研究，涉及层板模量、组坯方向和层板层数对CLT力学性能的影响等(阙泽利等， 2015； 2017； 董惟群等， 2016； 龚迎春， 2017)。CLT属于多层复合材料，层板不宜太厚也不宜太薄，在整体厚度一定的前提下，层板太厚会造成构件整体不均匀，缺陷过于集中； 层板太薄会对制造工艺提出更高要求，加大工作量，同时也会增加胶料和木材用量(郭飞燕， 2007)。因此，在满足力学性能的前提下，应充分考虑层板厚度的影响，但目前国内尚缺少此方面研究。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方重要的速生用材树种，生长快、产量高(王俊鸿等， 2014)， 但也存在强度差、易吸湿、尺寸不稳定等缺陷，从而使得杉木这种小径材在现阶段仅主要用于装饰、家具等方面。积极拓宽杉木的应用范围，不仅能提升其利用价值，更能一定程度上促进我国木材工业的发展。

鉴于此，本研究选用国产杉木为试验材料，对其进行层板组坯、冷压成型，并通过对不同层板厚度的CLT进行静力学试验，探讨在整体厚度不变的前提下不同层板厚度对CLT力学性能的影响，以期拓宽速生材杉木在木结构建筑领域的应用范围，促进CLT在国内的发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料

市场采购国产杉木，产地福建，平均密度0.394 g·cm-3，平均含水率13.5%，层板材质目测分等为Ⅱb。参考《木结构试验方法标准》(GB/T 50329—2002)，结合生产加工实际，制备截面尺寸为300 mm × 95 mm、长度为2 200 mm和500 mm的试件分别用于抗弯和抗剪试验。

HB S309 单组分液态聚氨酯胶黏剂，由普邦公司提供，主要化学成分为异氰酸酯预聚体，其与木材和空气中的水分或湿气反应生成坚固的胶层。HB S309 聚氨酯最大陈化时间约30 min，固化时间约120 min。

多层复合结构材的性能与组成结构单元的性能息息相关，在CLT力学试验前，对杉木板清材小试件的各项性能参数依据国家标准(GB/T 1935—2009； GB/T 1936.1—2009； GB/T 1936.2—2009； GB/T 1937—2009)进行测试，结果如表1所示。

试验方案分2种： 方案一研究在试件整体厚度(95 mm)不变的前提下层板厚度对CLT力学性能的影响，其组坯方式如表2所示； 方案二以5层CLT结构为例，研究在试件整体厚度(95 mm)不变的前提下奇、偶层厚比例对CLT力学性能的影响，其比例关系如表3所示。

表1 杉木层板力学性能测试结果Tab.1 The results of mechanical properties of Chinese fir

表2 CLT试件的组坯方式Tab.2 Lay-up type of the CLT specimens

表3 CLT试件奇、偶层层板厚度变化Tab.3 Thickness variation of the odd and even layers of the CLT specimens

CLT采用相邻层板正交90°交错层压组坯方式，其中奇数层为主要方向层(顺纹方向)，偶数层为次要方向层(横纹方向)。顺纹方向层起主要力学承载作用。

1.2 试件压制

CLT试件制作主要包括铺板、施胶和冷压3个环节。先将聚乙烯薄膜平铺在地上，接着将第1层层板平铺于薄膜上面(所有层板在组坯前须清理干净，不能附着木屑等杂物而降低胶合质量)，进行涂胶(图1a)，涂胶尽量保持均匀，涂胶量为120～160 g·m-2。涂胶后立刻铺放第2层层板(图1b)，并进行第2层层板的涂胶，之后铺设第3层层板，以此类推，直到达到试验设定层数。试件涂胶完成后，用木块固定试件四周，并用薄膜将整张 CLT 试件严密包裹(图1c)。层板涂胶拼装完成后进行CLT试件冷压(图1d),设定压力1.5 MPa左右，保压时间约2.5 h。

试件冷压2.5 h后卸压，并在常温环境中放置1周，以使层板间的胶合性能达到最稳定状态。

图1 CLT试件的制作Fig.1 Production of the CLT specimensa. 施胶Sizing； b. 铺板Placement of the second layer； c. 试件包裹Film-wrapped specimen； d. 冷压Cold pressing.

1.3 试验装置和加载方式

采用UTM5105型微机控制材料万能试验机，按照美国标准《Standard Test Methods of Static Tests of Lumber in Structural Sizes》(ASTMD198)和日本标准《直交集成板の日本農林規格》(JAS 3079—2019)中的相关规定进行静力学试验，测定抗弯刚度、抗弯强度和抗剪强度。每个项目测试5个试件，结果取平均值。

抗弯性能试验依据日本标准进行，采用四点弯曲(三分点)测试法，跨度为2 000 mm。试验中，以15 mm·min-1的速度匀速加载，并用位移计测量在竖向荷载作用下CLT试件跨中点的竖向位移。抗剪性能试验采用三点弯曲测试法，跨度为240 mm，加载速度为5 mm·min-1。

1.4 相关静力学理论

为了研究CLT静力学分析理论是否具有现实可行性，选用抗弯性能(抗弯刚度、抗弯强度)模型理论(γ理论、κ理论)进行计算分析。

1.4.1 等效抗弯刚度 在γ理论中，通过计算试件的等效抗弯刚度(EIeff)确定试件的弯曲性能。等效抗弯刚度主要与梁的截面特性和有效系数(γ)有关，而γ与连接件的滑移特性相关。木构件之间使用胶黏剂连接时，γ取值一般在0.85～0.99之间。以5层CLT结构为例(图2)，计算公式如下：

图2 5层CLT结构断面分析Fig.2 Sectional analysis of the five-layer CLT structure

(1)

图3 7层CLT结构断面分析Fig.3 Sectional analysis of the seven-layer CLT structure

1.4.2 抗弯强度 先采用κ理论计算试件的等效弹性模量，即根据竖向荷载的加载方向计算出复合系数κ，再利用系数κ得出试件的抗弯强度：

(2)

σ=σ0·κ。

(3)

式中：am为试件厚度(mm)；E0为层板的顺纹弹性模量，7 600 MPa；E90为层板的横纹弹性模量，316 MPa。

2 结果与分析

2.1 不同层板厚度对CLT力学性能的影响

2.1.1 荷载-位移曲线分析 在荷载作用下，不同层板厚度CLT有效试件(取均值)跨中点的荷载-位移曲线如图4示。

图4 CLT试件荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement response curves for the specimens

从图4可以看出，在荷载作用下，各CLT试件荷载-位移曲线整体变化规律类似： CLT弯曲过程中，前期荷载-位移曲线基本保持为直线； 弹性阶段加载初期，曲线较平缓，主要是因为试件在受力弯曲时存在不可避免的非弹性变形； 随着加载继续，试件跨中点挠度变化速度较大，荷载增加，挠度递增逐渐缓慢。3层CLT，试件荷载-位移曲线较稳定，而5层和7层CLT，随着层数增加，试件刚度逐渐降低，延性变大，破坏模式也较为复杂。

2.1.2 数值分析 如表4所示，对于抗弯刚度，在整体厚度不变的前提下，3层CLT试件的抗弯刚度最大，5层和7层CLT试件次之，相比3层CLT试件，5层和7层CLT试件的抗弯刚度分别降低11%和18%。3层CLT的结构性能较为稳定，刚度较高，破坏模式单一，基本为底层板拉断破坏。因此，当设计使用3层CLT结构时，应将材质等级较高且缺陷较少的层板置于CLT结构的外层。

对于抗弯强度，5层CLT试件的抗弯强度相比3层CLT试件提高18%，相比7层CLT试件提高36%，3层CLT试件的抗弯强度相比7层CLT试件提高16%； 在整体厚度不变的前提下，5层CLT试件的抗弯强度最大，3层和7层CLT试件次之。

对于抗剪强度，5层和7层CLT试件的抗剪强度相比3层CLT试件分别提高2.6%和16%。在整体厚度不变的前提下，7层CLT试件的抗剪强度最大，5层和3层CLT试件次之。

试验数据表明，在整体厚度不变的前提下，层板越厚，试件的抗弯刚度越大； 而抗弯强度，则5层结构最大，其次为3层结构，最后为7层结构； 抗剪强度随层板厚度增加呈下降趋势。

表4 不同层板厚度对CLT力学性能的影响①Tab.4 Effect of different CLT laminate thicknesses on the mechanical performance

2.1.3 试验结果与理论计算结果对比 不同层板厚度对CLT力学性能的影响试验结果与由理论计算结果对比，如图5所示。

图5 理论计算结果与试验结果对比Fig.5 Comparison of the experimental results and the theoretical calculation results

由图5可知，总体而言理论计算结果比试验结果要高，分析其原因： 在力学试验中，试件变形受很多因素(如板材的缺陷分布、板材力学强度的随机性以及外部环境等)影响，这些因素是理论计算中无法考虑的。层板厚度对抗弯刚度的影响理论计算结果与试验结果总体趋势一致，即在整体厚度不变的前提下，随着层板厚度增加，抗弯刚度逐渐增加。抗弯强度与层板厚度之间关系的试验结果和理论计算结果存在差异，试验结果显示，5层CLT试件的抗弯强度最大，其次是3层和7层CLT试件； 而理论计算结果显示，层板厚度越大，抗弯强度越大，即3层CLT试件的抗弯强度最大，其次是5层和7层CLT试件。这说明CLT层板的应用应根据情况而定，不能只由理论计算所得结论应用于实践生产。

2.1.4 破坏模式与分析 试件压弯破坏时的变形普遍较大，主要破坏模式有3种，即底层板拉断破坏(图6a)、抗拉区域胶层断裂破坏(图6b)和滚动剪切破坏(图6c)，但在试件缺陷集中处(腐朽、木节等)更容易发生破坏(图6d)。在试件受拉区域，亦会出现胶层脱落和层板间滑移现象。

图6 CLT试件受力弯曲的主要破坏模式Fig.6 Main failure modes of the CLT specimens in the bending testa.底层板拉断破坏Failure of bottom plate;b.抗拉区域胶层断裂Fracture of adhesive layer in tensile zone;c.滚动剪切破坏Rolling shear failure;d.缺陷集中处破坏Failure at a defect concentration.

1) 抗弯性能破坏模式 3层CLT试件在压弯破坏过程中整体表现稳定，主要破坏模式为底层板拉断破坏(图6a)，伴有少量内层板的滚动剪切破坏(图6c)，没有出现胶层开裂和端头层板滑移现象。5层CLT试件在压弯破坏过程中发生滚动剪切的情况开始增多，因为层板较薄，层板滚动剪切强度较低，最终破坏模式主要包括底层板拉断、端头层板层板滑移和少许胶层开裂，底层板拉断破坏程度较轻。7层CLT试件在压弯破坏过程中滚动剪切和胶层开裂现象出现较多，层板厚度过低，胶层稳定性和层板抗剪切能力下降明显，且由于7层CLT结构的胶层多达6层，容易发生胶层脱落现象(图6b)，最终破坏模式主要包括底层板拉断、端头层板错位、滚动剪切和胶层脱落等，其中以胶层脱落和滚动剪切破坏为主。

从试件抗弯性能破坏模式可以看出，3层CLT结构底层板受拉区域破坏相比5层和7层CLT结构明显，5层和7层CLT试件在压弯破坏过程中出现的胶层脱落和底层板拉断现象比3层严重。以5层CLT为例，受拉区域由2层层板组成，分别为主要方向层和次要方向层，在受拉过程中，主、次方向层板相互抑制，造成次要方向层层板滚动剪切破坏和主要方向层层板断裂。而相同情况下的3层CLT，其受拉区域仅为1层主要方向层，相比而言较容易发生断裂，而7层CLT层板厚度较薄，底层板较5层CLT层板也易断裂，这也解释了5层CLT抗弯强度最高的原因。在整体厚度不变的前提下，组坯层数越多，层板越薄，越容易发生断裂和变形，这一定程度上也说明了7层CLT试件抗弯刚度和抗弯强度最低的原因，而3层和5层CLT试件的力学性能表现较为优异。

2) 抗剪性能破坏模式 在剪切破坏过程中，各试件破坏模式大同小异，每个破坏试件均大量存在滚动剪切、层板拉断和端头层板滑移等现象，仅从外观上并不能看出抗剪性能的差异。

2.2 奇、偶层厚比例对CLT力学性能的影响

2.2.1 数值分析 奇、偶层厚比例对CLT力学性能的影响如表5所示。可以看出，随着奇数层层板厚度增加和偶数层层板厚度降低，CLT试件的抗弯刚度、抗弯强度和抗剪强度均有一定比例提高。这是因为两端简支的CLT试件受竖向荷载时，试件主要受力方向为顺纹方向(奇数层层板)，而偶数层层板在承载力方面作用相对较小，且木材顺纹方向的抗弯刚度、抗弯强度和抗剪强度均大于横纹方向，为随着奇、偶层厚比例不断增加，抗弯刚度、抗弯强度和抗剪强度均不断增加提供了理论依据。

2.2.2 试验结果与理论计算结果对比 对奇、偶层厚比例为1.0、1.5、1.9的试件进行试验得出的结果与理论计算奇、偶层厚比例为1.0、1.2、1.4、1.7、2.1、2.7(取多组与试验比例相近的值)的CLT结构取得的结果进行对比，结果如表5所示，二者对比关系如图7所示。

由表5和图7可知，总体而言理论计算结果比试验结果要高，二者抗弯刚度和抗弯强度与层板厚度之间的关系参数变化规律相同，R(相关系数)接近1，说明均呈线性相关关系，且二者相关性很高，即在整体厚度不变的前提下，在一定比例范围内，随着奇数层层板厚度增加和偶数层层板厚度降低，试件的抗弯刚度和抗弯强度呈上升趋势。

表5 奇、偶层板厚比例对CLT力学性能的影响①Tab.5 Effect of the CLT odd to even layer thickness ratio on the mechanical performance

图7 理论计算结果与试验结果对比Fig.7 Comparison of the experimental results and the theoretical calculation results

2.2.3 破坏模式与分析 抗弯试验中，试件在1 min 30 s开始出现异响，此时外观无变化，试件稍微弯曲； 压弯过程持续2 min后试件异响频率增大，包括胶层断裂声和木材纤维断裂声，同时试件端头层板之间开始出现细微滑移； 约3 min后开始出现试件第一次破坏，包括滚动剪切破坏和底层板断裂； 之后荷载上升继而出现第二次和第三次破坏。此外，在试件缺陷处，如腐朽、木节点，会较早出现破坏。奇、偶层厚比例为1.0的试件破坏模式主要为2层次要方向层均发生滚动剪切破坏，并伴有底层板断裂、胶层断裂现象(图8a)。奇、偶层厚比例为1.5的试件破坏模式主要为最下面2层受拉区的破坏，表现为底层板断裂及次要方向层的滚动剪切破坏和胶层断裂(图8b)。而奇、偶层厚比例为1.9的试件最终破坏模式为次要方向层发生轻微滚动剪切破坏和胶层断裂(图8c)。通过破坏模式分析可以得出，在一定比例范围内，随着奇、偶层厚比例增加，抗弯性能不断增加(破坏模式范围和破坏力度减小)。

图8 奇、偶层厚比例不同的破坏模式Fig.8 Failure modes of the different odd to even layer thickness ratiosa. 1.0； b. 1.5； c. 1.9.

3 结论

1) 滚动剪切、层板断裂、胶层断裂和层板滑移是CLT结构在竖向荷载作用下的主要破坏模式，试件的破坏模式与层板厚度有较大相关性。

2) CLT试件在压弯破坏时，3层CLT容易出现底层板断裂现象，5层和7层结构容易出现胶层开裂和端头层板滑移现象。

3) 在木材用料一定的前提下，CLT层板厚度越大，CLT结构的抗弯性能越佳，且尺寸稳定性高，破坏模式单一，基本为底层板断裂破坏； CLT层板厚度越薄，CLT结构的抗剪性能越好，破坏模式较为复杂。

4) 在一定比例范围内，应尽量增加奇、偶层厚比例，即增加奇数层层板厚度、降低偶数层层板厚度，这样可在不提高木材用量的条件下有效提高CLT试件的抗弯、抗剪性能。