正交胶合木平面剪切性能的国内外研究进展

沈肇雨，周宇昊，王 正，何宇航，陈 偲，王 石

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086)

我国木结构建筑历史悠久且对我国建筑史具有深远影响。尽管木结构建筑有诸多优点，但由于木材正交异性的特点，导致其层数和高度往往受限并逐渐被钢筋混凝土等新材料所代替。尤其在人口众多的我国，土地资源紧缺导致建筑高度越来越高，木材作为建筑材料已无法满足人们的需求。迄今，我国建筑业的建筑类型仍以现浇混凝土结构、砖混结构和钢结构等为主[1-2]。

近年来，以正交胶合木(Cross-laminated Timber，简称CLT)为代表新一代重型木结构建筑材料正在部分取代钢筋混凝土和砖混结构建筑，广泛用于建设低、中、高层民用住宅和公共建筑等公共建筑。CLT是由三层以上实心锯材或结构复合材(SCL)垂直正交胶合组坯而成的一种工程木产品[3]。CLT的一大特性是它的装配式预制化，CLT在生产前就必须进行结构设计和性能预测，对所产出的板材进行质量评估，以保证生产出来的CLT板符合CLT木建筑工程应用的实际需求。国外对CLT的研究及运用开展较早，20世纪90年代，德国和奥地利率先开始对CLT进行研究与推广工作，欧洲住宅建筑应用广泛。1993年，世界上第一栋CLT住宅建筑在欧洲建成。2019年3月，位于挪威Brumunddal的Mjstrnet大楼完工，此建筑共18层，高度达到85.4 m，也是CLT建筑迄今为止最高的。近年来，北美和日本相继开始研究和发展CLT。CLT具有尺寸稳定性好、隔音、保温性能好、力学性能好、使用性能佳和施工方便、低碳、固碳和环保等优点，在经济上具有潜在竞争力，也能够合理替代混凝土、砖石和钢铁等材料[4]。目前，CLT通常是通过在工厂里预制生产的，并根据结构设计在工厂内完成精加工。这种制造方式不仅提高了施工效率，还对减少成本和减小污染起到很大作用。在中高层建筑中，其预制化和简单快捷的安装方法能减少施工时间。强重比高，结构完整性与耐久性也是它的一大优点[5-12]。因此，大力推广CLT也是提高林木产品附加值的良好途径。

CLT作为一种新型实木复合工程材料按性能要求控制加工工艺和相关参数的正确设计格外重要。而且因为它的正交铺设工艺，其平面(滚动)剪切刚度和强度是判断其能否作为建筑结构用材的关键要素。剪切应力引起锯材的横切面(RT面)上产生的剪切应变叫做CLT 的平面剪切性能[13]，被用于评价CLT层间力学性能。CLT 用作楼板时需要承受竖向荷载，用作墙板时需要承受风荷载，在这些力的作用下会发生剪切变形，影响CLT 板作为楼板或墙板的性能。在美国CLT手册中，指出了CLT平面剪切刚度和强度对CLT楼面和屋面板设计和性能非常重要。因此，研究CLT平面剪切强度对CLT材料的应用及优化CLT产品设计十分重要。

1 国外CLT平面剪切性能的测试方法

CLT因为其正交性导致相邻两层板间纹理方向互相垂直，这也是它平面外刚度和平面内抗剪强度低的主要原因，多种材料进行组合能有效解决这些不足。近年来，国外主要研究方向集中在通过找到合适的测试方法和理论来测量和预测 CLT 的剪切性能并寻找合适的层板材料。目前国际上有多种测试方法用于CLT 的平面剪切强度测试工作。

美国标准主要有ANSI/APA PRG 320[14]和ASTM D198[15]，其中ANSI/APA PRG 320中提到根据 ASTM D198采用三点弯曲加载方式测试 CLT 梁的平面剪切强度，三点弯曲试验如图1所示。

图1 三点弯曲试验

此方法通过测量加载的峰值载荷Pmax，使用式(1)计算剪切强度τ。

(1)

式中：τ为剪切强度(MPa)；b为试件横截面宽度(mm)；d为试件横截面厚度(mm)；Pmax为极限荷载(N)。

欧洲标准主要有EN16351[16]，EN408[17]等。在EN16351中提到了测量CLT平面剪切强度的四点弯曲加载方式试验，跨高比可分为9和12两种。其中跨高比为9的测试方法如图2所示。

图2 四点弯曲试验

此方法通过测量加载的峰值载荷Fmax，使用式(2)和式(3)计算剪切强度τ。

Pmax=Fmax

(2)

(3)

式中：τ为剪切强度(MPa)；b为试件横截面宽度(mm)；d为试件横截面厚度(mm)；Pmax为极限荷载(N)。

EN408中，提出了将试件以一定角度夹持的加载方式测试木材的顺纹抗剪强度。该标准中在试件两板面粘贴钢板，根据特定的试件尺寸给出试件的倾斜角度为14°。测试方法如图3所示。

图3 将试件以一定角度夹持的剪切试验

该倾斜角14°是由特定的试件尺寸：l=(300±2)mm、b=(32±1)mm、h=(55±1)mm决定的。计算其剪切强度τ见式(4)。

(4)

式中：τ为剪切强度(MPa)；l为试件长度(mm)；b为试件横截面宽度(mm)；Pmax为极限荷载(N)。

此方法与Gong等[18]根据ASTM D2718[19]发展的一种改进的平面剪切试验方法有相似之处。该方法的测试原理如图4所示。

图4 改进的平面剪切试验

计算其剪切强度τ见式(5)。

(5)

式中：τ为剪切强度(MPa)；L为试件长度(mm)；w为试件宽度(mm)；α是倾斜角(°)；Pmax为极限荷载(N)。

ASTM D2718中，在试件两板面上粘贴钢板，使试件保持竖直，通过施加压力的V形块和粘贴的两钢板实现对试件的剪切。测试方法如图5所示。

图5 将试件竖直夹持的剪切试验

计算其剪切强度τ见式(6)。

(6)

式中：τ为剪切强度(MPa)；l为试件长度(mm)；b为试件宽度(mm)；Pmax为极限荷载(N)。

2 国外CLT平面剪切性能的研究现状

伴随着CLT在全球近30年的发展历程，如今CLT在欧洲已广泛用于中高层民用和非民用建筑，加拿大、美国和日本等国家也在CLT板乃至CLT建筑的研究与应用中取得了阶段性的丰硕成果[20-22]。同时，欧洲和加拿大地区已对CLT进行了相对成熟的系统研究，特别是不仅对CLT力学性能和在建筑领域应用的研究做了大量工作，而且还在临时道路、城市化交通建设中的应用和CLT板的环境特性等方面取得较多的工程实例和研究成果。2005年，加拿大FPInnovation公司针对加拿大SPF为基材的CLT的加工工艺以及各项性能指标进行了相应的系统研究，并于2012年出版了《CLT手册》。该手册包括了CLT板的结构设计与计算、生产加工及各项工艺参数、各项力学性能的预测计算和测试方法、环境特性以及CLT建筑的抗震性能、防火性能等方面技术内容。2015年，英国BSI出版了关于CLT的标准EN 16351。该标准中给出了用四点弯曲加载方式以及压剪方法测量CLT平面剪切强度的方法，为规范测试CLT剪切性能提供了有效依据。2000年，Aicher等[23]运用有限元方法，对云杉制成的3层结构的CLT试件滚动剪切强度进行分析。研究表明，其滚动剪切强度根据年轮的不同分布而变化。2009年，Ayrilmis等[24]研究了不同测试方法对CLT滚动剪切性能的影响，并得出结论，采用通偏轴压缩加载得到的滚动剪切强度(3.8 MPa)比采用5点抗弯测试得到的滚动剪切强度(4.8 MPa)低26.3%。2011年，Yawalata[25]测试了三层CLT试件并验证了CLT制造工艺对滚动剪切的影响。研究发现，由SPF制成的3层CLT试件在0.4 MPa压力下的滚动剪切强度为2.22 MPa，在0.1 MPa下测得的值为1.85 MPa。这表明，较高的生产压力能提高CLT的滚动剪切性能。2014年，Qinyi Zhou等[26]为探究垂直层剪切性能对CLT设计和应用造成的影响，采用黑云杉的缩尺模型制作了3层CLT试件，通过面内剪切法和不同跨度弯曲法对其测试并研究了其滚动剪切强度。结果表明，黑云杉面内剪切试验测得的滚动剪切强度比不同跨度弯曲试验的试验结果高出2倍多。显然，探究科学准确地测试CLT滚动剪切性能的方法工作迫在眉睫。2015年，Schneider等[27]通过改变CLT尺寸来探究对滚动剪切强度的影响，结果表明当侧面未胶合时CLT滚动剪切强度与其尺寸成正比，但侧面胶合时的CLT滚动剪切强度则与尺寸成反比；这验证了试样的宽度会影响CLT的滚动剪切刚度，但当宽度超过一定值时，则影响不明显。2015年，Meng Gong等[28]将不同阔叶材树种分别作为CLT垂直层材料，替代垂直层常规材料SPF，制成特制3层结构CLT试件对滚动剪切性能进行测试。根据试验结果发现，阔叶材(研究中采用杨木和桦木)的抗滚动剪切性能要优于针叶材(研究中采用云杉)，所测试件的平均滚动剪切强度是3.00 MPa。研究表明，使用阔叶材作为CLT的垂直层可有效地改善滚动剪切性能；杨木与桦木相比前者滚动剪切模量和强重比更具有优势。2016年，Maurizio follesa[29]通过四点弯曲试验测试 CLT 板的力学性能并评估各个预测CLT变形和破坏极限相关理论的准确性，试验中 CLT 承受面外荷载作用，结果表明三种不同理论计算得到的滚动剪切强度特征值有很大差异。Sikora KS等[30]对西加云杉制成的CLT进行了研究，确定了CLT板的厚度对弯曲刚度和强度以及剪切性能的影响，通过弯曲试验和剪切试验测试了3层和5层 CLT 试件在面内和面外的力学性能。研究结论表明，CLT 厚度增加，其弯曲强度和滚动剪切强度均降低，同时试验也测得了西加云杉的滚动剪切强度平均值为1.0～1.2 MPa。同年，Li Y等[31]对CLT进行斜坡加载和低周疲劳载荷试验，研究了损伤累积和DOL对CLT滚动剪切强度的影响，根据斜坡加载测试结果得出，3层CLT比5层在破坏时的最大滚动剪切强度更低。2019年，Jonas Turesson[32]研究了板宽对CLT面内剪切的影响，采用有限元计算剪切刚度，并显示为相对于边缘胶合CLT板剪切刚度的折减系数，得出结论大多数宽厚比折减系数在0.6～0.9之间，且使用低宽厚比的板可以得到低的折减系数。

3 国内CLT平面剪切性能的研究现状

目前，国内对 CLT 的研究还比较浅显，起步也较晚，但近年来有了较快发展，对于CLT的研究和推广热度一直在上升。许多高校和研究单位，例如南京林业大学、同济大学、中国林业科学院木材工业研究所等诸多高校、研究单位相继开展了对CLT性能的探索研究。2016年，阙泽利等[33]对不同厚度的杉木层板对CLT的弯曲力学性能的影响进行了探究。结果表明，以杉木为基材的五层单元结构的CLT达到了日本CLT标准中同级CLT的力学性能要求。2016年，付红梅[34]研究了不同材料制成CLT的滚动剪切性能。结果表明，速生杨木、SPF和LVL三者相比，速生杨木滚动剪切性能最好，这说明在CLT横向层可以考虑使用速生杨木。王志强等[35-36]还对杨木制成的CLT试件进行压缩和浸渍处理，结果表明这些处理对试件的滚动剪切性能并无明显提高。2016年，姜桂超[37]以杉木为研究对象研究厚度和奇偶层层板层厚比对 CLT 力学性能的影响，结果表明层板厚度对构件的破坏形式有很大影响。2017年，高子震等[38]对铁杉CLT滚动剪切测试方法与相关理论，以及应用平面应力剪切法对CLT的滚动剪切性能等进行了系统分析与研究，并对CLT的滚动剪切性能进行了预测，对CLT工程应用具有重要意义。2018年，谢文博[39]测试与分析了铁杉CLT板抗弯强度、主强度方向的弹性模量，以及层间剪切强度、胶层剪切强度和浸渍剥离等性能。该研究表明，CLT垂直层滚动剪切强度对于CLT抗弯强度和界面层剪切强度尤为关键。2019年，王正等[40]对三层、五层和七层CLT矩形截面梁的剪应力进行研究。主要结论表明，CLT层数、平行层与垂直层弹性模量比值EL/ET(或EL/ER)会影响CLT梁的层间剪应力和最大剪应力。

4 结束语

国内在CLT平面剪切性能研究中取得了较好的研究成果，但在其理论指导和试验验证等深度和广度的工作研究上仍亟待加强，如缺乏对CLT垂直层应力状态及其破坏机理的深入研究，等等。为此，在今后的CLT平面剪切性能研究中，可充分借鉴国内外现有的相关研究成果，扬长避短，建议重点做好以下五点工作：

(1)目前针对CLT剪切性能的分析大多是针对剪切强度、弹性模量以及最终破坏形态方面，可以通过载荷位移曲线与试件的全程实时视频监测方式来进行动态分析，解析每个时间节点下试件与曲线的对比情况，全面了解CLT在受剪时的试件与载荷位移曲线同步动态过程，清晰地了解裂纹产生和扩张的全过程。

(2)开展CLT应力分析与理论计算，主要包括平面应力计算与分析。一方面，通过计算CLT平行层和垂直层的应力分布，确定平行层、垂直层的正应力和剪应力分布，并确定垂直层的应力状态。另一方面，利用平面应力状态分析、垂直层破坏方位角，对CLT试件垂直层的破坏类型及其应力应变机理进行综合分析。

(3)对三点弯曲法中的剪切强度计算公式进行修正，同时对平面剪切试验法中的三叠层等厚和不等厚的CLT剪切试件的倾斜角公式进行推导，计算特定长厚比CLT剪切试件的倾斜角。

(4)开展三层、五层、七层等厚和不等厚的CLT平面剪切强度测试方法研究及其破坏机理分析，提高该CLT研究工作的系统性和完整性。

(5)借鉴国外相关标准，进一步完善我国有关CLT的技术标准。

总之，在我国大力倡导发展绿色建材的大背景下，CLT作为目前世界上最新型的绿色建材值得推广。进一步加强CLT平面剪切性能技术的研究，对促进CLT的优化设计与制造，以及国内CLT板的产业化发展具有良好的作用。