钉合正交层积木板抗弯性能试验*

张延年，刘 叶，韩立坤，吴 献

(沈阳建筑大学 土木工程学院，沈阳 110168)

据统计，建筑业是消耗能源最多的行业，在过去二三十年里，我国大力发展了钢结构和混凝土结构，而像木结构这样的绿色建筑却被忽视.木结构建筑具有施工工期短(可以全天候施工[1]，不受天气的影响)、结构质量轻、构件规整等优点，因此可以采用大部品总成装配，工业化程度更高.交错层压木材(CLT)，又称交错层级材，是一种新型木建筑材料，采用的杉木(云杉、冷杉等)分拣后切割成木方，经正交(90°)叠放后，使用高强度材料胶合成实木板材.理论上讲，CLT可用作高达10层木结构建筑的结构材料，并且可以作为水泥或钢材的替代材料[2].CLT的正交层压木板存在一个最佳长宽比，使用同种木材，层数越多，厚度越薄，则其双向受力性能越优越[3].CLT板的防火性能很优秀，碳化层和胶黏剂能较长时间维持CLT的内部结构强度[4]，CLT的整体结构具有较强的抗震能力以及很好的双向力学性能[5].

CLT自从欧洲诞生以来，在加拿大、挪威、奥地利、日本等国也迅速得到发展，其研究成果被应用到了许多实际工程中，大大推动了CLT的发展.此外UBC大学还分别对3、5、6、7层交错叠合胶合板、钉合板进行了力学性能测试和有限元数值模拟分析，研究表明，这种新型木板表现出良好的工作性能[6].日本还曾在试验室振动台上对一座8层CLT木建筑进行抗震性能研究[7].目前，我国针对CLT建筑的规范已经立项正在修订中，《木结构设计规范》(GB50005)的最新修订版拟补充CLT结构的相关内容.

2014年3月，我国首栋双层CLT-轻型木结构混合展示建筑在河北省迁安市落成；同年8月，我国首条CLT重型木结构生产线在迁安市投产[8].长安大学硕士研究生傅梅珍在硕士论文《CLT桥面板受力性能理论与试验研究》[9]中则介绍了CLT板的结构用料，还详细介绍了国外的CLT板设计理论和设计方法，通过研究CLT板抗弯性能得出影响CLT板抗弯性能的因素并对这些因素进行参数分析；还通过CLT板的动力性能试验分析得出影响CLT板动力性能的重要因素，分别为板的连接方式和叠合层数.本文采用的钉合CLT板是利用钉连接代替胶连接的CLT，通过试验研究平面外竖向集中荷载作用下钉合CLT板的变形特性、破坏形态、极限承载力、挠度以及应变特征，分析钉子种类对钉合CLT板抗弯性能的影响.

1 试验概况

1.1 试件分组

本次试验的试件一共有2组，试件采用的材料均为进口的加拿大SPF，即云杉-松-铁杉的混合规格材，所有试件均采用钉合的方式连接，试件概况如表1所示.

表1 试件概况Tab.1 Sketch of specimen

1.2 试件制作步骤

首先在工作台上平整平齐紧密摆放好第三层顺纹实木板，并用固定装置固定好木板，接着在第三层上面也是平整平齐紧密且和第三层正交摆放好第二层的横纹实木板，并用固定装置固定好木板.接着在第二层上表面也是平整平齐紧密且和第二层正交摆放好第一层的顺纹实木板，并用固定装置固定好木板.紧接着在第一层的上表面根据试件俯视图标好所有的射钉点位置，0°射钉时射钉枪要垂直木板表面射钉，30°射钉时借助辅助射钉支架射钉.光杆与螺纹杆0°钉接试样纵向截面图(从上到下分别为一二三层)如图1所示(单位：mm)，30°钉接试样纵向截面图如图2所示(单位：mm)，成品图如图3所示.

图1 0°试件纵向截面Fig.1 Longitudinal cross-section of 0°specimen

图2 30°试件纵向截面Fig.2 Longitudinal cross-section of 30°specimen

图3 试件成品图Fig.3 Finished product of specimens

1.3 试验加载装置

对简支受弯梁板进行抗弯性能试验，采用均布压重来测试在均布荷载作用下构件受力和变形变化规律.试验过程中，为了方便施加荷载，需要对均布荷载进行等效加载，此时可用油压千斤顶采用三分点加载，同时也可以模拟纯弯曲和弯剪区不同受力状态.荷载按照每级2 kN增加，每级荷载持续3 min，持荷后记录试件的相应位移和应变，以及试验时能看见和能听见的现象，直至试件破坏.

钉合CLT抗弯试验在沈阳建筑大学结构工程实验室内进行，如图4所示.静载试验采用加载门架和油压千斤顶，并使用鞍山东信自动化有限公司生产的通道扩展连接器，分级加载时通过手动油泵施加荷载，然后利用荷载传感器和静态应变测试仪控制加荷大小.

图4 试验设备图Fig.4 Test devices

2 试验结果与分析

2.1 钉入角度对抗弯性能的影响

已知试件KWG1的极限承载力为54.4 kN，极限抗弯弯矩为19.36 kN·m，跨中最大位移为127.13 mm；试件KWG2的极限承载力为45.8 kN，极限抗弯弯矩为16.30 kN·m，跨中最大位移为103.55 mm.由此可知，采用30°施钉的方式，极限承载力提高了18.78%，极限抗弯弯矩提高了18.78%，跨中最大位移增大了22.78%.试件KWG1和KWG2的荷载-位移曲线和荷载-应变曲线如图5～6所示.

图5 荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement curves

由图5可知，两个试件的位移变化规律差异不大，均呈线性增长.由图6可知，0°施钉的试件跨中和三分点截面的应变变化规律几乎一致；而30°施钉的试件跨中应变明显大于三分点截面的应变，也大于0°施钉的试件跨中和三分点截面的应变，说明采用30°施钉造成底部受拉区的木材变形过快.试件KWG1和KWG2的破坏形态如图7～8所示.

图6 荷载-应变曲线Fig.6 Load-strain curves

图7 试件KWG1主要破坏形态Fig.7 Main failure modes of specimen KWG1

由图7～8可知，试件KWG2的破坏形态明显要严重于试件KWG1.试件KWG2的破坏部位主要集中在受拉区的一块顺纹木板上的跨中部位，该顺纹木板完全被拉断.破坏部位的裂缝长且宽，贯穿整块木板.由图8可以看出，在破坏的部位有一部分木材严重翘起，在翘起木材的根部，裂缝则继续曲曲折折沿横纹方向发展，导致整根顺纹木板被拉断.试件KWG1主要破坏部位在受拉区同块顺纹木板的三分之一截面和三分之二截面处，虽然也有整块顺纹木板被拉断，但是拉断部位没有严重翘起的木材，从表面上只看到裂缝主要沿木板横纹方向发展，在顺纹方向上裂缝的长度并不大.由此可知，0°施钉的试件破坏程度严重，破坏部位集中在跨中区域，破坏部位有严重的翘起，破坏裂缝在横纹和顺纹方向有较深的发展，裂缝宽且长；30°施钉的试件破坏程度轻微，破坏部位分散在三分点截面处，破坏部位没有翘起，破坏裂缝主要在横纹方向发展，顺纹方向没有较深的发展，裂缝细且短.

图8 试件KWG2主要破坏形态Fig.8 Main failure modes of specimen KWG2

2.2 钉子种类对抗弯性能的影响

两个试件的试验结果如表2所示.由表2可以看出，光杆钉钉合CLT板的极限承载力、挠度和应变值均比螺丝钉钉合CLT板大.

表2 极限承载力、挠度和应变Tab.2 Ultimate bearing capacity，deflection and strain

试件KWG2与KWL3的破坏形态如图9所示，两种钉合CLT板的破坏形态相似.

图9 试件破坏形态Fig.9 Failure modes of specimens

发生破坏的截面位置均在1/3截面和跨中附近，且被破坏的层面均是底层的第一根和第二根顺纹木板，即底层受拉区发生脆性破坏，顶板受压区的构件几乎没有破坏的痕迹.不同的是螺纹钉钉合CLT板的裂缝并没有贯穿整块单板，单板没有被完全折断，而光杆钉钉合CLT板的裂缝则曲折贯穿整块单板，单板完全被折断.

图10为钉合CLT板各截面处应变比较.纯弯区的变形略大于弯剪区的变形，由此可知纯弯区的拉力最大.荷载较小时，跨中和1/3截面处的应变变化相近，荷载不断增大后两者的变化速率才有明显变化，说明弯剪区的剪力会影响CLT结构的应变[10-11].这表明钉合CLT板在到达极限承载力之前应力应变一直呈线性变化，说明钉合CLT板的变形为弹性变形，这种弹性变形可以在很短时间内恢复.

图10 钉合CLT板各截面处应变比较Fig.10 Comparison of strain for different cross-sections of nailed CLT plate

两个试件的竖向位移均随着荷载增大而逐渐增大，两者的挠度均超过了100 mm，远大于钢筋水泥楼面板的位移值，说明钉合CLT板的变形能力大，抗震性能好；光杆钉和螺丝钉钉合CLT板其挠度变化非常接近，其最大位移也相差较小；荷载较小时，两者挠度增长幅度相同，荷载超过30 kN后，光杆钉钉合CLT板位移增长比另一种缓慢，表明光杆钉钉合CLT板有效刚度大于螺丝钉钉合CLT板.在达到最大位移之前，位移值的增长速度减小，钉合CLT板的有效刚度增大，由此可知，荷载较小时，钉合CLT板的刚度较大，随着荷载增大，钉合CLT板的刚度减小.

3 结 论

本文通过钉合CLT板的抗弯性能试验对比，可以得出以下主要结论：

1)30°施钉能够较好地咬合顺纹木板和横纹木板，限制了顺纹木板破坏时严重翘起，同时还限制了破坏裂缝沿着顺纹方向发展，大大提高了钉合CLT板的极限承载力；30°施钉(斜钉方式)增大了CLT板的层间作用力，进而加大了CLT板的整体性，提高了钉合CLT板的受力性能.

2)30°施钉(斜钉方式)有利于提高钉合CLT板的延性，增大其变形的能力，说明30°施钉(斜钉方式)不利于钉合CLT板维持初始刚度.

3)光杆钉相对于螺丝钉提高了钉合板的极限承载力，增大钉合CLT板的挠度，但是增大程度不明显；两者的挠度值远大于规定值，两种类型的钉合CLT板延性性能好，变形能力大，抗震性能强.

4)螺丝钉强大的咬合力可以阻碍裂缝由外侧向内侧深层发展，从而保护内侧的结构，防止单块板被完全弯折断.荷载值相同时，两种钉合CLT板的应变差值不大，施钉类型对钉合CLT板的应变影响也不大.