单板层积材及其数字模拟应用的研究现状与发展∗

左康华 徐文彪 李翔宇 时君友

（北华大学材料科学与工程学院，吉林省吉林市 130000）

目前，我国的土木工程主要以水泥、钢筋、混凝土等传统材料为主。在建造和拆除建筑物时产生的建筑废料不仅占用大量土地，也造成严重的环境污染，可回收、可再生的木、竹材作为绿色建材重新回到人们的视野。但木、竹材作为建筑结构用材存在一些不利因素，如其自身的各向异性，木节、树种繁多，幼龄期与成熟期材质性能差异明显等。

单板层积材是由多层单板按顺纹方向组坯热压胶合而成的板材（简称LVL），与实木相比，其结构均匀，强度和尺寸稳定性高，因而被用于木结构建筑、桥梁及家具等领域。本文主要对近几年国内外单板层积材的研究进行梳理，介绍了数值模拟在单板层积材研究中的应用，以期为我国单板层积材和木结构的研究与发展提供参考。

1 单板层积材发展概况

单板层积材分为结构用和非结构用两类，其中结构用单板层积材用于高承载力领域，如建筑物中的承重构件梁柱、桥梁；非结构用单板层积材应用于受荷载保护或需低承载力的区域，如包装、车辆、船舶、家具、枕木、建筑物的装饰柱和门窗框等。

结构用单板层积材主要以中低密度的针叶材为主，如松木、杉木等，较少采用阔叶材如桦木。目前我国列入GB/T 20241—2006《单板层积材》标准的主要为以落叶松、马尾松为主的针叶材。非结构用单板层积材对树种要求相对较低，适合胶合板生产的多数树种都可以纳入使用范围，我国以人工速生材杨木为主。

美国和日本是最大的结构型单板层积材生产国，拥有完整的工业化单板层积材生产线[1]。而我国对该领域的研究起步较晚，直到20 世纪80 年代才有相关人员开展了系统的研究，但迄今为止，大规格结构型单板层积材仍未实现工业化生产，国内结构型单板层积材主要依赖进口。目前我国的单板层积材年产量约为200 万m3，生产和应用主要为非结构用单板层积材。然而，随着我国木结构的大规模发展，对结构用单板层积材的需求越来越大[2]，因此，对结构用单板层积材及原料、性能、数值模拟的研究具有重要的实际意义。

2 单板层积材研究现状

2.1 原材料研究

目前，结构用单板层积材原料以松木、杉木为主，非结构用单板层积材原料以杨木为主，为了扩大单板层积材原材料树种的选择范围，学者们进行了诸多相关研究。

Prakash等[3]采用人工速生材泰米尔（Meliadubia）热压制备单板层积材，研究分析了单板层积材静曲强度、弹性模量、剪切强度，结果表明：板材强度值符合IS:14616—1999 “Laminated Veneer Lumber-Specification”单板层积材规范要求，可作为门窗框架用材。叶雨静等[4]以来源广泛的小径柚木为原材料制备单板层积材，研究表明：单板厚度对单板层积材的静曲强度和弹性模量有显著影响。生产相同厚度的单板层积材时，应根据施胶量和实际需要满足的力学性能选择合适的单板厚度，以保证成本与质量达到相对平衡。侯云艳等[5]选用竹材为原料，研究竹单板条层积复合材制备工艺的影响因素，采用正交试验，分析并确定了单板条尺寸规格、胶液浓度、浸渍时间、胶黏剂种类对其物理力学性能的影响。结果表明：板材静曲强度和弹性模量可达到GB/T 20241—2006 结构用单板层积材100E优等品等级要求，水平剪切强度达到该标准55V-74H等级要求。Haouzali等[6]采用肥沃、深厚、潮湿和粘质4种不同土壤中生长的10 个品种的杨木为原材料制备单板层积材，通过对比分析得出，土壤效应与力学性能无明显关系。Gilbert等[7]研究采用有大量自然缺陷的亚热带早中期（幼龄）人工林硬木制备单板层积材，定量分析6 种不同梁尺寸、4 个等级和3 种硬木树种（桉树、黄杨、蓝桉）的强度分布关系，对澳大利亚/新西兰标准AS/NZS 1170. 3“Structural design actions, Part 3: Snow and ice actions, Standards”规定的5 种主要设计荷载组合和3 种损伤累积率参数进行研究，得出单板层积材梁的承载力系数。该承载力系数比成熟龄期原材制成的单板层积材的低5%～12%。Cahyon等[8]以印度尼西亚的速生材雨树( Anthocephalus macrophyllus ) 为研究对象，采用RAL设计中三因素析因分析，探讨单板厚度、幼龄材与成熟材单板比例和单板层数对雨树单板层积材质量的影响。研究表明：单板厚度和幼龄材与成熟材单板的比例对雨树单板层积材的比重有影响，幼龄材与成熟材结合时，成熟材单板比例越高，性能越稳定。Purba等[9]以山毛榉和橡木等次优硬木为研究对象，研究2 种树种不同厚度和质量对单板层积材力学性能的影响。经对比分析得出：3 mm单板制备的层积材力学性能较佳，其中榉木性能略优于橡木；木节比例较低的单板制成的单板层积材力学性能优于木节比例较高单板制成的单板层积材。Musselma等[10]研究了单板层积材在2 种持续载荷作用下，位于剪力较低、弯矩较高的跨中三分之一处的木节对其近期和长期挠度及极限承载力的影响。结果表明：位于中等高度的木节对挠度影响不大；在张力或压缩区域的木节则会增加挠度。该研究有助于合理利用有木节的单板，提高单板利用率。

这些关于单板层积材原材料的研究为实现劣材优用，小材大用，缓解木材资源紧缺，提高木材使用价值等提供了有价值的参考。

2.2 单板层积材增强研究

2.2.1 力学性能增强研究

国内外从制造工艺、单板性能、增强方式等方面对增强型单板层积材进行研究[11]。

李文玲等[12]研究了纵横混合式组坯对杨木单板层积材力学性能的影响，结果表明：适当增加横纹组坯可以提高杨木单板层积材的抗拉性能。而随着横纹组坯的增加，静曲强度与弹性模量先减小后增大。Bakalarz[13]在单板层积材梁底部开凹槽加入碳纤维，以达到增强单板层积材力学性能的目的。通过对未加碳纤维、加碳纤维单板层积材力学性能的分析对比，得出加碳纤维的增强效果优于未加碳纤维的结论。钟伟等[14]研究表明用玻璃纤维布与碳纤维布复合材料可以增强静曲强度和弹性模量，分步热压法可以改善单板层积材水平剪切强度。吕亚会[15]利用玻纤植入和浸渍塑化复合技术增强杨木单板层积材，结合层状复合材料构成原理与短切纤维混合理论，对比分析了表面润湿性、表面形貌与化学成分的变化对增强型杨木单板的弹性模量、静曲强度的影响，研究表明植入密度较高的玻纤-杨木复合单板层积材的力学性能较好。这一研究为杨木中应拉木导致的单板反卷、弯曲和开裂等问题提供了解决方法。Rescalvo[16]以道格拉斯冷杉和杨木为原料，采用碳纤维和玄武岩纤维增强提升单板层积材力学性能，研究发现，碳纤维和玄武岩纤维在木材最薄弱部分加固，可极大提高弯曲性能，从而获得坚硬的二级杨木层积材或强度较高的次等道格拉斯冷杉层积材。袁朱润[17]对比分析了用酚醛树脂浸渍增强处理的中山杉木单板和未处理单板制成的单板层积材力学性能。结果表明：由浸渍处理单板制成的层积材力学性能明显增强，静曲强度和剪切强度达到结构用单板层积材国家标准要求，弹性模量达到非结构用单板层积材的标准要求。这一研究利于扩大中山杉木层积材在工程材料上的应用，甚至可用于对弹性模量要求不高但对剪切强度要求较高的结构构件。袁凯宇等[18]采用碳纤维布增强单板层积材梁，研究单板层积材的力学性能，并分析了材料非线性应力-应变关系以及构件的破坏模式、破坏机理。研究表明:碳纤维可增强单板层积材梁极限抗弯承载力。

2.2.2 功能性增强研究

Fleckenstein[19]以二甲基亚砜为溶剂，分别与木质素、木质素裂解产物、有机溶剂苯酚溶解的木质素按比例配成溶液，与商用酚醛树脂以2∶3的比例混合，处理山毛榉单板。研究表明加入木质素裂解产物处理的试件比商用酚醛树脂处理的试件表现出更高的耐候性。因此，工业木质素可在一定程度上替代商用酚醛树脂，作为单板层积材的改性剂。姬宁等[20]从单板的预处理、胶层处理、成品处理3个方面阐述了实现单板层积材防腐功能的方法。JIN等[21]采用防腐剂季铵铜对杨木单板进行常压浸渍处理，制备单板层积材，发现防腐处理材与未处理材的力学性能均达到GB/T 20241—2006标准要求，防腐处理材具有良好的胶合与防腐性能。Kurt等[22]选用速生材杨木为原材料制备单板层积材，研究压制时间对单板层积材可燃性能的影响，结果表明压制时间对可燃性能无明显影响。张德荣等[23]采用正交试验法对毛白杨单板进行阻燃处理，分析得出阻燃剂浓度与单板层积材静曲强度、剪切强度、弹性模量具有负相关的关系，并确定了最佳的阻燃剂浓度。于雪斐等[24]以慈竹为原材料制备单板层积材，30 d吸水厚度膨胀试验、湿热循环老化试验和6循环加速老化试验表明，竹单板层积材具有更好的尺寸稳定性，并且加速老化后试件性能无明显下降。

目前有关单板层积材增强研究取得了诸多成果，但多集中在对单板层材力学性能和可靠性方面，对单板层积材功能性如防腐、阻燃、耐候、耐久性等方面的研究有待加强。

2.3 竹木复合单板层积材

运用木（竹）质重组材料技术，对人工林木材、竹材疏解，树脂导入，密实重组处理，不仅可以克服如杉木、杨木密度低，材质软，桉树、马尾松等生长应力大，易变形等不足，还可赋予其防腐、耐候等新功能。

郎健珂等[25-26]以零碎短木粘贴竹制备竹-短木组合梁。分别采用乳白胶、特种竹木胶、免钉胶和环氧树脂胶4 种不同类型的胶黏剂将楠竹粘贴在樟子松上，并确定环氧树脂胶黏剂效果为最佳。通过对直拼的竹-短木组合梁、竹-实木组合梁、实木梁3 种梁受弯试验，对比分析其破坏形态、极限承载力和位移延性。研究表明，相比木单板层积材梁，竹-木单板层积材梁的抗弯能力有显著提升。刘君良等[27]以竹材为增强材料，用低分子量水溶性酚醛树脂浸渍，制备竹-单板层积材，研究竹与杨木单板混合组坯对力学性能的影响，对比分析得出竹子位于上下表层对单板层积材的力学性能增强效果最明显。田昭鹏等[28]研究采用竹束和竹席与杨木单板制备竹木复合层积材，研究表明竹束和竹席与杨木单板复合的层积材强度优于杨木单板层积材，分别达到140E、110E优等品要求。竹束与杨木单板复合材胶合性能优于竹席杨木复合材，组坯时全部采用顺纹组坯，可弥补竹材胶合性能不良的缺陷。张心安等[29]将二层竹帘分别加在杨木单板层积材上下次表层和一层竹帘加在杨木单板层积材中间，测试对比不同结构对单板层积材的动态与静态弯曲性能的影响，结果表明：竹材可以增强杨木单板的动态和静态弯曲性能，整体来说二层竹帘结构的杨木单板层积材强度更好。

现有单板层积材的相关研究大多以盲目的、破坏性试验及简单的线性数学分析为主，这不仅使试验缺乏科学的指导，且造成大量人力资金的浪费。

3 数值模拟在单板层积材研究中的应用

3.1 Box-Behnken设计优化试验

为优化单板层积材试验研究，提高试验效率，国内外研究者将数理模型引入单板层积材试验研究，将定量与定性分析进行有效结合。如Niu等[30]以大规格竹束单板层积材为研究对象，采用Box-Behnken设计建立影响层合板接长的3 个因素即：搭接长度、板密度和单板厚度的响应面模型，进行多目标优化，结合遗传算法求解生成高质量搭接参数的最优解。通过对比分析弹性模量、断裂模量、剪切强度的试验值与模型预测值，确定了使竹单板层积材搭接力学性能最大化的最佳条件。该研究将竹单板层积材试验与响应面模型相结合，科学有效地得出当时条件下的最优解。但该试验考虑的条件不够全面，对试验结果的准确性会有一定影响。

3.2 有限元方法应用

有限元方法与其他数值模拟相比具有以下的优点：首先，可以通过细密的单元来描述复合材料的结构性质；其次，采用有限个单元逼近存在复杂边界的大型连续域问题,可获得较精确的结果；而且有限元法具有较高的通用性。而木材作为具有各向异性的非均质天然高分子复合工程材料,机械性能与组织结构之间的关系异常复杂,其力学性能表现出强烈的非线性。Sharadendu[31]采用有限元法对复合材料简支梁进行数值模拟，采用解析法和有限元求解法对简支梁在不同荷载条件下的受力性能进行分析。对比分析有限元模型与试验结果，验证了有限元模型的可靠性，提出了可采用有限元进行结构双向受力破坏的设计分析。近些年一些学者将有限元分析方法应用于竹木材料研究[32-35]，针对木材特点建立了木材含水率和密度空间分布模型，木材顺纹动态压缩模型，木材弯曲时的变形、弯矩和应力模型，进行仿真分析。金强等[36]通过建立竹材碾压开纤的有限元力学模型，对比试验与仿真模型，优化得到碾压开纤的参数。Tahmasebinia等[37]对3 种不同的竹结构进行有限元分析，每种结构都具有不同的构件曲率和侧向支撑系统，初步提出了一套竹材构件的设计准则，可最大限度地发挥其固有的力学性能。

近几年，国内一些学者开始尝试将有限元方法应用到单板层积材研究。陈哲理[38]运用有限元模拟速生杨木层积材的热压过程，对比分析模拟与试验结果，继而通过回归分析进行优化，得出制作杨木单板层积材的最佳参数，并将软件数值模拟应用于杨木单板热压工艺流程。薛冰等[39]采用不同组坯、不同压缩率、不同单板厚度和不同环境相对湿度下的桦木、杨木、樟子松单板层积材，研究用Ansys程序分析单板层积材力学性能的可能性，分析了无损检测动态杨氏模量、静态弯曲强度、静曲强度间的线性关系。对比结果表明，纵波传播法、纵向共振法、弯曲振动法等无损检测方法结果回归分析的模糊贴近度与相关性系数大小变化吻合，检验线性回归分析时贴近度可作参考。刘海明[40]对碳纤维布增强单板层积材的制备工艺进行试验研究，并以试验为基础基于有限单元法建立碳纤维增强单板层积材三维几何模型和有限元模型，试验结果与仿真结果一致，表明建立的有限元模型准确可行。

3.3 机器学习的应用

随着计算机软件技术的发展，计算机领域一些算法的高效性引起了一些学者的关注。Kazi[41]利用机器学习的方法建立了人工神经网络模型，在满足所需目标性能的前提下，实现复合材料的目标填充量。使用Python中的Keras库在TensorFlow后端训练先前获得的试验数据集，然后使用超参数调整和k-fold交叉验证方法获得性能更好的模型预测目标填充物量。试验表明，该方法减少了大量样品表征的时间，有助于材料设计者有效精准地设计未来试验，特别是对于单板层积材复杂试验的设计。褚鑫[42]选取130 种常见的商品用材的木材标本，用Hot Disk热常数分析仪获取样本原始数据。基于自适应神经模糊推理系统和 BP 神经网络建立两种木材热常数计算回归模型。研究表明，选用这两种神经网络算法可以使计算精度与计算资源消耗之间取得较好平衡，同时证明了用粒子群算法优化后的概率神经网络可对木材样本所属“科”的种类进行很好的区分。将神经网络这种算法模型引入木材研究，可以高效精准建立模型，试验与模型合理结合可提高试验的精准度，节省人力、物力成本。将上述方法恰当地应用于单板层积材研究可最大程度优化试验，节约资源。Nguyen[43]选用原生林斑点桉（Spotted Gum）、人工林南方松和湿地松作为单板层积材的原材料，利用遗传算法优化混合树种制造单板层积材。研究结果验证了所得到的最优构造策略的精准性。

4 结语

单板层积材力学性能优异，在我国主要用于建筑构件、建筑内装修、集装箱板、家具等领域。目前我国还未形成大规模的工业化生产，用材资源受限，产品主要依赖进口。今后应注重以下方面的研究：1）高效利用速生人工林与竹材，进一步开发有潜力、有前景的树种作为单板层积材原料，制备高性能低成本产品；2）目前有关单板层积材的大量研究集中在制造工艺与力学性能等方面，关于防腐、耐候、阻燃等性能的研究较少，未来应注重对功能型单板层积材的研究；3）现有单板层积材研究以破坏性试验为主，数理分析也以简单的线性关系为主，试验具有很大的盲目性，且浪费严重。近些年虽已有学者将一些优秀的数理分析模型引入木结构研究，但研究较少，将数值模拟精准应用于单板层积材研究，是完成工业化生产单板层积材原始数据积累的必要一步，今后应是重要的研究和发展方向。