CLT结构建筑体系与建筑技术研究进展*

王界贤 姚利宏 刘睿静

（内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

正交胶合木（Cross-Laminated Timber，CLT）结构建筑是20世纪90年代出现的一种由新型工程木产品CLT作为主要承重构件的现代木结构建筑[1]。CLT是由三层或三层以上实木锯材或结构用木质复合材（Structural Composite Lumber，SCL）通过相邻层相互垂直组坯，采用结构胶黏剂加压预制而成的实体木质工程材（图1），主要用于屋盖、楼板和墙体等木结构构件[2]。CLT板的正交组坯方式使其在材料主方向和次方向均具有相同的干缩湿胀性能[1-2]，提高了产品的尺寸稳定性，允许预制大幅面楼板和较长的墙板[3]。此外，CLT板的正交结构提供了相对较高的平面内外强度和刚度，以及阻止连接件劈裂的性能[1]。CLT板轻质高强[4]，为多高层木结构提供了可能[5]。

图1 CLT的组坯方式[3]Fig.1 Assembly patterns of CLT structure

1 CLT结构建筑体系

CLT建筑体系指以CLT楼板、墙板、屋面板等为主要承重构件，配以混凝土、钢等其他建材组成的一种新型装配式建筑结构[6]。CLT板因其较优的尺寸稳定性、环境友好性、强重比高等特点区别于钢筋混凝土、砖混结构等传统建筑体系。

1.1 CLT建筑体系形式

CLT建筑的结构体系有多种建造方式，根据构件之间的连接形式，可将CLT建筑体系形式分为平台式（platform-type）和连续式（balloon-type）两种[3]。

平台式结构体系采用平台施工法，每一层的楼面平台作为下一层CLT墙体的基础，即在完成某层所有墙板和楼板的吊装后再进行上一层墙板等构件的安装。因此，每层楼层（包括屋顶）的CLT楼板充当横隔板，用于抵抗横向荷载并将其传递到下面的剪力墙[3]。平台式建造是目前最常用的建造方式，尤其适用于多高层CLT建筑。这种建造方式具有施工方便、连接形式简单、传力路径明确等特点[7]（图2）。

图2 平台式CLT结构Fig.2 Platform-type CLT structure

在连续式结构体系中，CLT墙板沿整个建筑高度延伸，为一整块连续的长板材，形成主要的抗侧力系统（LLRS）[3]，中间的楼面板连接在CLT墙板上，类似于轻型木结构中采用连续墙骨柱的施工方法[3]。连续式CLT建筑一般采用筒体结构（CLT墙体和柱共同承重、建筑内部CLT承重墙体-外围密柱框架承重[10]），以使建筑平面更为开放、内部空间更为灵活。但这种建造方式在实际应用中并不常见[7]，因结构连接复杂，并且墙板受到CLT板长度限制，不宜在工厂预制，另外在建造过程中缺少操作平台，增加施工难度，所以这种建造方式一般用于底层、商业和工业建筑。加拿大魁北克市13层的Origine大楼和Arbora建筑群采用了此种建造方式（图3）。

图3 连续式CLT结构Fig.3 Balloon-type CLT structure

1.2 CLT建筑体系类型

从已有建筑实例来看，结合GB/T 51226—2017《多高层木结构建筑技术标准》[11]对高层木结构建筑结构体系的分类，CLT建筑的结构体系总体上可以分为两种：1）纯CLT结构，指承重构件均采用CLT产品的结构体系（如Stadthaus公寓[12]）；2）混合CLT结构，是由CLT构件与其他结构（如混凝土结构和钢结构或其他木材产品）构件混合承重的结构体系。混合CLT结构一般采用混凝土的基础形式，形成上下组合的木结构体系[13]。由于构件间的组合方式多样，在生产实践中产生了多种不同结构体系，一般是混凝土基础、混凝土核心筒、混凝土楼板、CLT核心筒、CLT剪力墙、CLT楼板、胶合木框架、胶合木梁柱、钢框架等构件的组合[14-17]。

CLT建筑在欧美应用较多。当前，已在挪威布鲁蒙达尔市建成的Mjøstårnet大楼是全球最高的木结构建筑，内含酒店、餐厅、办公室、公寓等，共计18 层，高85.4 m，采用胶合木框架支撑+CLT竖井+胶合木和混凝土楼板的混合木结构体系（图4），建筑的围护结构采用大型预制墙体[9]。随着木结构建筑正逐渐突破层数限制，Van等[18]提出利用CLT与混凝土结合来建造超过40 层（≤150 m）摩天大楼，以混凝土（8 m×21 m）为核心筒，外围CLT墙体（25 m×35 m）在一定间隔处使用悬臂支架，并用拉杆支撑连接，中间层楼板处添加刚性加强层，以保证建筑有较强的稳定性。我国在多高层木结构方面的研究起步相对欧美较晚[19]，在CLT建筑体系方面的相关工作主要集中于对CLT剪力墙结构的抗侧性能研究。

图4 Mjøstårnet大楼结构体系[9]Fig.4 Structural system of Mjøstårnet

2 CLT结构建筑技术

2.1 CLT建筑抗侧性能

在CLT结构建筑中，CLT构件主要用来抵抗地震和风带来的水平荷载，对CLT建筑抗侧性能的研究是一个重要方向。国外学者在CLT剪力墙及其结构体系的抗侧性能方面已有系统地研究，结果表明：CLT结构的破坏多集中于墙板与墙板、墙板与楼板或基础间的连接区域；抗剪件的布置及力学性能直接影响CLT剪力墙结构的抗侧能力[20-22]。Channinmi[23]针对6层CLT木结构建筑，研究了三种抗侧力系统（Lateral Load Resisting Systems，LLRS），分别为框架、核心筒和剪力墙，从建筑结构和经济适用的角度进行探讨，研究发现三种抗侧力系统中成本相对较高的是框架系统，因其对木结构的结构等级和节点处的连接有严格要求；其次是核心筒系统，最后是剪力墙系统。另外该研究介绍了抗侧力系统的基础，即套筒基础（图5），其混凝土和木柱之间铺设工程橡胶，用以吸收地震能量，帮助体系中的木柱在地震发生后仍然保持原来位。

图5 套筒基础（图解）[23]Fig.5 Socket foundation (diagrammatic)

国内关于CTT建筑抗侧性能的研究正处于起步阶段，已有研究主要集中于CLT剪力墙的抗侧性能，研究采用试验或有限元模拟的方法，内容涉及不同材料CLT剪力墙的抗侧性、以CLT作填充墙的胶合木框架或钢框架等混合结构的抗侧性研究。其中王志强等[24]对采用不同材料的CLT剪力墙的抗侧性进行了对比，发现与单一锯材CLT剪力墙相比，锯材-LVL混合材CLT剪力墙的抗侧刚度大，但破坏位移和抗侧承载力均较小。在以CLT做填充墙的混合结构抗侧性研究方面，沈银澜等[25]对以CLT剪力墙填充的钢框架结构开展了数值模拟分析，发现此混合结构的抗侧刚度、承载能力均高于纯钢框架结构。凌秀等[26]则通过试验印证了前者结论，发现钢框架-CLT剪力墙结构的抗侧刚度和承载力分别是纯钢框架的4.86倍和2.79倍。薛敬丞等[27]则对以CLT剪力墙填充的胶合木框架结构开展了抗侧性试验研究，与胶合木纯框架结构进行对比，发现其极限荷载、抗侧刚度和耗能分别为木结构纯框架的2.45倍、3.65倍和2.4倍。薛建阳等[28]通过试验，同样得出填充CLT剪力墙板后胶合木框架的抗侧承载力得到较大幅度提高的结论。

2.2 CLT建筑节点连接技术

在CLT结构建筑中，连接节点是整个结构体系受力的薄弱环节，有研究表明，CLT建筑中板间模型的不同连接方法会显著影响建筑刚度、振动周期、基础剪力和建筑延性[29]。因此，了解连接件的结构性能和连接技术对CLT建筑设计至关重要。

Follesa等[30]针对CLT墙板和楼板讨论了构件在同一平面内采用不同机械连接方式的力学性能，分别从不同节点连接的强度、刚度和操作难易、操作速度以及包括紧固件成本和人力成本在内的总成本等方面进行了分析。Gavric等[20]介绍了典型CLT螺纹连接件的大量试验项目及结果，对墙板间、楼板间、墙和楼板间的螺纹连接进行了面内单调、循环剪切和抗拔试验，对其强度、刚度、耗能、延性比和强度减值等力学性能进行了评价。Hassanieh等[31]研究了CLT楼板-钢梁连接节点间采用不同紧固件下的抗剪性能，通过试验分析提出了此类节点连接的抗剪承载力简化公式。Ataei等[32]开展了CLT-钢组合梁层间连接的试验，研究了其剪切滞回性能，对比了自攻螺钉连接和螺栓连接两种不同连接方式分别对节点抗剪承载力的影响，并建立了CLT-钢组合梁层间连接节点的抗剪计算数值模型。Brown[33]研究了采用不同角度自攻螺钉的CLT节点，对59个节点试件进行了9种不同构型的测试，通过单调试验和循环试验得出了相关的节点性能参数。结果表明，大多数连接件的平均实验超强度系数(γRd)为1.7，现有的分析模型在估算强度方面是足够的，但在估算刚度方面还不够。

在国内有关CLT建筑节点连接技术的研究中，姚悦等[7]率先根据国外学者的有关研究[34]和北美CLT手册[3]介绍了CLT建筑常见的几种连接方式，并分析了新型连接件自攻螺钉(Self-Tapping Screw，STS)的性能特点及在CLT建筑中的应用。Yang等[35]通过单向推出试验研究了国产落叶松-钢连接节点的力学性能，介绍了栓杆直径等因素对节点力学性能的影响，并采用指数模型对此类节点的荷载位移曲线进行了拟合。钟淼麟等[36]研究了紧固件数量对CLT节点力学性能的影响，分别对不同紧固件数量的CLT钢木连接节点在平行于木纹方向和垂直于木纹方向进行剪力单调加载试验，发现连接节点的破坏形式主要为环纹钉的弯剪破坏和弯曲变形；紧固件数量多于15个且垂直于木纹方向的连接节点在承受剪力荷载时还伴随层板的撕裂破坏。何敏娟等[22]探索了CLT墙与其下楼面钢梁采用预应力螺栓连接，测试了6组不同预应力状况下的试件，分析了侧向力作用下连接区域的破坏特征、承载力和抗滑移性能，测得不同预应力状况下墙与钢梁最大静摩擦力，得到了CLT-钢接触面在纯剪状态下静摩擦系数值。结果表明：CLT墙与钢梁的预应力螺栓连接节点具有较高的强度和刚度；加载完成之后，CLT和钢各自的摩擦面存在擦痕，其余部位未发现损伤。

3 结论

CLT建筑对发展我国现代木结构和绿色建筑具有重要价值。我国在CLT研究领域虽然起步较晚，但经过多年研究，在CLT建筑体系、抗侧性和构件连接等方面取得了阶段性进展和成果。同时相关标准和规范也在逐步完善，GB 50005—2017《木结构设计规范》、GB/T 51226—2017《多高层木结构建筑技术标准》等补充了CLT相关设计与构造要求，规定了部分类型CLT建筑适用的总层数和总高度，一定程度上弥补了多高层木结构建筑技术标准的空缺。在促进建筑绿色发展的背景下，随着市场新需求的不断加大，我国在CLT建筑的研究与应用方面也将加速发展。加快推进针对CLT建筑的规范体系建设和设计方法研究，是促进我国CLT建筑产业快速发展的前提。在材料加工、构件设计、节点连接、防火、抗震、防潮、隔声等方面加快开展技术创新突破，促进更多CLT建筑的落地建造，以工程实例积攒经验。同时加强数值模拟分析，建立可持续开展的理论研究系统。通过多方面努力，CLT建筑市场一定能健康发展，开拓广阔前景。