工程用生物基材料力学性能研究★

李 小，王 倩，周巧宇，陶家乐，王 萍

(1.湖南工商大学前沿交叉学院,湖南 长沙 410205;2.中国华西工程设计建设有限公司长沙分公司,湖南 长沙 410006)

0 引言

国务院于2021年10月发布了《2030年前碳达峰行动方案》,明确指出工业领域需推动建材行业碳达峰,加强新型凝胶材料、低碳混凝土、木竹建材等低碳建材产品研发应用。传统建筑行业迎来向“建筑材料低碳化、建筑结构绿色化”转型的重要契机[1]。既有研究表明,生物质材料建造而成的现代木/竹结构能耗低,每平方米木结构能耗为砖混结构的1/3,每平方米竹结构能耗则为砖混结构的2/3,研究和发展工程用生物质材料有助于实现建筑行业碳达峰的目标。工程用生物质材料具有环保、美观、力学性能优越等优点,近年来引起学术界和工业界的广泛关注,已形成现代木/竹结构试验、设计、施工相关的规范体系,建成了竹结构房屋、大跨度胶合木拱桥、18层全木建筑等新型结构[2-4]。现代木/竹结构的迅猛发展离不开对工程用生物质材料力学性能的研究。全球范围来看,关于工程用生物质材料的研究主要包括两个方面,即短期荷载和长期荷载作用下的力学性能研究。从材料的角度来看,工程用生物质材料可分为工程用木基材料和工程用竹基材料。两者虽同属黏弹性材料,但是力学性能有一定差别。因此,本文将分别总结工程用木基材料和工程用竹基材料力学性能本构模型、概率分布及设计方法,对比工程用木基材料和工程用竹基材料的优劣,为生物质材料在工程中的进一步推广和应用提供参考。

1 工程用木基材料

采用现代工艺加工木材,可以制作多种工程用木基材料,如胶合木GLT(Glue-Laminated Timber)、单板层积材LVL(Laminated Veneer Lumber)、定向木片板OSB(Oriented Strand Board)、正交胶合木CLT(Cross Laminated Timber)等,如图1所示。

1.1 本构模型

除了通过试验研究获取工程用木基材料的基本力学指标分布之外,为探究工程用木基材料在不同短期静力荷载作用下的受力机理,国内外研究人员通过理论研究的方式对工程用木基材料的本构模型进行了研究。既有研究将工程用木基材料复杂的受力行为分为线性受力和非线性受力两个阶段。线性受力阶段通常采用弹性本构模型来描述;非线性受力阶段则主要采用弹塑性模型、弹性损伤模型和弹塑性损伤模型这三种本构模型来描述。杨娜等[5]在单参数纤维复合材料本构模型的基础上提出一种双参数的弹塑性本构模型,并通过红松材受压试验对模型的参数进行识别,双参数的弹塑性本构模型考虑了纤维方向的塑性应变,可以预测任意方向压力作用下木材的应力-应变变化规律。弹塑性本构模型、弹性损伤模型[6]、弹塑性损伤模型[7-8]各有优缺点,如表1所示。

表1 不同本构模型的优缺点

值得指出的是,与其他木工程用木基材料不同,CLT能克服木材各向异性,可作为承重构件应用于大跨度和高层现代木结构中,近年来成为工程用木基材料领域的研究热点。由于正交的层积方式,CLT有突出的滚动剪切的特性。目前主要采用机械连接理论、复合层板理论、剪切类比法和简单设计法来预测CLT的等效抗弯刚度和抗弯强度等力学指标。

机械连接理论对CLT简支梁且荷载分布形式为正弦半波的情况提供精确解,但对其他荷载分布形式仅可提供近似解;复合层板理论对跨高比较大的情况比较准确,但是无法剪切变形;剪切类比法的适用范围较广,预测抗弯刚度、抗弯强度及抗剪强度。如Paul Crovella[9]将北美白松、红枫和水曲柳这三种低等级木材制成交叉层压木板,测试其弯曲刚度,发现剪切类比法预测的软木材CLT板的弯曲刚度低于5%,预测的硬木CLT板的弯曲刚度低于25%。孙晓峰等[10]则采用剪切类比法计算了铁杉正交胶合木板弯曲、剪切标准值和设计值。Niederwestberg等[11]研究了3层和5层CLT板的剪切刚度,利用Timoshenko梁理论和剪切类比法将计算结果与单层性能评价的剪切刚度值进行了比较,发现剪切刚度对于顺纹剪切模量和横纹剪切模量较为敏感。

1.2 概率分布和设计方法

国内外学者对以上工程用木基材料的抗拉、抗压、弯曲、剪切和扭转等力学性能开展了广泛研究。由于木材各项异性、锯材分级技术的局限性,导致制作而成的木基产品性能变异性较大,因此,科研人员通常采用概率的研究方法研究工程用木基材料的各项力学性能。如Köhler Jochen等[12]提出木材顺纹抗拉强度服从Lognormal分布,横纹抗拉强度服从2-p Weibull分布,顺纹抗压强度服从Lognormal分布,横纹抗压强度服从Normal分布,弯曲强度服从Lognormal分布,剪切强度服从Lognormal分布。王春明等[13]选用国产杨木制作成LVL,采用拟合优度检验方法进行研究,发现杨木LVL的顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度和抗弯强度均符合Lognormal分布。Zhou Yang等[14]采用通用试验装置进行足尺LVL构件的抗扭试验,发现LVL的剪应力高度依赖于材料的剪切模量。针对规格材的稳定性问题。祝恩淳等[15]采用回归分析方法,确定了规格材轴心受压试件的稳定系数,提出的稳定系数统一算法可适用于各类木产品构件,并给出了木结构可靠度理论分析的功能函数G及规格材抗弯强度设计值fd的计算公式[16],即:

其中,KA为木构件截面尺寸不定性系数,随机变量;KP为抗力计算模式不定性系数,随机变量;KQ3为荷载持续作用对木材或木基产品强度的影响系数,随机变量;f为木材或木基产品的短期强度,随机变量;fk为木材或木基产品的强度标准值;KDOL为荷载持续作用效应系数,常量,为KQ3的均值;Ψc为荷载组合系数;g为恒载与其标准值之比;q为可变荷载与其标准值之比;ρ为可变荷载与恒载的标准作用效应比;KB为作用效应计算方程的不定性,随机变量;γR为木构件的抗力分项系数,常量;γG为恒载分项系数,常量;γQ为可变荷载分项系数。

其中,fd为木构件的设计值。

随后,钟永等[17]以国产兴安落叶松规格材为研究对象,采用可靠度理论方法,优化了我国规格材强度设计值的计算方法。

以上研究主要通过对试验数据进行统计分析,获得工程用木基材料的抗拉、抗压、弯曲、剪切和扭转的强度的分布特征,为工程用木基材料的设计提供了基础数据。

2 工程用竹基材料

根据材料的组织结构,工程竹基材料大体可以分为集成竹材、重组竹材(如图2所示)。集成竹材保留了竹片的完整性,重组竹材则将竹材加工成长条状竹篾、竹丝或碾碎成竹丝束后重新胶合压制成的型材,密度更大,硬度更高,胶合程度更紧密。

2.1 本构模型

近年来,国内外学者通过试验和理论分析对工程用竹基材料的短期强度、变形等力学性能进行了研究。为探究集成竹材的力学性能,肖岩等[18]系统地开展了结构用胶合竹材的研究,论证了结构用胶合竹材的优越性能。沈玉蓉等[19]基于Euler梁理论,考虑材料非线性建立了压弯构件在塑性工作状态下的承载力计算方法,并通过重组竹梁受弯试验和重组竹柱偏心受压试验验证了该方法的准确性,为现行相关设计规范仍采用线弹性计算方法提供了估算重组竹梁压弯承载力。Wen Liu等[20]开展了竹篾层积材和胶合竹板的面内纵向的混合Ⅰ/Ⅱ型断裂试验,构建了以上两种工程用竹基材料的混合Ⅰ/Ⅱ型断裂包络图,发现胶合竹构件比竹篾层积材构件的安全性更高。

在纯竹工程材料的基础上,学者借鉴CLT的层叠概念,进一步提出了正交胶合竹木Cross Laminated Bamboo and Timber(CLBT),并对这类竹基材料的性能开展了一系列研究[21]。研究发现CLBT梁的弯曲承载力高于SPF梁的承载力;CLBT墙的保温隔热性能较好,其热阻值随着外部温度升高而降低,其热阻值与热传系数与CLT墙的接近,具有替代CLT的潜力。为探究CLBT偏压力学性能,Hao Li[22]进行了224个CLBT小试件的偏压试验,发现与胶合层板构件相比,CLBT构件在偏压作用下的力学性能随着偏压角度的变化更为缓慢,提出了偏压作用下弹性模量的预测模型,模型的形式和材料均会影响CLBT构件偏压力学性能预测模型的精度。

2.2 概率分布和设计值

工程用竹基材料各项力学指标的概率分布和设计值的确定是其能推广到工程应用的关键问题之一。江泽慧等[23]较早地开展了工程用集成竹材的物理力学性能的研究,获得了工程用竹集成材的基本物理指标,发现集成竹材的水平剪切强度明显优于LVL、落叶松等木基材料,且抗弯强度及弹性模量等也很优越。肖岩等[24]通过试验获得了工程用胶合竹的抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度,计算了各自的平均值和变异系数,提出采用容许应力折减系数计算胶合竹材的设计参考值的方法。苏毅等[25]通过对集成竹材的材性试验和15个集成竹材简支梁试件的抗弯试验,开展集成竹材梁的非线性弯曲性能研究,提出集成竹材简支梁受弯承载力M和挠度zu的理论计算模型如下:

Zhi Li等[26]通过试验方法和理论推导给出了胶合竹板的嵌入强度的设计值,直接预测单向、层压胶合竹的连接件或交叉层压板的平均极限强度,为胶合竹结构的工程应用提供了理论基础。Zhi Li等[27]对用于工程的胶合竹板进行了拉伸、压缩、弯曲和剪切的力学试验,提出了可用于估算胶合竹的轴向和弯曲性能,给出了超过95%概率的强度特征值,并发现工程木制品相比,工程用竹基材料的强度值比工程木基材料要高得多,且强重比不小于典型的工程木基材料。

Huang Dongsheng等[28]则给出了重组竹顺纹受压三段式应力-应变关系,即线性、非线性强化和非线性软化受压阶段。针对竹基材料力学性能变异性大的问题,钟永等[29]优化了抽样技术,提出了重组竹特征值的计算方法。

以上研究主要通过对试验数据进行统计分析,获得工程用竹基材料的抗拉、抗压、弯曲、剪切和扭转的强度的分布特征,为工程用竹基材料的设计提供了基础数据。

3 结论

综上所述,针对工程用生物质材料的力学性能研究目前已取得较多成果,覆盖的材料种类丰富,涵盖了硬木、软木、集成竹、重组竹等不同的材料,为工程应用提供了较多的选择,但是目前仍有可以拓展的工作:

1)已有研究较多集中在短期力学性能的研究,对于长期荷载作用下的力学性能、保温隔热、声学等性能研究较少。

2)推导强度理论采用的理论方法多样化,假设条件有差别,因此尚未建立统一的力学本构模型。

3)主要针对清材小试件进行抗拉、抗压、抗弯、抗剪等试验,但是试验标准尚未统一,因此试验结果有所差异,且较少涉及足尺试验研究尺寸效应,因此基于可靠度的强度设计值的计算还应该考虑尺寸效应等影响因素。