原创《正交胶合木与其销槽承压强度现状》
该文是研究现状相关毕业论文开题报告范文跟正交胶合木和承压和强度有关论文如何写。
正交胶合木及其销槽承压强度研究现状*
王雪婷1 徐才峰2 王志强1**
（1. 南京林业大学 材料科学与工程学院, 江苏 南京 210037； 2. 苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司, 江苏 苏州 215100）
摘 要： 本文介绍了一种新型工程木产品-正交胶合木,并分析了国内外学者对于木材及正交胶合木在销槽承压强度等方面的相关研究现状,以期为这种新型工程用木产品的开发应用奠定理论基础.
关键词： 正交胶合木； 特性； 销槽承压
中图分类号： S 781. 69, TS 664. 03
文献标识码： A
正交胶合木（Cross-laminated timber,CLT）是一种最初发展于欧洲的新型工程木产品,该材料是由至少3层实心锯材或结构复合板材正交组坯,采用结构胶黏剂压制而成的矩形、直线、平面板材形式的工厂预制产品[ 1 ]（图1）.近年来,CLT产品不断被公众所熟知与认可,其不仅实现了“劣材优用,小材大用”的高性价比生产目标,在结构上也解决了木结构建筑层高限制的一大难题,被誉为建筑业的“第二次文艺复兴”[ 2 ].
图1 正交胶合木结构示意图
木结构节点连接一直是业内热点话题.研究表明,约80%的木结构失效都是由于节点连接的破坏所导致[ 3 ].在现代木结构中,连接件有多种不同的连接形式,比如钉连接、齿连接、螺栓连接和榫卯连接等等；其中,螺栓连接等销类连接是应用最广的节点连接形式[ 4 ],确定销类连接性能的前提之一就是须确定木材销槽承压强度.由于CLT与其它工程产品如胶合木相比,具有层板间缝隙和正交结构等构造特征,因此,研究CLT销槽承压性能有助于完善CLT结构的连接理论.
1 正交胶合木特性
1. 1 尺寸稳定性
由于普通正交胶合木(CLT)在结构上都满足正交、对称的原则,因此和普通木材相比,这种构造特征较大地降低了木材自身各向异性的不足.研究表明,CLT的线干缩湿胀系数为0.02%,其尺寸稳定性是实木和胶合木横纹方向尺寸稳定性的12倍[ 5 ].相关实验和实际案例也表明,CLT具备很好的尺寸稳定性和抗震性能,成功解决了木结构建筑在层高上的限制,如2007年在日本进行了一项7层CLT建筑地震台抗震实验,该CLT建筑承受了7.2级地震[ 6 ].澳大利亚10层Forté CLT公寓和加拿大不列颠哥伦比亚大学的18层全木结构公寓等高层木结构建筑中,都使用了CLT材料作为承重楼面板等构件.
1. 2 经济环保性能
木材本身就具备可降解的特性,是实现永续利用的绿色材料,不会对环境造成污染,在使用过程中,还可持续优化环境.2009年,英国建筑师Andrew Waughh与合作人Anthony Thistleton采用CLT联手设计建造了一座8层木结构建筑,该建筑从地板到天花板,甚至是电梯井完全由木质结构组成,承重墙及地板也都为CLT材料,工期时长仅耗用不到3个月的时间,据估测该建筑吸收了186 t碳[ 7 ].除此之外,研究还表明,在实际应用中1 m2的CLT可吸收温室效应气体222.55 kg,而钢筋混凝土则释放温室效应气体90.12 kg/m2.在水资源消耗方面,钢筋混凝土是CLT的18倍[ 8 ].
1. 3 耐火阻燃性能
木材的燃点在200～290 ℃左右,虽是固体可燃物,但其本身却可隔热.木材还具有炭化效应,当燃烧到一定程度时,其表面会产生炭化层,从而阻止材料的继续燃烧,保证结构在短时间内不容易被破坏；而钢材的导热性远高于木材,在火灾时则会迅速升温以致坍塌[ 9 ].此外,木结构建筑的耐火阻燃值是钢结构的1.3倍,是水泥结构的1.7倍[ 10 ].CLT属于大截面尺寸的重型木构件材料,其碳化速度与胶合木差别不大,故也具有很好的耐火阻燃性能.
2 木材销槽承压试验研究现状
2. 1 国内木材销槽承压试验研究
1986年,黄绍胤等研究了木材螺栓连接中的销槽承压强度[ 11 ],研究结果表明,螺栓连接木材顺纹销槽承压强度为：含水率15% 的木材标准小试件顺纹承压强度系数平均值为0.938,钢销的抗弯强度系数为0.907 6,其变异系数为2.16%和4,76%.2011年,刘柯珍针对国产落叶松规格材和落叶松胶合木试样进行半孔销槽承载试验[ 12 ],结果表明,国产落叶松规格材销槽承压强度平均值为39.93 MPa,试验值与理论值较一致；国产落叶松顺纹承压时,销槽承压屈服强度与木材密度正相关；当满足最小端距时,规格材的长度对销槽承压最大荷载和屈服荷载不影响；而对于落叶松胶合木,其顺纹承压强度与密度的相关性大于横纹承压强度.横纹抗压时,屈服荷载和销槽承压屈服强度与钢销直径呈较明显负相关,且销槽承压破坏与纹理方向相关[ 12 ].
2013年,李霞镇对重组竹销的销槽承压强度进行了研究[ 13 ]；董鉴等对木材销槽承压强度现状进行了研究与分析,总结了销槽承压试验的不同方法、不同影响因素的研究以及销槽承压强度公式的探究[ 14 ].2014年,张俊珍针对测试方法、钢销直径、层板等级、加载方向等因素,对日本落叶松胶合木销槽承压强度的影响进行试验,研究发现,层板等级对销槽承压强度影响最大,其次是钢销直径和加载方向；测试方式与销槽承压强度不相关[ 15 ].2016年,马贵进等针对湿度对花旗松胶合木销槽承压强度的影响进行研究,试验结果表明,不同湿度下的销槽承压破坏与纹理方向有关,但与湿度相关性不明显,且与相关规范理论计算值偏差较大[ 16 ].2017年,周巍宇对日本落叶松胶合木的销槽承压性能进行了研究,结果发现,横纹理方向钢销承压,试件达到屈服阶段仍持续增加,而顺纹理方向则达到最大值后突然降低；日本落叶松胶合木销槽承压强度随着密度的增加而提高；试验方法对销槽承压强度没有影响[ 17 ].
2. 2 国外木材销槽承压试验研究
1987年,Whale对大量针叶材、阔叶材、胶合板和加压木材纤维板的顺纹销槽承压强度进行了试验,研究发现,顺纹销槽承压强度与钢销直径关系为负相关[ 18 ].1989年,Hirai基于受拉加载方式,研究了试验方法和钢销直径对销槽承压性能的影响,结果表明,钢销直径不影响木材销槽的承压强度[ 19 ].1992年,Ehlbeck 研究比较了不同密度针叶材、阔叶材的销槽承压强度,发现阔叶材的销槽承压强度比相同密度针叶材的销槽承压强度大10%左右,并据此提出了相应的计算公式[ 20 ].2001年,Rammer研究了含水率对钉连接木材销槽承压的影响[ 21 ]；Noren研究了销槽承压强度随温度变化关系曲线,研究指出,销槽承压强度随温度增加而增加的原因是木材变干和结合水蒸发[ 22 ].2002年,Kweonhwan Hwang等探究了销钉直径及加载角度对销槽承压性能的影响,研究结论是：除少数情况外,LVL、SPL和LSL的销槽承压强度与销钉直径无明显关系,其初始刚度随着销钉的直径增大而减小[ 23 ]；Sawata等也通过试验研究了钢销直径和销槽承压强度的关系,得到的试验结果是：顺纹及横纹销槽承压强度随密度增加而增加,并由此提出了销槽承压强度的计算方法[ 24 ].2014年,Winistorfer通过选取6%和12%含水率的南方松和云杉进行试验,以此研究木材含水率对销槽承压强度的影响,研究指出,含水率低的同种木材,其销槽的承压强度要高一些[ 25 ].
3 销槽承压强度测试方法及计算
目前,销槽承压强度主要根据标准ASTM D5764-97a[ 26 ]和标准EN 383-2007[ 27 ]给出的2种销槽承压强度测定方法进行测试,分别采用半孔测试法和全孔测试法,如图2和图3.其中,全孔测试方法要求在试件中开出一个完整的洞口,同时要满足销连接件为刚性杆的要求,以保证试验的准确性；而半孔法测试则要求开半个洞口,加载面直接作用于半孔上的销连接件进行平压,加压过程中销连接件不能发生弯曲.由于测试方法对销槽承压强度没有显著影响[ 15 ],相比较而言,半孔法操作相对简单,易于实现,试验误差小,能比较准确地反映木材的销槽承压强度.
图2 ASTMD5764半孔法试验装置
图3 EN383全孔法试验装置
木材销槽承压强度的计算可以分别根据采用的不同测试方法,依据EN 383-2007或者ASTM D5764-97a中分别给出的公式进行计算,如式（1）和（2）.
fh等于■（1）
fh等于■（2）
式中： fh——销槽承压强度,N/mm2；
Fmax——极限荷载,N；
d——销直径,mm；
t——试件厚度,mm；
Fe5%——屈服荷载,N.
2个公式在计算上的区别为：EN 383-2007是通过绘制销槽承压荷载——位移曲线（图4）,确定极限荷载进行计算；而ASTM D5764-97a则是通过规定的“5%直径偏移法”求销槽承压屈服荷载.如,当5％偏移直线与载荷——位移曲线不相交时,则认为最大载荷为销槽承压屈服荷载,再根据计算式(1)计算得到销槽承压强度.
图4 销槽承压荷载-位移曲线
而对于正交结构的CLT,目前国际上还没有统一的销槽承压强度计算公式.不同的学者对CLT销槽承压强度计算进行了相关的研究,不同的规范和手册中,代表性的公式主要有以下4个.
（1）加拿大木结构设计规范（CSA O86-14）中,只采用调整系数Jx对木材顺纹销槽承压强度进行调整,调整后的CLT销槽承压强度计算公式以Hankinson 公式形式表示,如式（3）[ 28 ].
fiθ等于■(KDKKT)（3）
式中：
fip——木材顺纹销槽承压强度,N/mm2,fip等于50G(1-0.01d)Jx,Jx对于CLT材料取值0.9,其它木质复合材料取值1,G为木材比重,kg/m3；
d——销直径,mm；
θ——加载角度,即荷载方向与CLT试件表板层板纹理夹角,(°)；
KD,K和KT——分别为加载条件、使用环境和试件处理的调整系数.
（2）Kemmedy等建立了仅仅有关螺栓直径和加载角度的CLT销槽承压强度计算公式,如式（4） [ 29 ].
fθ,g等于■（4）
式中： ρ12——含水率为12%时试件的密度,kg/m3；
θ ——加载角度,(°).
（3）美国版本的CLT手册提出的CLT销槽承压计算公式,如式（5）.该公式考虑了CLT纵向层和横向层不同的销槽承压强度及承压长度的影响[ 30 ].
fθ,CLT等于(l∥fθ+l⊥ f90-θ)lp-1（5）
式中： l∥——纵向层受压长度,mm；
l⊥——横向层受压长度,mm；
lp——试件总受压长度,mm；
fθ——平行层销槽承压强度,N/mm2；
f90-θ——横向层销槽承压强度,N/mm2.
（4）T. Uibel和 H.J. Blaβ采用全孔方法测试620个不同加载角度和销所在位置缝隙情况等条件下的CLT销槽承压性能,建立了2个CLT销槽承压计算公式,如式（6）和（7）.其中,公式（6）没有考虑CLT的正交结构；公式（7）考虑了CLT的正交结构,即纵、横向层厚度不同的占比.公式（6）和（7）有效性的条件为：①CLT每层层板厚度＞40 mm；②0.95＜■＜2.1,即纵向层厚度与横向层总厚度之比在0.95到2.1之间[ 31 ].
fpred等于■（6）
fh,pred等于0.037·(1-0.016d)·ρ1.16[■+
■（7）
式中： d——销直径,mm；
ρ——CLT材料密度,kg/m3；
α——加载角度,(°)；
t0,i——CLT试件纵向层总厚度,mm；
t90, j——CLT试件横向层总厚度,mm.
4 结 语
CLT作为目前最新的一种工程木产品,国际上关于CLT材料及其应用等方面的研究正在逐步完善,国内CLT研究尚不深入.CLT与其它工程木,如胶合木,在结构构造上的差异,导致CLT物理力学性能特性方面如销槽承压性能的研究,成为CLT产品性能研究的重点之一.对于国内CLT材料的研究,同时也应基于国产木材、结构复合板材和国内木结构行业实际情况来展开.
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第1作者简介： 王雪婷（1996-）, 女, 工学学士, 主要从事木结构建筑的研究.
通讯作者： 王志强, 博士, 副教授, 研究方向： 新型工程木和木结构建筑.
收稿日期： 2018 - 07 - 23
（责任编辑： 潘启英）
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