正交胶合木销槽承压性能研究进展∗

桂 涛 龚迎春 郭晨悦 王志强 郑 维 赵天长

（1. 南京林业大学，江苏 南京 210037；2. 中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091；3. 江苏森之虎建筑工程有限公司，江苏 南京 210008）

近年来，正交胶合木（Cross-laminated timber, CLT）由于良好的尺寸稳定性、防火性能、抗震性能以及较高的刚度、强度等力学特性，在中高层木结构中作为墙体和楼面板等承重构件得到广泛应用[1-2]。墙板与楼板间连接的节点处是木结构中相对薄弱位置，易发生破坏。相关研究表明，近80%的木结构破坏属于节点连接处失效[3]。销连接是木结构常用的连接方式之一，销类连接承载性能主要由销抗拔强度、抗弯强度和木材销槽承压性能构成。木结构销槽承压性能是评估销轴类连接力学性能的重要指标，确定木材销槽承压强度是确定销连接承载性能的基础[4-5]。CLT由于其正交结构等构造特性，使其销槽承压性能与实木或其他工程木有较大区别，因此确定CLT销槽承压性能对CLT构件连接设计有重要意义。本文对比2 种销槽承压测试方法，归纳总结CLT销槽承压性能影响因素和强度计算公式，以期为今后CLT销槽承压性能的相关研究提供参考。

1 销槽承压强度测试方法

木材销槽承压性能测试方法包括全孔和半孔方法，如图1、2所示。一些研究者对比分析了2种方法的不同和优缺点[6-7]，结果表明：半孔测试法相对简单，易于操作，可避免销发生弯曲，试验误差较小，但与实际情况不完全相符；而全孔法要求较高，影响因素较多，但更接近木材销槽承压时的实际情况。另外，不同测试标准对2种测试方法要求也不尽相同。如ASTM D5764-97a(2018)Standard Test Method for Evaluating Dowel-Bearing Strength of Wood and Wood-Based Products，BS EN 383:2007Timber Structures-Test methods-Determination of embedment strength and foundation values for dowel type fasteners和ISO 10984-2:2009 Timber structures - Dowel-type fasteners - Part 2: Determination of embeding strength ，这3种标准均包括全孔测试方法，而半孔测试方法只在ASTM D5764-97a(2018)和ISO 10984-2:2009标准中推荐；ASTM D5764-97a(2018)主要采用半孔法，仅在试件容易发生劈裂时要求采用全孔法；ISO 10984-2:2009主要采用全孔法，仅在销容易发生弯曲时要求采用半孔法。另外，3种标准在试件尺寸、荷载取值和刚度计算等方面存在区别，如表1所示。总体而言，当试件厚度较大，销直径较小时，为防止销屈服，应采用半孔测试法；当试件厚度较小，销直径较大时，试件易发生劈裂，而销不易弯曲，此时应采用全孔测试法。

表1 3 种标准比较Tab.1 Comparisons between three standards

图1 全孔测试法Fig. 1 Full-hole test

图2 半孔测试法Fig. 2 Half-hole test

ASTM D5764-97a(2018)的加载程序（图3）要求以恒定速率，通常取1 mm/min，在1～10 min内达到荷载最大值。BS EN 383:2007和ISO 10984-2:2009的加载程序（图4）则相对比较复杂，包括弹性阶段预加载，即以恒定速率在试验120 s时加载至0.4倍极限荷载（通过预实验获得），保载30 s，再以相同的速率降至0.1倍极限荷载并保载30 s，最终在（300±120）s内单调加载至荷载最大值。

图3 ASTM D5764-97a加载程序Fig.3 Loading procedure in ASTM D5764-97a

图4 BS EN383 和ISO 10984-2 加载程序Fig.4 Loading procedure in BS EN383 and ISO 10984-2

ASTM D5764-97a(2018)在计算销槽承压强度时采用的荷载为5%销径平移法获得的屈服点对应的屈服荷载，而BS EN 383:2007 则采用最大荷载。尽管ASTM D5764-97a(2018)和BS EN 383:2007 采用的荷载不同，但两者计算获得的销槽承压强度基本一致。Santos等[8]对海岸松（Pinus pinaster）分别进行全孔和半孔试验，发现半孔和全孔试验下松木的顺纹销槽承压强度、刚度和横纹刚度几乎相同。ASTM D5764-97a(2018)测得的横纹销槽承压强度比BS EN 383:2007高36%，Santos等[8]认为这是由于试件密度导致，与试验方法无关。Cui等[7]对屈服荷载和最大荷载计算的胶合竹销槽承压强度进行对比，试验表明两者的比值约等于1，相差较小。

2 CLT销槽承压性能影响因素

CLT销槽承压性能受多方面因素影响，主要包括层板材料、组坯结构、构造特征、加载方式和销直径等因素（图5）。CLT和胶合木（Glued laminated timber,GLT）均由实木构成，但CLT的正交结构、层板间缝隙等构造特征对销槽承压性能影响更显著。如现行的欧洲CLT标准BS EN 16351:2015Timber structures-Cross laminated timber-Requirements中，允许层板间存在缝隙（最大的层板间缝隙要求小于6 mm）。同时，为降低CLT材料变形，通常在层板厚度方向锯切深度小于4 mm应力释放缝。此外，研究表明，紧固件从表面打入CLT并侧向加载表现出很好的延性。图6是典型的CLT和胶合木（GLT）中螺栓销槽承压的荷载位移曲线，CLT表现出更好的延性[9]，这是由于CLT正交构造使得横向层起到增强作用，避免过早承压破坏。近年来，随着自攻螺钉（Self-typing screws, STS）在木结构中的广泛运用，采用STS连接节点的销槽承压性能也显得越来越重要。相较于螺栓连接，STS有螺纹增强，增加了接触面摩擦，会影响销槽承压性能[10]，这也增加了自攻螺钉销槽承压的复杂性。因此，今后的研究工作应更多地关注采用自攻螺钉的销槽承压性能。下面分别讨论各因素对CLT销槽承压性能的影响。

图5 CLT销槽承压性能影响因素Fig.5 Factors of CLT embedment properties

图6 直径30 mm光滑螺栓下CLT和GLT的销槽承压荷载-位移行为Fig.6 Load-displacement behaviour of CLT and GLT with smooth dowels (d=30 mm)

2.1 层板材料

目前，市场上多采用针叶材作为CLT层板材料，如杉木-松木-冷杉组合树种、落叶松、花旗松等。张俊珍等[11]采用单因素方差分析探讨层板等级对日本落叶松胶合木销槽承压强度的影响，结果表明：高等级层板具有较高的密度，其销槽承压性能较好。随着CLT材料发展，一些阔叶材和当地树种木材[12]，如桉木、桦木、杨木，或竹材也被用作CLT层板材料。Ehlbeck等[13]采用全孔测试法对欧洲常见的阔叶材和针叶材树种进行测试，结果表明，阔叶材的销槽承压强度约是相同密度针叶材的1.1倍，并建立了相应的理论计算公式，这为Eurocode 5 中的销槽承压强度计算公式奠定基础。Sandhaas等[14]对多种木材进行顺纹销槽承压测试，发现不同树种间的延性和销槽承压性能也不一同，榉木（Fagus sylvatica）的销槽承压性能延性最高，在24 mm的螺栓下超过30。巴西龙凤檀（Cumaru，Dipteryx odorata）在12 mm螺栓下的延性最小，仅为3.1。另一方面，为改善CLT力学性能（如抗弯性能），采用工程木，如LVL、重组竹和实木锯材混合形成的混合结构CLT材料也在发展中。Schweigler等[15]采用全孔法研究加载角度对LVL销槽承压性能的影响，研究发现在加载角度大于60°时，LVL硬化现象和绳索效应更加明显。我国具有丰富的竹材资源，充分利用竹材，探究竹材成为结构用材的可能性成为研究的方向[6-7,16-18]。李霞镇等[17]对毛竹基重组竹进行销槽承压性能测试，并将试验结果与Eurocode 5和NDS的计算结果进行对比。结果表明：重组竹材质均一稳定，销槽承压强度变化范围为71.40～99.02 MPa，变异系数小于12.63%；顺纹方向2个销槽承压公式预测值与试验值接近，而横纹方向预测值均明显小于试验值。总体而言，层板的销槽承压性能，随着层板密度增大而增大；对于CLT材料，层板材料的多样性和混合性会导致CLT销槽承压性能复杂性，这主要是因为不同材料的销槽承压性能有差异。

2.2 构造特征

普通CLT是由奇数层的实木锯材或结构复合材正交组坯而成，不少研究者探讨CLT层数对销槽承压性能的影响，但得出的结论不同。欧加加等[19]对三层和五层CLT试件在不同销径和加载方向下进行销槽承压试验，指出销槽承压强度与层数成正比，胶缝处销槽承压强度小于非胶缝处。Tuhkanen等[20]探究了层数和层板厚度对CLT销槽承压性能的影响，发现相邻层的锁定效应和硬化效应有助于提高销槽承压强度，但层厚和层数对销槽承压强度无影响。相比GLT，普通CLT构造特征包括正交结构、同一层层板间缝隙、层板应力释放缝等。一些研究表明，这些构造特征对CLT物理、力学性能均会产生影响[20-23]。马梦淋[24]探究了销栓与拼缝的位置关系对销槽承压强度的影响，当销栓垂直于试件表层板时，存在5 种不同的位置关系，当销栓平行于表层板时，存在6 种不同的位置关系。试验发现，仅当销栓垂直于表层板且加载角度为0°时，销栓与拼缝的位置关系对销槽承压强度影响不显著；当销栓垂直于表层板且加载角度为90°和销栓平行于表层板且加载角度为0°时，销栓与拼缝的位置关系对销槽承压强度产生影响。由于木材横纹销槽强度小于顺纹销槽承压强度，CLT正交结构引起的横向层占比不同对销槽承压性能也有影响。Dong等[25-26]探究了横向层占比对CLT销槽承压性能的影响，并建立CLT销槽承压性能理论计算公式。研究表明：横向层厚度占比对CLT销槽承压性能有显著影响，横向层降低销槽承压强度却提高了延性，销槽承压强度与横向层厚度占比成反比。另外，除了普通结构CLT，为改善CLT物理力学性能，还存在特殊结构或连接形式的CLT材料，如表层连续两层平行结构的CLT（图7）[1]，木销连接的CLT（图8）[27-28]，以及非90°（如45°）组坯结构的CLT（图9）等。这些构造特征均会影响CLT销槽承压性能。

图7 连续两层平行结构CLTFig.7 Continuous two-longitudinal-layer CLT

图8 木销连接CLTFig.8 Wood dowel connected CLT

图9 45°组坯结构CLT Fig.9 45°lay-up CLT

综上，CLT层板间缝隙、横向层占比等构造特征对其销槽承压性能有一定的影响，实际应用中，应尽量避免缝隙，并尽可能让CLT多数层顺纹销槽承压，以提高其销槽承压性能。有关CLT层数对销槽承压性能的影响尚未有定论。目前已有的CLT销槽承压性能研究多关注缝隙位置对CLT性能的影响，而缺少缝隙宽度的相关研究，由于不同生产厂家所预留的缝隙宽度有所不同，今后有关缝隙宽度对销槽承压性能的影响应展开进一步的研究。

2.3 销加载参数

已有研究表明，销的形式（螺栓、螺钉），销打入的位置，销直径和制作销的钢材质量等级等参数对销槽承压性能有很大影响[14,29]。对于CLT材料，由于受销不同的打入面，以及层板相对位置和纹理方向等因素的影响，CLT销加载因素较为复杂（图10）。Dong等[25]分别对图10 中的6 种方式进行销槽承压性能测试，发现方式(a)和(c)的销槽承压强度较高，分别为37.66 MPa和39.60 MPa；方式(b)和(e)的强度较低，分别为12.55 MPa和13.20 MPa。除了水平和垂直打入，Uibel等[30-31]对表面打入的螺栓进行45°加载，并建立了基于角度的CLT销槽承压计算公式。另外，销直径对销槽承压性能也有一定的影响。马梦淋[24]采用4 种直径（10、12、16、25 mm）进行半孔销槽承压试验，发现采用10 mm和25 mm直径的销测得的销槽承压强度相差甚远，直径为10 mm时，强度范围为25～32.5 N/mm2，直径为25 mm时，强度范围为15～25 N/mm2。少部分学者对销的钢材等级和表面粗糙度影响展开了研究，Rodd等[32]采用不同粗糙度的钢销进行试验，发现较粗糙的钢销具有更高的承载力。Sandhaas等[14]采用2 种钢材等级但表面粗糙度相同的螺栓进行试验，发现高强度的螺栓获得的承载力更高，但Sandhaas等认为钢材硬度也是导致更高承载力的可能原因之一。因此，销的参数对CLT销槽承压性能有一定影响。目前相关研究多集中于采用光滑螺栓的销槽承压试验，对于采用自攻螺钉的试验鲜有涉及。随着自攻螺钉在CLT建筑中广泛运用，应开展采用自攻螺钉的销槽承压试验，探讨自攻螺钉连续螺纹对销槽承压性能的影响。

图10 不同的CLT销槽承压形式Fig.10 Different types of embedment in CLT

3 CLT销槽承压强度理论计算

由于CLT与实木或其他工程木不同的构造特征，现有实木或工程木的销槽承压计算公式不适用于CLT材料。目前仍未建立统一的CLT销槽承压计算公式，相关计算公式主要分为2 大部分：有关标准中给出的计算公式和相关试验研究建立的公式。公式的建立方法主要分为考虑CLT构造特征和不考虑CLT构造特征2 种，下面对目前已有的CLT销槽承压性能计算公式进行总结。

3.1 现有标准或规范中CLT销槽承压性能计算公式

3.1.1 CSA O86

加拿大规范CSA O86:19Engineering design in wood中，针对木质材料和非木质材料（钢、混凝土）的销槽承压强度有所区分。对于木质材料，基于木材绝干密度和外螺纹直径，建立了横纹、顺纹时的销槽承压强度。该规范认为，横纹方向上，CLT销槽承压性能计算公式与实木一样，而对于顺纹方向销槽承压性能，则采用系数Jx(Jx=0.9)来区分，如式（1）和（2）。

式中：f0为顺纹销槽承压强度，MPa；f90为横纹销槽承压强度，MPa；G为相对绝干密度；d为紧固件直径，mm。

3.1.2 CLT 手册[1]

CLT手册认为在多数情况下，CLT由于构造引起的销槽承压强度变化极小，但在紧固件直径较大或承压长度较小时，应调整承压长度为有效长度。当加载方向主要为顺纹时，应将横纹方向的受压长度乘以Fe⊥/Fe//。同样，当加载方向主要为横纹时，既可以保守估计为与木材销槽承压强度一致，也可以将顺纹方向的受压长度乘以Fe///Fe⊥。Kennedy[33]根据此理论推算了CLT销槽承压强度公式，如式（3）。

式中：fθ,CLT为CLT的销槽承压强度，MPa；l||为纵向层承压长度，mm；l⊥为横向层承压长度，mm；lp为总承压长度，mm；fθ为纵向层层板销槽承压强度，MPa；f90-θ为横向层层板销槽承压强度，MPa。

3.2 其他研究文献中CLT销槽承压强度计算公式

尽管现有规范中已提及CLT销槽承压强度计算公式，但目前开展的CLT销槽承压性能试验表明，采用上述已有公式计算的结果与试验数据差异较大。一些研究者基于试验数据建立了新的CLT销槽承压性能计算公式。

Uibel等[22,30-31]改变层数、层板厚和胶缝，对13种不同组坯方式的CLT试件进行销槽承压测试，基于438个试件的试验数据提出2种公式，如式（4）和（5）。试验通过改变CLT的层数、缝隙宽度（小于6 mm）和层板厚度等，一共有4种不同构造的CLT试件在5种不同受力条件下进行销槽承压测试。其中，式（4）不考虑CLT的横向层占比，仅考虑木材密度和加载角度，其拟合相关系数R=0.75。式（5）则考虑了CLT横向层占比对CLT销槽承压强度的影响，其拟合相关系数R=0.74。值得注意的是，式（4）和（5）中要求层板厚度小于40 mm，纵向层厚度与横向层厚度比值范围为0.95～2.1。

式中：fθ,avg为销槽承压强度平均值，MPa；ρ12为含水率12%时的密度，g/cm3；t0,i为单个纵向层厚度，mm；t90,j为单个横向层厚度，mm；t为 CLT整体厚度，mm；θ为加载方向与外层层板纹理方向间的夹角，（°）。

Kennedy等[33]采用9 种螺钉对1 080 个试件进行销槽承压测试，研究变量包括6 种普通螺钉，3 种自攻螺钉，改变销槽承压长度和加载角度。并将试验结果与现行标准中的公式进行对比，研究发现已有计算公式不适用于CLT销槽承压强度计算。根据试验数据，Kennedy提出适用于CLT销槽承压强度计算公式，如式（6），该公式未考虑销直径的影响。

Dong等[25]采用半孔测试法对660 个试件进行销槽承压试验，通过改变横向层占比（0/0.2/0.33/ 0.4/0.5/0.6/1），对5 组不同构造的CLT试件和2 组胶合木试件，在不同树种（SPF/南方松/花旗松），螺栓直径（10/12/14 mm）和加载角度（0°/45°/90°）下的销槽承压强度进行测试，并建立CLT销槽承压强度计算公式，如式（7）。相比式（5），式（7）中允许的横向层厚度占比范围更大。

式中：tt是CLT中横向层占总厚度的比值，数值在0～1范围内。

4 结语

销槽承压性能是CLT构件连接的关键性能之一，由于CLT的正交结构和层板间缝隙的存在等特殊构造，使其销槽承压性能与实木或其他工程木有较大不同。系统地展开CLT销槽承压性能影响因素研究和建立统一的、适合CLT构造特性的CLT销槽承压强度计算公式，有利于完善CLT构件设计理论和方法。今后应着重展开以下研究：

1）混合结构CLT销槽承压性能研究。为拓宽国内CLT制备原材料，应对国内树种、常用工程木等混合制备的CLT进行销槽承压试验，探究其用作CLT材料的潜力。

2）自攻螺钉连接CLT的销槽承压性能研究。近年来自攻螺钉越来越多地用于CLT和胶合木等重型工程连接节点，但自攻螺钉的特殊螺纹形状对销槽承压性能的影响仍未明确。

3）建立统一的计算公式。现有预测公式仅针对部分树种，缺乏涵盖不同密度的预测公式，且相关规范中的特征值公式过于保守。因此建立统一的、适合CLT构造特性的销槽承压强度计算公式将有利于完善CLT构件设计理论和方法。