正交胶合木滚动剪切性能研究进展

丁文胜，刘佳宾，袁龙飞，许清风，于明昊，向家良

(1.上海应用技术大学 城市建设与安全工程学院，上海 201418；2.上海市建筑科学研究院有限公司 上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

正交胶合木(cross-laminated timber,CLT)是指以厚度为15～45 mm的层板相互叠层正交组坯后胶合而成的木制品[1]。最早于20世纪90年代在奥地利和德国被作为建筑材料开发出来[2]，CLT轻质高强，可充分发挥木材强重比高的优势，易实现模块化生产，建造周期短，并且抗震、隔音以及保温和防火性能好，同时舒适美观[3-4]，国内CLT的研究及应用均处于起步阶段。木材是一种正交各向异性材料，木材有3个主轴方向，即纵向、径向及弦向(图1)。木材剪切应力包括顺纹剪切应力、垂直剪切应力以及滚动剪切应力，CLT 力学性能中滚动剪切是剪切应力引起锯材在其横切面产生的剪切应变[5](图2)。剪切应力的产生会影响CLT板的整体挠度变化及力学性能，这使得CLT滚动剪切性能在CLT的设计以及应用中十分重要。

随着CLT板材加工技术的日益成熟，目前国内外学者对CLT滚动剪切的影响因素、CLT滚动剪切测试方法，CLT滚动剪切数值模拟以及破坏模式做了大量研究，本文针对CLT滚动剪切性能以上4个方面研究进行分析总结，并对未来CLT滚动剪切性能的研究进行展望。

1 CLT滚动剪切性能研究影响因素

CLT在制备工艺过程中的不同工艺参数会影响其滚动剪切性能。CLT加工过程包括材料选择、材料表面刨光、切割、施胶、组坯、压制、后期处理，依据CLT的制备工艺过程将影响因素主要分为3类：一是木材层板材质，如针叶材与阔叶材、早材与晚材、木材自身缺陷等；二是构造特征，如年轮走向、髓心距离、CLT层板的厚度、宽厚比及跨高比等宏观构造特征；三是加工工艺，如加压压力、胶黏剂、施胶量等。

1.1 木材层板材质

由于木材的剪切强度会受生长应力或水分变化引起的裂缝以及其他缺陷所影响，如花旗松(Pseudotsuga)沿切向和径向的收缩率分别为4.9%和2.8%，收缩率的差异会导致形成更多的干燥裂缝，这些干燥裂缝会降低剪切强度；花旗松早材和晚材的平均密度为 300 kg·m-3和690 kg·m-3，其早材密度较低以及早材和晚材之间较高的不均匀性也会使剪切强度较低[6]。研究表明，CLT中不同层板采用的木材单一或多种对其滚动剪切性能有显著影响，部分阔叶材制备CLT的滚动剪切性能比针叶材更好。T.Ehrhartetal[7]以云杉(Piceaabies)为参照，研究阔叶材松木(Pinussylvestris)、杨木(Populusspp.)、桦木(Betulapendula)、山毛榉(Fagussylytica)和白蜡木(Fraxinusexcelsior)制备的CLT板滚动剪切性能，发现这些阔叶材相较云杉滚动剪切性能更优。M.Gongetal[8]使用压缩剪切测试方法测试针叶材黑云杉(Piceamariana)和阔叶材黄桦木(Betulaalleghaniensis)、白杨木(Betulapapyrifera)的滚动剪切性能，结果表明采用阔叶材(黄桦木和白杨木)制备CLT试件可以显著提高CLT的滚动剪切性能，2种阔叶材的平均滚动剪切模量和滚动剪切强度分别为180 MPa和3.00 MPa。M.Lietal[9]测试了辐射松(Pinusradiata)和花旗松的滚动剪切性能，表明阔叶材辐射松的滚动剪切强度高于针叶材花旗松。根据这些学者的研究表明部分阔叶材具有更优滚动剪切性能，由于阔叶材相对针叶材的晚材率高，强度高，阔叶材也称硬木。传统的CLT板基本由针叶材制成[10]，阔叶材将来可以广泛应用于CLT的制造。

随着社会的不断发展，木材供应需求日趋增加，国内丰富的人工林木材资源成为替代进口优质木材资源的有效措施[11]。现已有学者研究了速生木材的滚动剪切性能。王志强等[12]研究发现普通速生杨木(Populuseuramericana)和改性速生杨木的滚动剪切性能与SPF相比都更好，可以将其作为CLT的横向层材料来改善CLT的滚动剪切性能。T.Guietal[13]使用压缩剪切测试方法，测得国产速生桉木(Eucalyptusspp.)比SPF具有更高的滚动剪切模量和强度，在CLT的制备中，采用速生桉木作横向层可以显著提高其滚动剪切性能。

1.2 构造特征

(1)

D.Yawalataetal[15]、K.Sikoraetal[16]研究CLT板层厚度对CLT滚动剪切强度影响，发现在CLT层数相同的情况下，随着试件厚度的增大，滚动剪切强度会减小。Z.Wangetal[17]研究发现含有髓心的木材制成CLT的滚动剪切性能较差，锯材选取部位里髓心越远滚动剪切性能越好(图3中的F区)。这是由于髓心位于树干中心，其组织松软，强度低并且易开裂。M.Li[18]、T.Guietal[13]研究认为，CLT宽厚比对滚动剪切性能影响显著，随着宽厚比的增大，滚动剪切模量和强度都增大。

1.3 加工工艺

CLT制备过程中组坯方式、加压压力、胶黏剂等加工工艺方面也会引起CLT滚动剪切性能的变化。C.O’Ceallaighetal[19]等测试了CLT横向层组坯方向的CLT试件，发现层板斜45°组坯的CLT板的滚动剪切性能比层板正交组坯的更好，滚动剪切强度和滚动剪切模量数值有提高。D.Yawalataetal[15]研究不同施加压力大小下CLT滚动剪切强度，发现0.1 MPa压力下比0.4 MPa压力下的滚动剪切强度小。由于考虑到成本以及木材横纹变形大等因素，一般CLT产品中锯材同一层相邻锯材侧面没有胶合，相邻锯材之间都会存在缝隙[20]。Z.Wangetal[21]对CLT横向层间无间隙、2 mm、4 mm、6 mm与侧向胶黏进行了滚动剪切性能试验研究，发现侧面胶合和间隙尺寸对CLT滚动剪切强度有明显影响，随着横向层间间隙越大，其滚动剪切强度越小。

2 CLT滚动剪切性能测试方法

目前，CLT滚动剪切性能的常用测试方法见表1，主要可分为压缩剪切测试方法和弯曲剪切测试方法。压缩剪切试验能够得到几乎“纯”剪应力，但压缩剪切试验得到的试件可能出现不同加载模式的叠加。弯曲剪切测试方法的试件破坏模式更接近于CLT的实际情况，但是存在二次应力。N.Ayrilmisetal[22]研究发现弯曲剪切测试方法比压缩剪切测试方法得到的试验数据更加稳定。Q.Zhouetal[23]、G.Ruanetal[24]通过弯曲剪切测试方法和压缩剪切测试方法对比这2种方法对CLT试件的滚动剪切强度和滚动剪切模量的区别，结果表明压缩剪切测试法所得结果低于弯曲剪切测试方法的试验结果，造成差异的原因分析是弯曲剪切试件测试区域的相邻部分能够承受剪切载荷，而压缩剪切试验中的试件尺寸较小，只有试验区域部分承受载荷。

表1 CLT滚动剪切测试方法Table 1 CLT Rolling Shear Test Methods

2.1 压缩剪切测试方法

压缩剪切测试方法最初是将木材置于2个钢板之间进行测试，标准包括EN789[25]、EN408[26]以及ASTM D2718[27]，但因为这类方法很难研究密度、锯切方式等方面对CLT滚动剪切性能的影响，进而改进，将2个钢板替换为木材，3层皆为木材，标准有根据EN 408压缩剪切测试方法改进的EN 16351[28]以及P.Fellmoseretal[5]和M.Gongetal[18]根据ASTM D2718测试方法改进为三层夹心结构测试方法。

5种测试方式装置不同、材料尺寸不同，加载角度等存在区别，其测试装置见图4。试件的尺寸要求不同，EN789规定试件的宽度应为(100±1)mm，长度应为(225±1)mm；EN408要求试件长度为(300±2)mm，宽度为(32±1)mm，高度为(55±1)mm；ASTM D2718则允许不同的尺寸；EN 16351的测试方法要求试件宽度大于等于100 mm。除此之外，它们的加载角度规定也有区别，规定加载角度是为了避免出现偏心荷载(偏心荷载会使CLT在滚动剪应力的基础上产生横向应力)。EN789给定角度范围8°～25°，EN408规定载荷方向与试件纵轴夹角应为14°，ASTM D2718则规定最小的角度为3°～5°，EN 16351采用加载角度α=14°，三层夹心结构测试方法的角度由(2)式计算所得。

(2)

式中：α为试件加载时的倾斜角度；L为试件长度；tcross为试件横向层的厚度；t0为试件外层厚度。

在压缩剪切测试方法中，材料的滚动剪切强度以及滚动剪切模量分别由(3)式和(4)式计算。

(3)

(4)

2.2 弯曲剪切测试方法

弯曲剪切测试方法包括ASTM D2718中的五点弯曲测试方法、EN 16351弯曲剪切测试方法和ASTM D198[29]三点弯曲测试方法。EN 16351中的弯曲剪切测试方法是根据EN408的抗弯性能测试方法制定，更能真实测试CLT横向层的滚动剪切性能。EN408中抗弯性能试验要求的跨度为l=18h±3h，为了避免CLT最外层过早发生弯曲破坏，将跨高比减小为12来测CLT横向层滚动剪切强度和模量，跨高比为9的试件测得滚动剪切强度(图5)。

(5)

(6)

3 CLT滚动剪切性能破坏模式

当CLT板受到垂直的荷载时，因为木材的早材和晚材抗剪应力的大小不同，所以早晚材边界处会形成年轮摩擦面，这使得木纤维在单层内滚动，最后发生剪切变形[30]。不同类型的试件在滚动剪切性能测试试验过程中会出现多种破坏模式[12]，大量试验研究表明：CLT滚动剪切破坏有4种模式，即沿木射线方向发生破坏、沿年轮方向发生破坏、沿年轮和木射线方向同时发生破坏、胶层破坏(图8)。

X.Nie[31]指出CLT横向层的初始破坏是由滚动剪切应力或横纹拉力导致的，并且发现横向层的年轮取向与破坏模式有关。Z.Wangetal[17]研究总结导致CLT材料发生滚动剪切破坏的情况多出现在横切面早、晚材交界处、木射线和髓心等力学性能薄弱处。这是由于早材材质疏松松软，细胞腔较大壁较薄；而晚材材质硬，细胞腔小壁厚，使得木材横纹受剪时，易发生滚动剪切破坏。另外木射线由射线薄壁细胞组成，属于薄壁组织，容易发生剪切破坏，髓心强度低也极易开裂。将来可根据CLT滚动剪切破坏模式深入研究如何提高CLT板滚动剪切性能。

4 CLT滚动剪切性能数值模拟

滚动剪切性能试验消耗木材较大，并且CLT的成本高，越来越多的学者采用数值模拟的方式进行建模分析。由于试验影响因素较多，试验结果存在一定的不确定性，针对主要控制因素展开数值模拟[32]。一般将木材简化为均匀连续的正交各向异性材料，木材采用C3D8R单元(8节点六面体线性减缩积分单元)，胶层采用胶黏单元进行模拟，胶黏单元失效模式一般基于牵引分离模型，CLT每层木材按照木纹的方向建立局部坐标系。木材的本构关系选用为弹塑性模型或弹塑性损伤模型，弹性阶段将木材看作正交各向异性弹性材料；木材的非线性受力行为则采用Hill屈服准则[33]和理想弹塑性模型[34],木材在拉应力和剪应力作用下的破坏准则采用修正后Hashin破坏准则[35]。T.Ehrhartetal[36]利用有限元分析得到试件受力时的正应力与剪应力分布情况(图9)。M.Li[37]为了进一步研究测试方法对CLT滚动剪切性能的影响，建立了线弹性模型进行模拟，发现模拟结果的应力分布与试验观察结果吻合较好。E.I.S.Floresetal[38]对辐射松制成的CLT板做了关于横向层缝隙、木材密度和跨高比对滚动剪切性能影响的多项测试，数值预测表明，如果不考虑横向层间的胶粘，极限荷载会减少40%；木材密度增加37.5%时，发现极限荷载增加21%；将跨高比增加2.5倍时，极限荷载降低50%，其数值预测和试验结果之间发现了很好的一致性，验证了有限元建模方法的准确性。

5 结论

CLT是一种新型工程木，当受到平面外荷载作用时，CLT滚动剪切强度较小，其滚动剪切性能会影响到CLT整体结构强度，所以准确评估并提高滚动剪切强度尤为重要。本文介绍和分析了CLT滚动剪切性能的研究现状，对CLT滚动剪切性能的关键问题，即影响因素、测试方法、破坏模式和数值模拟的研究进展和研究成果进行了综述，概述并指出不足：CLT在制备工艺过程中的不同情况都会影响其滚动剪切性能，根据CLT制备工艺过程将影响因素分为3类，影响因素还需全面分析研究；CLT滚动剪切的测试方法较多，为便于工程应用，测试方法有待规范统一；CLT滚动剪切破坏模式有4种，可依据破坏模式研究提高正交胶合木滚动剪切性能的方法；数值模拟方法是分析CLT滚动剪切行为有效的工具，数值模拟精度有待提高，以期能够推进CLT在我国木结构建筑中的应用和相关设计规范的完善。