竹木复合正交胶合木板性能研究＊

范敬贤

（南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037）

近年来，随着社会进步和生活水平的提高，国家对于低碳环保、节能减排的需求与日俱增，而木制的结构建筑更加生态友好、绿色环保，符合当代人们的消费理念。同时，中国房建行业快速发展，水泥钢筋用量巨大，进而产生了大量的二氧化碳，对于环境的破坏严重，为了中国经济持续健康绿色的发展，木结构建筑的发展势在必得。对于木结构来说，应用在高层建筑中比较困难，针对单方面竹木力学性能比较弱的原因[1]，笔者将在本文中提到竹木复合正交胶合木（Cross-Laminated Timber，CLT），同时本文也将着重对CLT 板及力学性能的现状和发展前景进行展望。

1 正交胶合木的简单介绍

目前，大多数人对于木材了解较多，木材密度低、强度高、弹性更好，同时抗震性能也较为优越，从古至今在建筑桥梁方面有着广泛的应用，而目前所利用的木材越来越多元化，性能等方面也有较大的提升[2]。本文介绍的正交胶合木，是近年来国外开发的一种新型木产品，被广泛应用于中高层建筑中，但是国内对于该领域的研究还相对较少。正交胶合木是一种至少由3 层实木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工程木产品[3]。图1 为典型的CLT 板坯结构，能够明显看出受力的各向相异的这一个特点，因此受力性能也更加良好。CLT 板使用范围广、尺寸规格丰富，一般厚度在5～30 cm 之间，如有需要也可生产出特定厚度的板，其宽度一般在1.2～3 m 之间，长度也在5～18 m 之间。CLT 预制板也可以依据设计要求切割成任意的形状和尺寸。

图1 正交胶合木结构

正交胶合木利用木材顺纹方向抗拉强度高和横纹方向抗压强度高的特点，采用交错叠合的方式，即木材的横纹和顺纹2 个方向交叉重叠，使受力更加匀称，具有良好的双向力学性能，可用于单向板或者双向板[4]，在高层建筑领域应用广泛。在正交胶合木板中，奇数层力学性能较为稳定，起主要力学承载作用。CLT的构造应一般满足对称原则、奇数层原则和垂直正交原则[5]。

2 正交胶合木优点

正交胶合木及其重型木结构建筑体系与传统木结构建筑比较，其优点如下：①板件的尺寸稳定，力学性能良好。正交胶合木通过纵横正交铺设，显著提高了板材结构的尺寸稳定性，纵向和横向的力学性能均匀；并且正交胶合木横向的稳定性比实木或者胶合木横纹方向的稳定性提高10 倍以上[6]，能够更充分地发挥力学性能。②承载性能较强。正交胶合木在纵横2个方向都具有较好的承载性能，同时通过在制造过程中控制木材含水率和去除基材的缺陷，可显著提高板材的强度、刚度和稳定性；由于正交胶合木轻质高强，能够有效地减轻结构的自重，更能凸显其强重比这一特点[3]。③防火性能好。遇火时，正交胶合木结构强度衰减较慢，有更好的延性，主要是因为正交胶合木燃烧后表面形成炭化层，炭化效果进一步阻断火焰传播，保证了板材的结构强度[2]。④保温、隔音性能强。正交胶合木建筑保温系数为混凝土建筑的10 倍左右[7]，隔音降噪效果为混凝土建筑的4 倍左右，相比于钢筋混凝土结构，更有利于人们居住。⑤施工快、噪声低。由于正交胶合木基本上都是工厂先预制加工，与传统钢筋混凝土建筑相比，正交胶合木可在工厂模块预制化生产，现场装配快、噪声低、污染小，因此通常要比钢筋混凝土建筑节省70%施工时间，能够大大缩短工期，降低人工成本[2]。⑥应用领域范围广。可用于低、中层甚至高层的民用住宅和非民用建筑，季节变化对施工造成的影响较小。⑦更加低碳环保。排碳量更低，计算结果表明，正交胶合木的温室气体排放仅为钢材的1/20[7]。

综上所述，这些优越的性能将有力推动正交胶合木建筑产业化快速发展和推广，也有利于低碳节约型社会的建立。

3 竹木复合胶合木CLT 板

在CLT 全球生产不断推进的过程中，已经尝试使用本地软木、硬木以及两者的组合来制造CLT。由结构复合木材（如定向刨花板、平行木片胶合木及旋切板胶合木等）和尺寸木料制成的复合CLT 也受到了相当多的关注。使用本地木材物种进行CLT 制造的一般目的是提高本地木材资源的附加值并减少由原材料的长途运输引起的成本和碳排放[7]，更能降低建造使用过程中的成本。但是从中国的国情出发，中国的木材资源是短缺的，竹材资源的储量是巨大的，竹材是是木材的较为理想的替代品。竹材是一种环境友好、可循环使用的绿色建材，随着生产工艺和工程需求的迭代[8]，出现了一系列的主流工程竹产品，例如竹重组材、竹集成材和竹帘竹席胶合板。与木材相比，竹子的硬度较低，但密度和强度较高。在大多数情况下，竹质工程产品的刚度/质量比通常高于普通钢筋混凝土，但低于木质工程产品。从工程的角度来看，竹制品和木制品的力学性能在某种程度上可以互补[6]。通过优化竹木复合CLT 的内部结构，可以充分利用竹材和木材的力学性能[9]。

4 CLT 板的国外研究及发展现状

正交胶合木（CLT）在20 世纪70 年代由欧洲率先提出，而且紧跟着也是在欧洲成立了生产该板件的工厂，随着时间推移，西方多个国家对于CLT 板构件的力学性能做了大量的测验工作。2007 年，有研究人员对一个7 层的CLT 建筑进行了抗震试验，数据表明，该类结构抗震性能比较优越，而且具有更好的弹性及延性，FELLMOSER 等[10]利用振动台对CLT 墙体进行了一个动态性能的测验，发现该墙体对于抗震性能有很好的抵御作用。而且对于结构的延性和耗能特征有着非常重要的影响，即使是在震级较高时，发现只有底部剪力墙会有一定受压损伤。与此同时，专家学者也发现CLT 在燃烧时表面会形成一个炭化层，进而起到隔绝氧气的作用，也证实了该板件有很好的耐火性能。

FELLMOSER 等[10]将CLT 构件板与普通木板进行了防火性能测验，发现防火性能与黏合剂的性能也是有关系的，同时研究了不同环境温度下CLT 板的弹性模量、弯曲强度及失效时间，在温度较高时能够达到3 h 以上的阻燃效果。由于建筑规范中对于材料阻燃率的要求，CLT 在这些方面均有着良好的表现，也使得它在高层建筑中的实现成为可能，YAWALATA 等[11]对CLT 板，尤其是该构件的滚动剪切性能、抗弯性能等各个方面，以及它的徐变特性，通过不同方法的力学测验和有限元分析，研究了层数不同的正交胶合板和钉合板的不同。研究发现该板件中间层对于抗弯强度有明显的影响，同时研究表明，该新型的正交胶合木板具备良好的力学性能[11]。FELLMOSER 等[10]研究了原材料的强度对于构件承载力的影响，研究结果表明，抗剪切性能取决于中间板材的强度，通过对不同层数的CLT 板进行性能研究试验，发现弯曲强度和剪切强度随着板厚的增加而降低，这与钢筋混凝土结构在某些方面是相背离的。

此外，国外除了对CLT 板构件力学性能进行理论研究外，也在建筑工程领域进行了广泛的运用，第一座建成的是瑞士的单层CLT 建筑。随着时间的推移，在德国、英国、美国等国家均建成了一些高层建筑，当然这些结构也不是纯粹的木结构，大多是由混凝土和木结构组合而成的。CLT 板在国外房屋建筑学领域应用比较广泛，但是在木结构、桥梁等方面的应用较少，1998 年奥地利Wandritsch 公路桥的桥面板，使用的是CLT 板，此外，挪威的一架钢结构大桥采用CLT板代替沥青路面板，使得强重比更高，减轻结构的自重荷载。

5 CLT 板国内研究及发展现状

对于CLT 板的研究，国外的技术经验已经较为成熟，中国对于该领域的研究起步时间相对较晚，在国外研究的经验基础上，中国在该领域的发展也在不断加快，目前包括南京林业大学在内的许多科研所对CLT 板的制造工艺、力学性能、数值模拟等方面进行了大量的研究，也取得了非常可观的成果，试验也取得了阶段性的胜利。

目前中国主要对使用国产树种制得的CLT 板进行性能的探究，同时也对用杨木等数种制而成的木材进行了力学性能的研究，并且得到了相应的承载力计算方法[12]。谢文博、卢晓等以加拿大西部的铁杉为原料对板件的力学性能和耐久性能进行了探究，利用胡克定律、材料力学和弹性力学等知识，得到了不同层数的类交合层的层间剪应力及它们的最大层间剪应力。大量的试验研究表明，CLT 板件的层间存在的剪应力和胶合层，通过计算平行层和垂直层弹模之比等因素，得到了该板件的力学性能[13]，同时加工方式不同，横切面的构造也不同。并分析了密度、年轮走向、髓心的距离以髓心的位置对于剪切性能的影响，研究结果表明，在荷载的作用下，CLT 板的受力变形一般多属于弹性阶段，通常会发生脆性破坏[13]。

通过胶合重组的手段加工而成的CLT 板，能够有效减少本身缺陷所带来的影响，在工厂进行预制加工，板件的生产更加灵活，现场施工速度更快，可以依据工程的实际需要来进行尺寸的加工。截至目前，中国的CLT 板集中在建筑领域，而且多为单向板，对桥梁结构的应用研究较少，考虑到桥面双向受力及木材各项异性的特点，还需要进行大量的试验，对于CLT双向板进行力学性能分析，包括滚动剪切性能的分析，从而使CLT 该板在桥梁结构等方面的应用成为可能。

6 结论

本文重点论述了正交胶合木的优点及良好的受力性能，国外对于正交胶合木的理论研究和实际应用已经非常成熟，而且应用市场也非常广阔。中国由于竹材较多、木材稀少，研究方向也更倾向于竹木制成的正交胶合木，它能够有效地弥补竹材自身的力学性能缺陷，使各个方向的力学性能都能得到充分发挥。国内外通过抗阻燃试验、滚动剪切试验及抗弯试验和弹性模量的测定[14]，发现竹木制成的CLT 板在强度和稳定性方面都有着良好的表现。国内通过研究发现，竹木复合板要比木结构的复合板性能更加优越，因此竹木结构势必有着广阔的发展前景，而且鉴于上述正交胶合板的优点，在今后的发展中，木结构也将逐步转向高层建筑。