范敬賢

（南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

近年來(lái)，隨著社會(huì)進(jìn)步和生活水平的提高，國(guó)家對(duì)于低碳環(huán)保、節(jié)能減排的需求與日俱增，而木制的結(jié)構(gòu)建筑更加生態(tài)友好、綠色環(huán)保，符合當(dāng)代人們的消費(fèi)理念。同時(shí)，中國(guó)房建行業(yè)快速發(fā)展，水泥鋼筋用量巨大，進(jìn)而產(chǎn)生了大量的二氧化碳，對(duì)于環(huán)境的破壞嚴(yán)重，為了中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康綠色的發(fā)展，木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展勢(shì)在必得。對(duì)于木結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，應(yīng)用在高層建筑中比較困難，針對(duì)單方面竹木力學(xué)性能比較弱的原因[1]，筆者將在本文中提到竹木復(fù)合正交膠合木（Cross-Laminated Timber，CLT），同時(shí)本文也將著重對(duì)CLT 板及力學(xué)性能的現(xiàn)狀和發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 正交膠合木的簡(jiǎn)單介紹

目前，大多數(shù)人對(duì)于木材了解較多，木材密度低、強(qiáng)度高、彈性更好，同時(shí)抗震性能也較為優(yōu)越，從古至今在建筑橋梁方面有著廣泛的應(yīng)用，而目前所利用的木材越來(lái)越多元化，性能等方面也有較大的提升[2]。本文介紹的正交膠合木，是近年來(lái)國(guó)外開(kāi)發(fā)的一種新型木產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于中高層建筑中，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于該領(lǐng)域的研究還相對(duì)較少。正交膠合木是一種至少由3 層實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合板材正交組坯，采用結(jié)構(gòu)膠黏劑壓制而成的矩形、直線、平面板材形式的工廠預(yù)制工程木產(chǎn)品[3]。圖1 為典型的CLT 板坯結(jié)構(gòu)，能夠明顯看出受力的各向相異的這一個(gè)特點(diǎn)，因此受力性能也更加良好。CLT 板使用范圍廣、尺寸規(guī)格豐富，一般厚度在5～30 cm 之間，如有需要也可生產(chǎn)出特定厚度的板，其寬度一般在1.2～3 m 之間，長(zhǎng)度也在5～18 m 之間。CLT 預(yù)制板也可以依據(jù)設(shè)計(jì)要求切割成任意的形狀和尺寸。

圖1 正交膠合木結(jié)構(gòu)

正交膠合木利用木材順紋方向抗拉強(qiáng)度高和橫紋方向抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，采用交錯(cuò)疊合的方式，即木材的橫紋和順紋2 個(gè)方向交叉重疊，使受力更加勻稱(chēng)，具有良好的雙向力學(xué)性能，可用于單向板或者雙向板[4]，在高層建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在正交膠合木板中，奇數(shù)層力學(xué)性能較為穩(wěn)定，起主要力學(xué)承載作用。CLT的構(gòu)造應(yīng)一般滿足對(duì)稱(chēng)原則、奇數(shù)層原則和垂直正交原則[5]。

2 正交膠合木優(yōu)點(diǎn)

正交膠合木及其重型木結(jié)構(gòu)建筑體系與傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑比較，其優(yōu)點(diǎn)如下：①板件的尺寸穩(wěn)定，力學(xué)性能良好。正交膠合木通過(guò)縱橫正交鋪設(shè)，顯著提高了板材結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性，縱向和橫向的力學(xué)性能均勻；并且正交膠合木橫向的穩(wěn)定性比實(shí)木或者膠合木橫紋方向的穩(wěn)定性提高10 倍以上[6]，能夠更充分地發(fā)揮力學(xué)性能。②承載性能較強(qiáng)。正交膠合木在縱橫2個(gè)方向都具有較好的承載性能，同時(shí)通過(guò)在制造過(guò)程中控制木材含水率和去除基材的缺陷，可顯著提高板材的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性；由于正交膠合木輕質(zhì)高強(qiáng)，能夠有效地減輕結(jié)構(gòu)的自重，更能凸顯其強(qiáng)重比這一特點(diǎn)[3]。③防火性能好。遇火時(shí)，正交膠合木結(jié)構(gòu)強(qiáng)度衰減較慢，有更好的延性，主要是因?yàn)檎荒z合木燃燒后表面形成炭化層，炭化效果進(jìn)一步阻斷火焰?zhèn)鞑ィＷC了板材的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]。④保溫、隔音性能強(qiáng)。正交膠合木建筑保溫系數(shù)為混凝土建筑的10 倍左右[7]，隔音降噪效果為混凝土建筑的4 倍左右，相比于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，更有利于人們居住。⑤施工快、噪聲低。由于正交膠合木基本上都是工廠先預(yù)制加工，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑相比，正交膠合木可在工廠模塊預(yù)制化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)裝配快、噪聲低、污染小，因此通常要比鋼筋混凝土建筑節(jié)省70%施工時(shí)間，能夠大大縮短工期，降低人工成本[2]。⑥應(yīng)用領(lǐng)域范圍廣。可用于低、中層甚至高層的民用住宅和非民用建筑，季節(jié)變化對(duì)施工造成的影響較小。⑦更加低碳環(huán)保。排碳量更低，計(jì)算結(jié)果表明，正交膠合木的溫室氣體排放僅為鋼材的1/20[7]。

綜上所述，這些優(yōu)越的性能將有力推動(dòng)正交膠合木建筑產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展和推廣，也有利于低碳節(jié)約型社會(huì)的建立。

3 竹木復(fù)合膠合木CLT 板

在CLT 全球生產(chǎn)不斷推進(jìn)的過(guò)程中，已經(jīng)嘗試使用本地軟木、硬木以及兩者的組合來(lái)制造CLT。由結(jié)構(gòu)復(fù)合木材（如定向刨花板、平行木片膠合木及旋切板膠合木等）和尺寸木料制成的復(fù)合CLT 也受到了相當(dāng)多的關(guān)注。使用本地木材物種進(jìn)行CLT 制造的一般目的是提高本地木材資源的附加值并減少由原材料的長(zhǎng)途運(yùn)輸引起的成本和碳排放[7]，更能降低建造使用過(guò)程中的成本。但是從中國(guó)的國(guó)情出發(fā)，中國(guó)的木材資源是短缺的，竹材資源的儲(chǔ)量是巨大的，竹材是是木材的較為理想的替代品。竹材是一種環(huán)境友好、可循環(huán)使用的綠色建材，隨著生產(chǎn)工藝和工程需求的迭代[8]，出現(xiàn)了一系列的主流工程竹產(chǎn)品，例如竹重組材、竹集成材和竹簾竹席膠合板。與木材相比，竹子的硬度較低，但密度和強(qiáng)度較高。在大多數(shù)情況下，竹質(zhì)工程產(chǎn)品的剛度/質(zhì)量比通常高于普通鋼筋混凝土，但低于木質(zhì)工程產(chǎn)品。從工程的角度來(lái)看，竹制品和木制品的力學(xué)性能在某種程度上可以互補(bǔ)[6]。通過(guò)優(yōu)化竹木復(fù)合CLT 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以充分利用竹材和木材的力學(xué)性能[9]。

4 CLT 板的國(guó)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀

正交膠合木（CLT）在20 世紀(jì)70 年代由歐洲率先提出，而且緊跟著也是在歐洲成立了生產(chǎn)該板件的工廠，隨著時(shí)間推移，西方多個(gè)國(guó)家對(duì)于CLT 板構(gòu)件的力學(xué)性能做了大量的測(cè)驗(yàn)工作。2007 年，有研究人員對(duì)一個(gè)7 層的CLT 建筑進(jìn)行了抗震試驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明，該類(lèi)結(jié)構(gòu)抗震性能比較優(yōu)越，而且具有更好的彈性及延性，F(xiàn)ELLMOSER 等[10]利用振動(dòng)臺(tái)對(duì)CLT 墻體進(jìn)行了一個(gè)動(dòng)態(tài)性能的測(cè)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該墻體對(duì)于抗震性能有很好的抵御作用。而且對(duì)于結(jié)構(gòu)的延性和耗能特征有著非常重要的影響，即使是在震級(jí)較高時(shí)，發(fā)現(xiàn)只有底部剪力墻會(huì)有一定受壓損傷。與此同時(shí)，專(zhuān)家學(xué)者也發(fā)現(xiàn)CLT 在燃燒時(shí)表面會(huì)形成一個(gè)炭化層，進(jìn)而起到隔絕氧氣的作用，也證實(shí)了該板件有很好的耐火性能。

FELLMOSER 等[10]將CLT 構(gòu)件板與普通木板進(jìn)行了防火性能測(cè)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)防火性能與黏合劑的性能也是有關(guān)系的，同時(shí)研究了不同環(huán)境溫度下CLT 板的彈性模量、彎曲強(qiáng)度及失效時(shí)間，在溫度較高時(shí)能夠達(dá)到3 h 以上的阻燃效果。由于建筑規(guī)范中對(duì)于材料阻燃率的要求，CLT 在這些方面均有著良好的表現(xiàn)，也使得它在高層建筑中的實(shí)現(xiàn)成為可能，YAWALATA 等[11]對(duì)CLT 板，尤其是該構(gòu)件的滾動(dòng)剪切性能、抗彎性能等各個(gè)方面，以及它的徐變特性，通過(guò)不同方法的力學(xué)測(cè)驗(yàn)和有限元分析，研究了層數(shù)不同的正交膠合板和釘合板的不同。研究發(fā)現(xiàn)該板件中間層對(duì)于抗彎強(qiáng)度有明顯的影響，同時(shí)研究表明，該新型的正交膠合木板具備良好的力學(xué)性能[11]。FELLMOSER 等[10]研究了原材料的強(qiáng)度對(duì)于構(gòu)件承載力的影響，研究結(jié)果表明，抗剪切性能取決于中間板材的強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)不同層數(shù)的CLT 板進(jìn)行性能研究試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度隨著板厚的增加而降低，這與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在某些方面是相背離的。

此外，國(guó)外除了對(duì)CLT 板構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行理論研究外，也在建筑工程領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的運(yùn)用，第一座建成的是瑞士的單層CLT 建筑。隨著時(shí)間的推移，在德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家均建成了一些高層建筑，當(dāng)然這些結(jié)構(gòu)也不是純粹的木結(jié)構(gòu)，大多是由混凝土和木結(jié)構(gòu)組合而成的。CLT 板在國(guó)外房屋建筑學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，但是在木結(jié)構(gòu)、橋梁等方面的應(yīng)用較少，1998 年奧地利Wandritsch 公路橋的橋面板，使用的是CLT 板，此外，挪威的一架鋼結(jié)構(gòu)大橋采用CLT板代替瀝青路面板，使得強(qiáng)重比更高，減輕結(jié)構(gòu)的自重荷載。

5 CLT 板國(guó)內(nèi)研究及發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于CLT 板的研究，國(guó)外的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)較為成熟，中國(guó)對(duì)于該領(lǐng)域的研究起步時(shí)間相對(duì)較晚，在國(guó)外研究的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，中國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展也在不斷加快，目前包括南京林業(yè)大學(xué)在內(nèi)的許多科研所對(duì)CLT 板的制造工藝、力學(xué)性能、數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了大量的研究，也取得了非?？捎^的成果，試驗(yàn)也取得了階段性的勝利。

目前中國(guó)主要對(duì)使用國(guó)產(chǎn)樹(shù)種制得的CLT 板進(jìn)行性能的探究，同時(shí)也對(duì)用楊木等數(shù)種制而成的木材進(jìn)行了力學(xué)性能的研究，并且得到了相應(yīng)的承載力計(jì)算方法[12]。謝文博、盧曉等以加拿大西部的鐵杉為原料對(duì)板件的力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行了探究，利用胡克定律、材料力學(xué)和彈性力學(xué)等知識(shí)，得到了不同層數(shù)的類(lèi)交合層的層間剪應(yīng)力及它們的最大層間剪應(yīng)力。大量的試驗(yàn)研究表明，CLT 板件的層間存在的剪應(yīng)力和膠合層，通過(guò)計(jì)算平行層和垂直層彈模之比等因素，得到了該板件的力學(xué)性能[13]，同時(shí)加工方式不同，橫切面的構(gòu)造也不同。并分析了密度、年輪走向、髓心的距離以髓心的位置對(duì)于剪切性能的影響，研究結(jié)果表明，在荷載的作用下，CLT 板的受力變形一般多屬于彈性階段，通常會(huì)發(fā)生脆性破壞[13]。

通過(guò)膠合重組的手段加工而成的CLT 板，能夠有效減少本身缺陷所帶來(lái)的影響，在工廠進(jìn)行預(yù)制加工，板件的生產(chǎn)更加靈活，現(xiàn)場(chǎng)施工速度更快，可以依據(jù)工程的實(shí)際需要來(lái)進(jìn)行尺寸的加工。截至目前，中國(guó)的CLT 板集中在建筑領(lǐng)域，而且多為單向板，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究較少，考慮到橋面雙向受力及木材各項(xiàng)異性的特點(diǎn)，還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，對(duì)于CLT雙向板進(jìn)行力學(xué)性能分析，包括滾動(dòng)剪切性能的分析，從而使CLT 該板在橋梁結(jié)構(gòu)等方面的應(yīng)用成為可能。

6 結(jié)論

本文重點(diǎn)論述了正交膠合木的優(yōu)點(diǎn)及良好的受力性能，國(guó)外對(duì)于正交膠合木的理論研究和實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，而且應(yīng)用市場(chǎng)也非常廣闊。中國(guó)由于竹材較多、木材稀少，研究方向也更傾向于竹木制成的正交膠合木，它能夠有效地彌補(bǔ)竹材自身的力學(xué)性能缺陷，使各個(gè)方向的力學(xué)性能都能得到充分發(fā)揮。國(guó)內(nèi)外通過(guò)抗阻燃試驗(yàn)、滾動(dòng)剪切試驗(yàn)及抗彎試驗(yàn)和彈性模量的測(cè)定[14]，發(fā)現(xiàn)竹木制成的CLT 板在強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面都有著良好的表現(xiàn)。國(guó)內(nèi)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，竹木復(fù)合板要比木結(jié)構(gòu)的復(fù)合板性能更加優(yōu)越，因此竹木結(jié)構(gòu)勢(shì)必有著廣闊的發(fā)展前景，而且鑒于上述正交膠合板的優(yōu)點(diǎn)，在今后的發(fā)展中，木結(jié)構(gòu)也將逐步轉(zhuǎn)向高層建筑。