正交胶合木的销槽承压强度研究总结与建议_马梦淋.pdf

住宅与房地产HOUSING AND REAL ESTATE32THEORY RESEARCH理论 研究文/Article 马梦淋正交胶合木的销槽承压强度研究总结与建议摘要：文章总结国内外对正交胶合木（CLT）的销槽承压理论研究和试验研究进展，分析对比正交胶合木销槽承压的影响因子及测试方法的研究成果，总结现有的销槽承压强度计算方法，提出采用有限元方法对螺纹、层数和层厚、钢销刚度、拼缝等研究相对薄弱的影响因子进行全面分析，进而确定主要影响因子，研究成果可为今后建立适用于各种工况下的正交胶合木销槽承压强度计算公式奠定一定基础。关键词：正交胶合木；销槽承压强度；影响因子；计算方法近几年，随着现代木结构越来越受到人们重视，正交胶合木（CLT）凭借质轻高强、稳定、双向受力和可预制等优点脱颖而出。20172019 年，我国先后发布了与正交胶合木相关的国家标准和指南：木结构设计标准（GB 500052017）、多高层木结构建筑技术标准 和 正交胶合木结构技术指南，由此可以体现出国家对其的重视程度。CLT 双向受力构造特点使它可作为承重构件，在建筑中，CLT 常用于墙体、楼面板与屋面板等。CLT 板和CLT 墙结构的节点连接为木结构中相对薄弱的部位。CLT结构节点连接以销连接为主，销连接承载能力计算与销槽承压强度紧密相关，因此研究 CLT 结构销槽承压性有重要意义。为此，文章针对 CLT 销槽承压测试方法和影响因子的现有研究成果进行梳理，对比不同的 CLT 销槽承压计算方法，归纳总结出亟须解决的问题和建议，以期为我国 CLT 的后续研究提供参考。1 CLT 销槽承压测试方法的研究总结木结构销槽承压的测试方法有全孔测试和半孔测试两种。这两种测试方法各有优缺点，全孔测试更贴合实际，但是操作复杂，而半孔测试与实际情况不完全相符，但操作简单。不同测试方法对应的销槽承压强度判定方法也有不同。半孔测试方法测得的销槽承压强度值只能采用标准 ASTM(D 5764-97a)提供的 5%销直径偏移法，全孔测试方法主要采用标准 BS EN 383:2007 提供的最大位移法为销槽承压强度的取值依据。有不少专家对这两种方法进行研究，研究表明：两种测试方法得到的销槽承压强度是基本相同的。因此，HOUSING AND REAL ESTATE住宅与房地产33测试方法可基于实际情况进行自由选择。2 CLT 销槽承压影响因子的研究总结CLT 的销槽承压强度受到许多因素影响，主要可以概括成两个方面：销和 CLT 板。为此，许多专家进行了与销相关的研究，主要集中在销直径、销刚度和销表面粗糙程度；与 CLT 板相关的研究，主要集中在 CLT 的层板材料和构造组成；此外，销与 CLT 板间的位置关系和加载角度对其也有影响，但其相关研究相对薄弱，现将每个因素分别阐述。2.1 与销相关的研究在木结构设计中，有大量研究表明木材密度、钢销等级和直径是影响销槽承压强度的主要因素。CLT 也不例外，有研究表明销直径和销表面粗糙程度等参数对CLT 销槽承压强度都有不同程度的影响。对于普通木结构和胶合木结构，销直径对木结构的销槽承压强度的影响主要有两种：一种是销槽承压强度值随着销直径的增加而降低；另一种是销直径对销槽承压强度的影响不显著。而销直径对 CLT 销槽承压强度的影响在现有研究中呈负相关，符合第一种情况，相关研究如图 1 所示。相关研究表明，销的钢材等级和表面粗糙度对木结构承载力有一定的影响。Rodd 发现较粗糙的钢销具有更高的承载力。Sandhaas 认为钢材硬度也是导致更高承载力的可能原因之一。对于螺纹对 CLT 销槽承压强度的影响，徐俊华采用光销和自攻螺钉对国产日本落叶松正交胶合木的销槽承压强度进行试验研究，研究表明螺纹对CLT 销槽承压强度几乎无影响。目前尚未见钢销刚度对CLT 销槽承压强度影响的相关报道。2.2 与 CLT 板相关的研究CLT 的制作过程可分解为选材、组胚（纵横交错）、结构胶粘剂、压制，最后工厂预制成各种形式及尺寸的CLT 产品。由此可见，CLT 层板材料和层板构造具有多样性，因此探索 CLT 板对 CLT 销槽承压强度的影响具有重要意义。根据现阶段研究，不同层板材料对 CLT 销槽承压强度的影响主要是通过不同的密度去体现的，这点从各国规范的计算方法可以看出。现有研究一致表明密度对CLT 销槽承压强度影响呈现正相关趋势，而层板厚度和层数对 CLT 销槽承压强度的影响存在不同的看法。Tu-hkanen 等认为层厚和层数对销槽承压强度无影响。欧加加认为销槽垂直于 CLT 板面时，层数越多，抗压强度越大；Dong Weiqun 对 3 层 CLT 试块进行研究，横向层与总厚度之比越大，强度越低，延性越好。金瀚对 3 层和 5层 CLT 板进行销槽承压试验研究，试验表明层数对抗压强度无明显影响，而与横向层比例呈负相关；唐红元对（a）（c）（b）（d）图 1 销栓直径对销槽承压强度的影响 图片来源：（a）来源于唐红元，（b）来源于徐俊华，（c）来源于欧加加，（d）来源于 Dong Weiqun住宅与房地产HOUSING AND REAL ESTATE34THEORY RESEARCH理论 研究5 层 CLT 板（3 顺+2 横和 3 横+2 顺）试验，试验结果表明前者与后者比值约为 1.338，此外基于横纹和顺纹的叠加原理，提出两者比值公式，再将加拿大规范 CSA 086-19 和美国规范 NDS-2018 中顺纹和横纹承压强度计算式代入求出，得到两者理论比值大于 1.1，即顺纹层与总厚度之比越大，强度越大。综上，顺纹层在试件总厚度占比极为重要。CLT 板形式和尺寸具有多样性，根据尺寸效应特点，不同截面尺寸的 CLT 的力学性能存在差异。龚迎春对国产落叶松正交胶合木顺纹抗压强度尺寸效应进行研究，国产落叶松 CLT 顺纹抗压强度随着试件长度的增加而减小。目前，暂未看到尺寸效应对 CLT 销槽承压强度影响的研究，这是因为在实际工程中，销栓完全由横纹或者顺纹承压的情况较少，而销栓放置在由横纹和顺纹两者共同承压时，此时可视为横纹和顺纹厚度对销槽承压强度的影响。2.3 其他相关研究安昕以花旗松 CLT 和自攻螺钉为材料，研究不同钉入角度（90，75，60，45）对轴向承载的强度、刚度、延性变化规律的影响，最后提出：钉入角度 60时，抗拔强度最小；钉入角度 90时，刚度最大；钉入角度60时，延性系数和耗能均是最低；钉入角度 75时，耗能最高。金瀚针对不同加载角度（0和 90）和销轴是否位于拼缝处的情况进行试验及计算分析，结果表明：外侧横纹时试件销槽承压强度与销轴是否位于拼缝处无关，而外侧顺纹时销轴位于拼缝处会显著降低其销槽承压强度，其拼缝位于中间层，中间层板几乎没有损坏，其拼缝的存在对强度没有太大影响。徐俊华和欧加加通过试验研究胶缝对 CLT 销槽承压强度的影响，提出胶缝的销槽承压强度可取顺纹、横纹销槽承压强度的平均值。以上研究主要是通过试验研究建立的，因此在探索影响因子时具有相对局限性和欠经济性，建议后期研究可以通过建立有限元模型的方式去全面探索 CLT 销槽承压强度影响因子，确定主要影响因子，为后续计算方法的建立提供重要参照。3 CLT 销槽承压计算方法的对比分析加拿大规范 CSA O86-19、美国 CLT 手册和我国正交胶合木（CLT）结构技术指南中给出了 CLT 销槽承压强度计算方法。3.1 加拿大规范 CSA O86-19 的计算方法加拿大规范 CSA O86-19 引进了调整系数，而 CLT为正交叠合，且由于施工工艺的不同，CLT 叠合处存在缝隙，导致调整系数的确定具有一定难度。(),0,90,22,90sincoseeiDSPTe oefffK K Kff=+（1）(),05010.01exfGd J=（2）(),902210.01efGd=（3）式中：fi,为销槽承压强度；fe,0为木材顺纹销槽承压强度，N/mm2；fe,90为木材横纹销槽承压强度，N/mm2；d为销栓直径，mm；为荷载与木纹方向的夹角，；Jx为调整系数，对于 CLT 材料取值 0.9，其余复合质材料取1；G 为木材比重；KD、Ksp、KT分别为加载条件、使用环境和试件处理的调整系数。3.2 美国 CLT 手册的计算方法美国 CLT 手册根据叠加原理，考虑了受压层长度对销槽承压强度值的影响，贴合了实际工况中纵向受压层总厚度和横向受压层总厚度不等的情况。()1,0,90CLTeepfl fl fl=+（4）式中：f,CLT为销槽承压强度；l|为纵向层受压长度，mm；l为横向层受压长度，mm；lp为试件总受压长度，mm。3.3 正交胶合木（CLT）结构技术指南的计算方法正交胶合木（CLT）结构技术指南建议采用式（5）和（6）计算销槽承压强度，其中式（5）适用于螺钉垂直于 CLT 表层板且使用条件为：螺钉直径 d 6 mm，层板厚度 t 10 mm，螺钉拧入 CLT 板有效长度至少穿过 3层板；而式（6）适用于螺钉平行于 CLT 表层板且使用条件为：螺钉直径 d 8 mm，有效锚固长度 le,f 10d，层板间隙 6 mm。0.31.24,0.019h kkfd=（5）,20h kfd=（6）式中：fh,k为销槽承压强度标准值；d 为螺钉最小直径，即螺纹内径和无螺纹段直径较小值；k为木材气干密度标准值。HOUSING AND REAL ESTATE住宅与房地产35CLT 销槽承压强度计算方法暂未形成统一准则，现在大部分学者通过将试验结果与各国规范进行对比，再基于对比情况对公式进行修正，得到适用于特定研究对象的计算方法，存在一定的局限性。各国规范的计算方法有各自侧重点，且并未对各种工况进行细分，建议对国内树种进行系统分析，针对工程实际中常用工况进行细化研究，建立统一的 CLT 销槽承压强度计算方法。4 建议文章通过对 CLT 销槽承压测试方法、影响因子现有研究成果的总结，以及对比分析 CLT 销槽承压计算方法，基于现有成果，提出以下建议：（1）测试方法可基于实际情况进行选择；（2）采用试验和有限元模拟的方式对影响因子进行全面分析，尤其是对还存在一定争议的和研究相对薄弱的影响因子，确定其主要影响因子；（3）基于主要影响因子，建立 CLT 销槽承压强度统一的计算准则。（作者单位：四川建筑职业技术学院 土木工程系）参考文献1 中国建筑西南设计研究院有限公司,四川省建筑科学研究院.木结构设计标准:GB 50005-2017S.北京:中国建筑工业出版社,2017.2 中国建筑西南设计研究院有限公司,南京工业大学.多高层木结构建筑技术标准:GB/T 51226-2017S.北京:中国建筑工业出版社,2017.3 姚涛,祝恩淳,牛爽,等.正交胶合木(CLT)结构技术指南 M.北京:中国建筑工业出版社,2019.4 ASTM.Test Method for determining dowel bearing strength of wood and wood-based products:ASTM D 5764-97a(2013)S.West Conshohocken,PA:ASTM,2013.5 BSI.Timber Structures:test methods:Determination of embedding strength and foundation values for dowel type fasteners:BS EN 383:2007S.London:BSI,2007.6 张俊珍,赵荣军,任海青,等.日本落叶松胶合木销槽承压强度的影响因素分析 J.木材工业,2014,28(3):22-25,29.7 杨茹元,张晓凤,袁权,等.落叶松顺纹销槽承压屈服强度研究 J.林业工程学报,2020,5(5):131-138.8 唐红元,马梦淋,杨媛,等.正交胶合木销槽承压强度试验研究 J.建筑结构学报,2022,43(5):175-184.9 徐俊华,武国芳,田昭鹏,等.国产日本落叶松正交胶合木的销槽承压强度 J.北京林业大学学报,2021,43(12):116-126.10 欧加加,杨学兵,许清风.正交胶合木销槽承压强度的试验研究 J.四川建筑科学研究,2020,46(1):28-35.11 Dong W Q,Wang Z Q,Zhou J H,et al.Embedment strength of smooth dowel-type fasteners in cross-laminated timberJ.Construction and Building Materials,2020,233:117243-117253.12 冯新,肖宏彬,陈伯望,等.木材横纹销槽承压强度研究 J/OL.建筑材料学报:1-152023-01-13.http:/ RODD P D.The analysis of timber joints made with circular dowel connectorsD.Brighton:University of Sussex,1973.14 SANDHAAS C,RAVENSHORST G J P,BLASS H J,et al.Embedment tests parallel-to-grain and ductility aspects using various wood speciesJ.European Journal of Wood and Wood Products,2013,71(5):599-608.15 TUHKANEN E,MLDER J,SCHICKHOFER G.Influence of number of layers on embedment strength of dowel-type connections for glulam and cross-laminated timberJ.Engineering Structures,2018,176:361-368.16 金瀚,何敏娟,龙卫国,等.正交胶合木在垂直于层板板面光滑销式紧固件下的销槽承压试验研究 J.建筑技术,2021,52(3):260-263.17 Canadian Standards Association.Engineering design in wood:CSA O86-19S.Toronto:Canadian Standards Association,2019.18 American Wood Council.National design specification(NDS)for wood construction:NDS-2018 S.Washington DC:American Wood Council,2018.19 龚迎春,武国芳,任海青.国产日本落叶松正交胶合木抗压性能研究 J.林产工业,2018,45(5):4.20 安昕,王昕萌,陈志渊,等.自攻螺钉钉入角度对正交胶合木(CLT)握钉力性能的影响 J.建筑技术,2021,52(3)289-293.21 KARACABEYLI E,DOUGLAS B.CLT handbook:Cross-lami-nated timber M.Midison,Canada:FPInnovations and American Wood Council,2013