高温预处理对杨木正交胶合木剪力墙抗侧力性能的影响

[目的]研究往复荷载作用时国产速生杨木正交胶合木(CLT)剪力墙的抗侧力性能,阐明木材高温预处理和加速老化对剪力墙抗侧力性能的影响,为高温改性技术和国产速生木材在建筑结构中的高效利用提供参考。[方法]以木结构建筑常用的进口欧洲云杉规格材为对照,以相同强度等级的国产速生杨木为研究对象,选用180℃为预处理温度对杨木进行高温改性,制备5面全尺寸正交胶合木剪力墙,开展往复荷载作用时加速老化前后正交胶合木剪力墙的抗侧力性能试验。[结果]与相同层板强度等级的欧洲云杉正交胶合木剪力墙相比,往复荷载作用时未处理杨木正交胶合木剪力墙的极限承载力、弹性抗侧刚度、耗能能力分别降低5.8%、12.9%、8.0%;木材经高温预处理、墙体经加速老化或二者联合处理后,杨木正交胶合木剪力墙的抗侧力性能指标不同程度降低;与未处理杨木正交胶合木墙体相比,加速老化处理后,墙体的极限承载力、弹性抗侧刚度、耗能能力分别降低9.4%、9.7%、11.2%;木材经高温预处理后,经加速老化,墙体的极限承载力、弹性抗侧刚度、耗能能力变化较小,分别降低2.9%、2.4%、5.0%。[结论]往复荷载作用时,国产速生杨木正交胶合木剪力墙的抗侧力性能略低于相同层板强度等级的欧洲云杉正交胶合木剪力墙,水平力作用时二者具有相似破坏模式,均为抗拔连接件节点处钉子被剪断;木材经高温预处理、墙体经加速老化或二者联合处理后,杨木正交胶合木剪力墙的破坏模式均为底部墙角抗拔连接件处木材被拉断或劈裂破坏;木材高温预处理能够有效降低加速老化对剪力墙抗侧力性能的影响,具有相对较好的抗老化能力;建立正交胶合木剪力墙极限承载力计算模型,理论值与试验值误差小于10%。

正交胶合木新型抗剪及抗拉连接耗能特性试验

连接节点是保证木结构抗震性能的重要因素,节点的耗能能力是衡量其是否适用于抗震区的重要指标。提出了适用于正交胶合木(cross laminated timber,CLT)结构的新型耗能抗剪连接节点和新型耗能抗拉连接节点,为研究该类连接节点的破坏模式及力学性能,开展了15组低周往复加载试验。试验结果表明,新型耗能连接节点试件延性系数(D)均大于9.0,满足欧洲规范Eurocode 8中对高延性节点D>6的要求,属于高延性范围;新型耗能连接节点工作阶段强度退化系数均低于20%,具备工程适用性;新型耗能连接节点工作阶段等效黏滞阻尼系数为12%~22%,普通商用连接节点等效黏滞阻尼系数为2.5%~15.8%,两类新型耗能连接节点具有较好的耗能能力。

竹集成材-SPF复合正交胶合木的研发及性能评估

运用相同工艺分别制备足尺垂直型竹集成材-SPF复合CLT(简称V-BWCLT)与足尺水平型竹集成材-SPF复合CLT(简称H-BWCLT)。依据国内外相关标准对两种BWCLT的胶层剪切强度、胶合耐久性、抗弯弹性模量(MOE)、抗弯强度(MOR)和层间剪切强度进行了测试,并用三维非接触式应变测量系统(DIC)对抗弯和层间抗剪试验过程中的受力变形情况进行记录。结果表明:在相同制备工艺条件下,两种BWCLT平均胶层剪切强度接近,浸渍剥离率均可达到相关标准要求。V-BWCLT的平均MOE与MOR分别为7941 MPa和56.7 MPa,而H-BWCLT的平均MOE与MOR分别为10144 MPa和54.0 MPa,H-BWCLT比V-BWCLT具有更高的弯曲刚度,但两者MOR较为接近。对比SPF-CLT,两种BWCLT的抗弯强重比均有显著提高,上述研究和分析为新型竹木复合CLT的实际工程应用提供了设计参考与理论依据。

新型耗能连接正交胶合木剪力墙抗侧力性能试验

为研究基于软钢屈服与橡胶剪切变形双重耗能机制新型连接的正交胶合木剪力墙抗侧力性能,考虑顶部竖向荷载、墙体高宽比、耗能连接件可更换性等因素,对6榀2.4m高足尺试件进行了单调及低周往复加载试验,并与普通金属连接正交胶合木墙体进行对比试验,获取并分析了剪力墙的破坏过程、力学性能参数及各项因素对抗侧力性能的影响规律。结果表明:新型耗能连接正交胶合木剪力墙在侧向力下的损伤主要集中在耗能连接的软钢耗能段屈服断裂与耗能橡胶脱胶破坏,墙体板材与自攻螺钉未见损伤;增大顶部竖向荷载可有效提升墙体的抗侧力性能,而增大高宽比主要可增加墙体的变形能力与延性;与普通金属连接墙体相比,耗能连接墙体的最大承载力相近,但延性提升26%,耗能能力提升38%,最大层间位移角可达1/23,且在原位替换耗能连接修复的墙体与原墙体的抗侧力性能相近,表明新型耗能连接正交胶合木剪力墙具有较好抗震性能,可实现强震后连接可更换、结构可修复的设计目标。

正交胶合木楼板全尺寸耐火性能试验研究

开展全尺寸正交胶合木楼板在加载情况下的耐火性能试验,所测试的楼板整体厚度为175 mm,在楼板上方均布2.0 kN/m2的砝码进行加载。两块楼板分别采用耐热型聚氨酯(PUR)胶和普通PUR胶制作,并分别采用单层15 mm厚和双层12 mm厚的耐火石膏板进行防火保护。试验发现,对于采用耐热型PUR胶和15 mm厚耐火石膏板的试件,石膏板的脱落时间约为45~50 min,层板炭化后未发生明显的脱落现象;对于采用普通PUR胶和双层12 mm厚耐火石膏板的试件,第一层石膏板的脱落时间约为30 min,第二层石膏板的脱落时间约为60 min,层板炭化后发生了较明显的脱落现象,脱落时间发生在85~100 min。试验进行至121 min,两块楼板中心的竖向位移值分别为-25、-33 mm,楼板背火面整体完好,表面最高温升不超过2℃。结果表明,所测试的楼板试件在加载情况下的耐火极限不低于2.00 h。

正交胶合木-混凝土组合楼板凹槽连接节点抗火性能研究

为研究火灾下正交胶合木-混凝土组合楼板凹槽连接节点单剪受力性能,设计并制作了9组共27个胶合木-混凝土组合楼板凹槽连接节点试件,分别进行常温下和火灾下加载试验和数值模拟分析。试验结果表明,常温下螺钉的钻入角度对试件典型破坏模式具有重要影响。受火90min及以内各试件组的破坏模式均为凹槽附近混凝土截面的脆性剪切破坏;受火接近120min的试件破坏模式为凹槽附近木材损伤十分严重(炭化和脱落)和凹槽下方木材的顺纹受压屈服,同时自攻螺钉附近部分混凝土被压碎。随着受火时间的逐渐增加,多数试件组的抗剪承载力逐渐降低,最大降低幅度为28.1%。荷载比对试件耐火极限具有重要影响:随着荷载比的不断增加,试件耐火极限最大降幅为50.7%。除试件组SFL3和SFL4外,有限元模型的计算结果与试验结果较为接近,预测误差在15%以内,满足工程精度要求。

重组竹方销对正交胶合木力学与声学特性的影响

为提升正交胶合木(CLT)的中低频隔声性能,设计了一种以重组竹方销为声散射体的二维声子晶体结构的CLT,探究对嵌入重组竹方销的杉木CLT力学和声学特性的影响。采用短梁剪切法,研究了跨中面外开孔的CLT短梁和嵌入重组竹方销的CLT短梁层间剪切强度、最大正应力和静态韧性系数;采用阻抗管测试法,研究了周期性排布的重组竹方销对CLT隔声量的影响规律。短梁剪切试验表明:与未开孔CLT相比,开孔使CLT的层间剪切强度下降了13.0%~16.5%;与开孔CLT相比,方孔中嵌入重组竹方销可使开孔CLT的层间剪切强度提升8.5%~12.7%,从而与未开孔CLT的层间剪切强度差异不显著,其最大正应力分别与开孔和未开孔的CLT最大正应力差异不显著,为24.52~29.45 MPa;方孔中嵌入重组竹方销的CLT在静态韧性系数上相比未开孔的CLT上升了13.9%~19.1%。隔声量测试结果表明:嵌入重组竹方销的CLT属局域共振型声子晶体结构,在1 400 Hz出现吻合效应的隔声量谷值约33.41 dB;以重组竹方销为声散射体的二维声子晶体结构随重组竹方销边长的增加,提高了CLT的密度和中低频的隔声量,其中,600 Hz以下的隔声量可提升约20.22%。在不改变CLT厚度、密度增量小于20%且力学性能差异不显著的前提下,以重组竹方销增强CLT隔声性能是可行的。

正交胶合木承重墙体的全尺寸耐火试验研究

为研究正交胶合木墙体在承载条件下的耐火性能,开展了全尺寸构件的耐火试验,构件尺寸(宽×高×厚)为3600 mm×4000 mm×175 mm,宽度方向上施加的荷载为120 kN/m,两面墙体分别采用单层15 mm厚和双层12 mm厚的耐火石膏板进行防火保护。试验结果表明,对于采用15 mm厚耐火石膏板的试件5W-1,石膏板的脱落时间约为55 min,该试件采用耐热型PUR胶压制,层板炭化后未发生明显的脱落;对于采用双层12 mm厚耐火石膏板的试件5W-2,第一层石膏板的脱落时间约为40 min,第二层石膏板的脱落时间约为85 min,该试件采用普通PUR胶压制,第一层层板在停火后发生了较明显的脱落现象。两次试验均进行至121 min,试件的竖向位移分别为-10.3 mm和-9.5 mm,两面墙体的背火面整体完好、表面最高温升不超过5℃。最终试验结果表明,两面承重墙体试件的承载能力、完整性和隔热性均不低于2.00 h。

正交胶合木环型耗能节点设计与抗剪试验研究

连接节点对正交胶合木墙体抗侧力机制的发挥、延性及耗能起着至关重要的作用。本文提出一种由U型阻尼器拼装而成的环形节点,连接正交胶合木墙体与基础钢梁,使墙体的损伤集中于耗能元件,实现地震作用下耗散能量,保护正交胶合木墙体,同时,实现承载力可预测且损坏后可更换。通过低周往复抗剪试验,研究了7个不同形状及厚度的环形耗能节点的受剪性能,并对其滞回曲线、破坏特征、承载力、刚度退化及耗能能力等进行研究,对比不同收腰程度与钢板厚度对抗剪性能的影响;结合Eurocode 5等标准理论,计算正交胶合木锚固端钢板螺钉连接的抗剪承载力,推导环形耗能节点的主要力学性能指标计算公式;并基于有限元Abaqus软件,开展耗能节点往复受剪数值模拟。结果表明:以试验研究为基础,提出的正交胶合木锚固端抗剪承载力计算公式、环形Q235阻尼器力学指标计算公式及开展的有限元分析,为正交胶合木耗能节点设计提供依据;除厚度为8 mm、收腰宽度为86 mm的试件以外,其余节点试件实现了对木材的损伤集中到耗能元件上;所建立的环形阻尼器的力学性能指标计算公式,可以较为准确地预测节点的屈服力、初始刚度与屈服位移;有限元模型可以较好地模拟耗能节点的抗剪行为;通过分析给出了厚度为8 mm、收腰宽度为55 mm的试件为抗剪方向承载力及耗能能力两方面最佳的耗能连接。研究成果为正交胶合木结构在抗震区工程中的应用提供技术支撑。

竹-橡胶木复合正交胶合木的制备和性能

以锯材为基本单元的正交胶合木是具有广泛应用前景的重型木结构建筑材料。为减少对国外树种的进口和依赖,首次采用竹篾层积材与橡胶木2种本土层板原料,以相同制备工艺(胶黏剂为单组分聚氨酯,施胶量为180 g/m^(2),冷压时间1 h,压力为1.0 MPa),在大幅面压机上压制尺寸为2400 mm×1200 mm×96 mm的三层竹木复合正交胶合木(cross-laminated timber,CLT)以及另外3种不同复合形式的CLT(纯木CLT、木竹复合CLT、纯竹CLT),通过对竹木复合CLT强轴方向的抗弯弹性模量、抗弯强度、胶层剪切强度、层间剪切强度和浸渍剥离率等性能的评估和不同复合形式CLT弯曲性能差异的分析,研究国内树种与竹材制备足尺竹木复合CLT的可行性。结果表明:采用单组分聚氨酯制备的竹木复合CLT,其干态和真空加压状态下的强度、木破率以及浸渍剥离率均符合ANSI APA PRG 320-2019“Standard for performance-rated cross-laminated timber”中使用环境1的要求;抗弯性能和剪切性能测试值均能达到以上标准和LY/T 3039—2018《正交胶合木》标准中E2等级性能的要求。上述试验研究和分析为竹木复合CLT在建筑工程中的应用提供了设计参考及理论依据。

正交胶合木(CLT)在我国的应用前景

正交胶合木(CLT)在国内木结构行业的发展中具有潜在的推动作用,并且符合我国的绿色生态方针。本文阐述了正交胶合木的特点和国内外研究现状,展望了CLT板在国内木建筑中的应用前景。

非加载情况下正交胶合木楼板耐火性能试验研究

采用耐火试验炉和标准升温曲线,开展正交胶合木(Cross-laminated timber,简称CLT)楼板在非加载情况下的耐火性能试验,测试的试件为5层CLT楼板,层板厚度为35 mm,整体厚度为175 mm。通过耐火试验获取了CLT楼板内部不同深度处的温度、炭化速率和炭化深度等变化规律,分析了不同类型胶黏剂对层板脱落和炭化速率的影响。试验结果表明,所测试楼板试件的耐火隔热性和完整性均不低于2.00 h。试验发现,采用普通PUR(聚氨酯)胶的试件,第一层层板在58~69 min时发生脱落,第二层层板在100~113 min时发生脱落,炭化速率高于欧洲标准推荐的炭化速率。相比之下,采用耐热型PUR胶的试件未出现明显的层板脱落现象,炭化速率相对稳定。

正交胶合木抗压承载力试验研究

为获得正交胶合木(CLT)截面的综合抗压性能,对由云杉-松-冷杉(SPF)制成的CLT试件进行抗压试验,并基于复合层板理论计算CLT的抗压强度、泊松比及弹性模量等,旨在为CLT力学性能测试提供参考。制作了9个尺寸相同的CLT试件进行轴心受压试验,分析其极限承载力、纵向应变、横向应变、泊松比等的变化规律;依据《木结构设计标准》预测试件的理论承载力并辅以有限元验证。结果表明:荷载-轴向位移试验曲线呈典型的二折线特征,轴压力下试件分别经历了弹性和弹塑性阶段直至试件破坏;经换算得到的SPF等效弹性模量为10011.57 MPa,抗压强度为35.16 MPa,泊松比为0.39,理论计算值与试验值较为吻合;弹性段有限元模拟结果与试验值吻合良好。

正交胶合木在建筑应用的现状及展望

简述了正交胶合木板材的尺寸稳定性、防火抗震性、低碳环保性等技术领域所取得的研究成果,并对正交胶合木在欧美国家及国内在建筑上的应用情况进行总结。正交胶合木建筑在国内建筑业实现“双碳”上有非常大的发展空间,最后展望了正交胶合木建筑的发展前景,需要关注其在国内的推广与发展。

2012—2021年我国正交胶合木研究进展

正交胶合木是一种新型工程木产品,有着良好的力学性能和环保特性,是我国木结构建筑领域的热点研究方向。以2012—2021年间中国知网收录的126篇文献为研究对象,通过CiteSpace软件,对作者、机构、关键词等进行可视化,分析我国正交胶合木的研究现状、热点以及发展趋势,以期为日后对正交胶合木的研究提供参考。

构造特征对正交胶合木物理力学性能影响研究进展

相比其他结构材,正交胶合木(CLT)具有一些独特的构造特征,如层板布置方向、横向层层板宽厚比、层板间侧面缝隙及应力释放缝等,这些构造特征对CLT的物理力学性能存在影响。阐述了CLT主要构造特征存在的原因及不同标准中的差异,针对CLT构造特征对其物理力学性能影响的国内外相关研究进行了总结,指出了构造特征对CLT物理力学性能的影响规律,以期为后续CLT材料研究和应用提供参考。

正交胶合木约束钢板剪力墙的约束板厚需求

为探究CLT板对钢板剪力墙的约束机理,基于ABAQUS对其进行有限元模拟。结果表明:相比于混凝土约束板,CLT约束板仅使得钢板剪力墙弹性阶段的最高承载力与刚度略微降低,但在一定程度上降低了结构自重,木材的高延性还可以在约束板产生较大面外变形时仍保持墙体的完整性,使得约束板可以持续发挥对钢板的约束作用。通过数据拟合,得到单面CLT板约束改进型钢板剪力墙在达到2 rad层间位移角时,约束板厚度与其面外变形关系的拟合公式。研究结果可为屈曲约束式钢板剪力墙的设计提供理论参考。

基于蒙特卡洛模拟预测正交胶合木(CLT)顺纹抗压强度

基于《木结构试验方法标准》测试锯材和正交胶合木(CLT)顺纹抗压强度,采用正态分布、对数正态分布、威布尔分布函数进行数据拟合,利用K-S检验判断拟合优度,基于复合层板理论利用蒙特卡洛模拟预测CLT顺纹抗压强度。结果表明,CLT和锯材的顺纹抗压强度平均测试值分别为39.96 MPa和30.41 MPa;采用威布尔分布的拟合优度最高;CLT抗压强度的预测值与实测值相对误差在8%以下,采用蒙特卡洛模拟数据预测CLT顺纹抗压强度平均值和5%分位值的相对误差分别为5.8%和-0.8%,具有更高预测准确性。

正交胶合木的销槽承压强度研究总结与建议

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。

正交胶合木(CLT)梁剪应力分析及其层间剪切强度测试

【目的】探索正交胶合木(CLT)矩形截面梁剪应力计算公式,为测试CLT梁层间剪切强度提供理论依据。【方法】根据胡克定律及梁的弯矩与剪力的微分关系,计算3层、5层和7层CLT梁及同向胶合木梁的层间剪应力,给出CLT梁剪应力计算公式,比较CLT梁及同向胶合木梁的剪应力分布特征。【结果】CLT梁层间正应力间断,但层间剪应力是连续的;对于CLT矩形截面梁,其剪应力沿截面高度变化趋于均衡,不再遵循抛物线分布; CLT短跨距梁在三点弯曲加载中,依次发生垂直层滚动剪切破坏、层间剪切破坏和平行层弯曲破坏;短跨距梁三点弯曲载荷-位移曲线的最高峰值载荷为CLT发生层间剪切破坏载荷,其值稳定、易于读取;铁杉CLT梁层间剪切强度与其平行层弹性模量呈正相关。【结论】CLT梁层间剪应力和最大剪应力与CLT层数、平行层与垂直层弹性模量比值E_L/E_T(或E_L/E_R)有关; 3层、5层和7层CLT矩形截面梁的最大剪应力均发生在梁截面中性轴上,其值分别为1.5倍截面平均剪应力的92.8%、86.7%和92.6%;短跨距梁三点弯曲法是一种有效测试CLT层间剪切强度的方法。