工程用生物基材料力學(xué)性能研究★

李 小，王 倩，周巧宇，陶家樂，王 萍

(1.湖南工商大學(xué)前沿交叉學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410205;2.中國華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司長(zhǎng)沙分公司,湖南 長(zhǎng)沙 410006)

0 引言

國務(wù)院于2021年10月發(fā)布了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》,明確指出工業(yè)領(lǐng)域需推動(dòng)建材行業(yè)碳達(dá)峰,加強(qiáng)新型凝膠材料、低碳混凝土、木竹建材等低碳建材產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用。傳統(tǒng)建筑行業(yè)迎來向“建筑材料低碳化、建筑結(jié)構(gòu)綠色化”轉(zhuǎn)型的重要契機(jī)[1]。既有研究表明,生物質(zhì)材料建造而成的現(xiàn)代木/竹結(jié)構(gòu)能耗低,每平方米木結(jié)構(gòu)能耗為磚混結(jié)構(gòu)的1/3,每平方米竹結(jié)構(gòu)能耗則為磚混結(jié)構(gòu)的2/3,研究和發(fā)展工程用生物質(zhì)材料有助于實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)碳達(dá)峰的目標(biāo)。工程用生物質(zhì)材料具有環(huán)保、美觀、力學(xué)性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn),近年來引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,已形成現(xiàn)代木/竹結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、施工相關(guān)的規(guī)范體系,建成了竹結(jié)構(gòu)房屋、大跨度膠合木拱橋、18層全木建筑等新型結(jié)構(gòu)[2-4]。現(xiàn)代木/竹結(jié)構(gòu)的迅猛發(fā)展離不開對(duì)工程用生物質(zhì)材料力學(xué)性能的研究。全球范圍來看,關(guān)于工程用生物質(zhì)材料的研究主要包括兩個(gè)方面,即短期荷載和長(zhǎng)期荷載作用下的力學(xué)性能研究。從材料的角度來看,工程用生物質(zhì)材料可分為工程用木基材料和工程用竹基材料。兩者雖同屬黏彈性材料,但是力學(xué)性能有一定差別。因此,本文將分別總結(jié)工程用木基材料和工程用竹基材料力學(xué)性能本構(gòu)模型、概率分布及設(shè)計(jì)方法,對(duì)比工程用木基材料和工程用竹基材料的優(yōu)劣,為生物質(zhì)材料在工程中的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供參考。

1 工程用木基材料

采用現(xiàn)代工藝加工木材,可以制作多種工程用木基材料,如膠合木GLT(Glue-Laminated Timber)、單板層積材LVL(Laminated Veneer Lumber)、定向木片板OSB(Oriented Strand Board)、正交膠合木CLT(Cross Laminated Timber)等,如圖1所示。

1.1 本構(gòu)模型

除了通過試驗(yàn)研究獲取工程用木基材料的基本力學(xué)指標(biāo)分布之外,為探究工程用木基材料在不同短期靜力荷載作用下的受力機(jī)理,國內(nèi)外研究人員通過理論研究的方式對(duì)工程用木基材料的本構(gòu)模型進(jìn)行了研究。既有研究將工程用木基材料復(fù)雜的受力行為分為線性受力和非線性受力兩個(gè)階段。線性受力階段通常采用彈性本構(gòu)模型來描述;非線性受力階段則主要采用彈塑性模型、彈性損傷模型和彈塑性損傷模型這三種本構(gòu)模型來描述。楊娜等[5]在單參數(shù)纖維復(fù)合材料本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上提出一種雙參數(shù)的彈塑性本構(gòu)模型,并通過紅松材受壓試驗(yàn)對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行識(shí)別,雙參數(shù)的彈塑性本構(gòu)模型考慮了纖維方向的塑性應(yīng)變,可以預(yù)測(cè)任意方向壓力作用下木材的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律。彈塑性本構(gòu)模型、彈性損傷模型[6]、彈塑性損傷模型[7-8]各有優(yōu)缺點(diǎn),如表1所示。

表1 不同本構(gòu)模型的優(yōu)缺點(diǎn)

值得指出的是,與其他木工程用木基材料不同,CLT能克服木材各向異性,可作為承重構(gòu)件應(yīng)用于大跨度和高層現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中,近年來成為工程用木基材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于正交的層積方式,CLT有突出的滾動(dòng)剪切的特性。目前主要采用機(jī)械連接理論、復(fù)合層板理論、剪切類比法和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法來預(yù)測(cè)CLT的等效抗彎剛度和抗彎強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)。

機(jī)械連接理論對(duì)CLT簡(jiǎn)支梁且荷載分布形式為正弦半波的情況提供精確解,但對(duì)其他荷載分布形式僅可提供近似解;復(fù)合層板理論對(duì)跨高比較大的情況比較準(zhǔn)確,但是無法剪切變形;剪切類比法的適用范圍較廣,預(yù)測(cè)抗彎剛度、抗彎強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度。如Paul Crovella[9]將北美白松、紅楓和水曲柳這三種低等級(jí)木材制成交叉層壓木板,測(cè)試其彎曲剛度,發(fā)現(xiàn)剪切類比法預(yù)測(cè)的軟木材CLT板的彎曲剛度低于5%,預(yù)測(cè)的硬木CLT板的彎曲剛度低于25%。孫曉峰等[10]則采用剪切類比法計(jì)算了鐵杉正交膠合木板彎曲、剪切標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值。Niederwestberg等[11]研究了3層和5層CLT板的剪切剛度,利用Timoshenko梁理論和剪切類比法將計(jì)算結(jié)果與單層性能評(píng)價(jià)的剪切剛度值進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)剪切剛度對(duì)于順紋剪切模量和橫紋剪切模量較為敏感。

1.2 概率分布和設(shè)計(jì)方法

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)以上工程用木基材料的抗拉、抗壓、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)等力學(xué)性能開展了廣泛研究。由于木材各項(xiàng)異性、鋸材分級(jí)技術(shù)的局限性,導(dǎo)致制作而成的木基產(chǎn)品性能變異性較大,因此,科研人員通常采用概率的研究方法研究工程用木基材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。如K?hler Jochen等[12]提出木材順紋抗拉強(qiáng)度服從Lognormal分布,橫紋抗拉強(qiáng)度服從2-p Weibull分布,順紋抗壓強(qiáng)度服從Lognormal分布,橫紋抗壓強(qiáng)度服從Normal分布,彎曲強(qiáng)度服從Lognormal分布,剪切強(qiáng)度服從Lognormal分布。王春明等[13]選用國產(chǎn)楊木制作成LVL,采用擬合優(yōu)度檢驗(yàn)方法進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)楊木LVL的順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均符合Lognormal分布。Zhou Yang等[14]采用通用試驗(yàn)裝置進(jìn)行足尺LVL構(gòu)件的抗扭試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)LVL的剪應(yīng)力高度依賴于材料的剪切模量。針對(duì)規(guī)格材的穩(wěn)定性問題。祝恩淳等[15]采用回歸分析方法,確定了規(guī)格材軸心受壓試件的穩(wěn)定系數(shù),提出的穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)一算法可適用于各類木產(chǎn)品構(gòu)件,并給出了木結(jié)構(gòu)可靠度理論分析的功能函數(shù)G及規(guī)格材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fd的計(jì)算公式[16],即:

其中,KA為木構(gòu)件截面尺寸不定性系數(shù),隨機(jī)變量;KP為抗力計(jì)算模式不定性系數(shù),隨機(jī)變量;KQ3為荷載持續(xù)作用對(duì)木材或木基產(chǎn)品強(qiáng)度的影響系數(shù),隨機(jī)變量;f為木材或木基產(chǎn)品的短期強(qiáng)度,隨機(jī)變量;fk為木材或木基產(chǎn)品的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;KDOL為荷載持續(xù)作用效應(yīng)系數(shù),常量,為KQ3的均值;Ψc為荷載組合系數(shù);g為恒載與其標(biāo)準(zhǔn)值之比;q為可變荷載與其標(biāo)準(zhǔn)值之比;ρ為可變荷載與恒載的標(biāo)準(zhǔn)作用效應(yīng)比;KB為作用效應(yīng)計(jì)算方程的不定性,隨機(jī)變量;γR為木構(gòu)件的抗力分項(xiàng)系數(shù),常量;γG為恒載分項(xiàng)系數(shù),常量;γQ為可變荷載分項(xiàng)系數(shù)。

其中,fd為木構(gòu)件的設(shè)計(jì)值。

隨后,鐘永等[17]以國產(chǎn)興安落葉松規(guī)格材為研究對(duì)象,采用可靠度理論方法,優(yōu)化了我國規(guī)格材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的計(jì)算方法。

以上研究主要通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,獲得工程用木基材料的抗拉、抗壓、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度的分布特征,為工程用木基材料的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 工程用竹基材料

根據(jù)材料的組織結(jié)構(gòu),工程竹基材料大體可以分為集成竹材、重組竹材(如圖2所示)。集成竹材保留了竹片的完整性,重組竹材則將竹材加工成長(zhǎng)條狀竹篾、竹絲或碾碎成竹絲束后重新膠合壓制成的型材,密度更大,硬度更高,膠合程度更緊密。

2.1 本構(gòu)模型

近年來,國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)和理論分析對(duì)工程用竹基材料的短期強(qiáng)度、變形等力學(xué)性能進(jìn)行了研究。為探究集成竹材的力學(xué)性能,肖巖等[18]系統(tǒng)地開展了結(jié)構(gòu)用膠合竹材的研究,論證了結(jié)構(gòu)用膠合竹材的優(yōu)越性能。沈玉蓉等[19]基于Euler梁理論,考慮材料非線性建立了壓彎構(gòu)件在塑性工作狀態(tài)下的承載力計(jì)算方法,并通過重組竹梁受彎試驗(yàn)和重組竹柱偏心受壓試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性,為現(xiàn)行相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范仍采用線彈性計(jì)算方法提供了估算重組竹梁壓彎承載力。Wen Liu等[20]開展了竹篾層積材和膠合竹板的面內(nèi)縱向的混合Ⅰ/Ⅱ型斷裂試驗(yàn),構(gòu)建了以上兩種工程用竹基材料的混合Ⅰ/Ⅱ型斷裂包絡(luò)圖,發(fā)現(xiàn)膠合竹構(gòu)件比竹篾層積材構(gòu)件的安全性更高。

在純竹工程材料的基礎(chǔ)上,學(xué)者借鑒CLT的層疊概念,進(jìn)一步提出了正交膠合竹木Cross Laminated Bamboo and Timber(CLBT),并對(duì)這類竹基材料的性能開展了一系列研究[21]。研究發(fā)現(xiàn)CLBT梁的彎曲承載力高于SPF梁的承載力;CLBT墻的保溫隔熱性能較好,其熱阻值隨著外部溫度升高而降低,其熱阻值與熱傳系數(shù)與CLT墻的接近,具有替代CLT的潛力。為探究CLBT偏壓力學(xué)性能,Hao Li[22]進(jìn)行了224個(gè)CLBT小試件的偏壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)與膠合層板構(gòu)件相比,CLBT構(gòu)件在偏壓作用下的力學(xué)性能隨著偏壓角度的變化更為緩慢,提出了偏壓作用下彈性模量的預(yù)測(cè)模型,模型的形式和材料均會(huì)影響CLBT構(gòu)件偏壓力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型的精度。

2.2 概率分布和設(shè)計(jì)值

工程用竹基材料各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)的概率分布和設(shè)計(jì)值的確定是其能推廣到工程應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。江澤慧等[23]較早地開展了工程用集成竹材的物理力學(xué)性能的研究,獲得了工程用竹集成材的基本物理指標(biāo),發(fā)現(xiàn)集成竹材的水平剪切強(qiáng)度明顯優(yōu)于LVL、落葉松等木基材料,且抗彎強(qiáng)度及彈性模量等也很優(yōu)越。肖巖等[24]通過試驗(yàn)獲得了工程用膠合竹的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度,計(jì)算了各自的平均值和變異系數(shù),提出采用容許應(yīng)力折減系數(shù)計(jì)算膠合竹材的設(shè)計(jì)參考值的方法。蘇毅等[25]通過對(duì)集成竹材的材性試驗(yàn)和15個(gè)集成竹材簡(jiǎn)支梁試件的抗彎試驗(yàn),開展集成竹材梁的非線性彎曲性能研究,提出集成竹材簡(jiǎn)支梁受彎承載力M和撓度zu的理論計(jì)算模型如下:

Zhi Li等[26]通過試驗(yàn)方法和理論推導(dǎo)給出了膠合竹板的嵌入強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值,直接預(yù)測(cè)單向、層壓膠合竹的連接件或交叉層壓板的平均極限強(qiáng)度,為膠合竹結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。Zhi Li等[27]對(duì)用于工程的膠合竹板進(jìn)行了拉伸、壓縮、彎曲和剪切的力學(xué)試驗(yàn),提出了可用于估算膠合竹的軸向和彎曲性能,給出了超過95%概率的強(qiáng)度特征值,并發(fā)現(xiàn)工程木制品相比,工程用竹基材料的強(qiáng)度值比工程木基材料要高得多,且強(qiáng)重比不小于典型的工程木基材料。

Huang Dongsheng等[28]則給出了重組竹順紋受壓三段式應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,即線性、非線性強(qiáng)化和非線性軟化受壓階段。針對(duì)竹基材料力學(xué)性能變異性大的問題,鐘永等[29]優(yōu)化了抽樣技術(shù),提出了重組竹特征值的計(jì)算方法。

以上研究主要通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,獲得工程用竹基材料的抗拉、抗壓、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度的分布特征,為工程用竹基材料的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

綜上所述,針對(duì)工程用生物質(zhì)材料的力學(xué)性能研究目前已取得較多成果,覆蓋的材料種類豐富,涵蓋了硬木、軟木、集成竹、重組竹等不同的材料,為工程應(yīng)用提供了較多的選擇,但是目前仍有可以拓展的工作:

1)已有研究較多集中在短期力學(xué)性能的研究,對(duì)于長(zhǎng)期荷載作用下的力學(xué)性能、保溫隔熱、聲學(xué)等性能研究較少。

2)推導(dǎo)強(qiáng)度理論采用的理論方法多樣化,假設(shè)條件有差別,因此尚未建立統(tǒng)一的力學(xué)本構(gòu)模型。

3)主要針對(duì)清材小試件進(jìn)行抗拉、抗壓、抗彎、抗剪等試驗(yàn),但是試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一,因此試驗(yàn)結(jié)果有所差異,且較少涉及足尺試驗(yàn)研究尺寸效應(yīng),因此基于可靠度的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的計(jì)算還應(yīng)該考慮尺寸效應(yīng)等影響因素。