層板銷(xiāo)接木性能研究進(jìn)展

付海燕，何敏娟

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

隨著全球環(huán)境資源問(wèn)題的凸顯，中國(guó)推出了“力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的“3060”戰(zhàn)略目標(biāo)，綠色低碳發(fā)展越來(lái)越成為主流.而建筑行業(yè)，尤其是建筑材料在能源消耗和廢棄物排放方面對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大程度的負(fù)面影響.因此，建筑材料的低碳發(fā)展和綠色轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵之一.

木材具有綠色節(jié)能、資源可再生等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有固碳能力的建材，在可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境下具有顯著優(yōu)勢(shì).此外，城市人口密度持續(xù)增長(zhǎng)推動(dòng)了多高層建筑的快速發(fā)展［1］，從而對(duì)木材的應(yīng)用已不僅僅局限于非結(jié)構(gòu)用材.近年來(lái)，與木材有關(guān)的工程材料技術(shù)取得較大進(jìn)展，如研發(fā)了膠合木［2-3］、層板釘接木［4］等工程木產(chǎn)品，以及竹木-鋼材［5］、竹木-混凝土［6］等混合竹木產(chǎn)品.

層板銷(xiāo)接木（dowel laminated timber，DLT）是層板通過(guò)木銷(xiāo)連接組合而成的一種結(jié)構(gòu)用工程木產(chǎn)品.此概念最早在20 世紀(jì)70 年代提出，近些年由于石材、鋼材等資源減少，以及當(dāng)前低碳政策的推廣，DLT 得到較多研究和應(yīng)用.一方面，DLT 基本屬于全實(shí)木產(chǎn)品，除了在層板接長(zhǎng)時(shí)使用少量膠黏劑外，層板和木銷(xiāo)均采用木材；另一方面，DLT 板材可以根據(jù)使用目標(biāo)進(jìn)行定制，預(yù)制化程度較高.DLT 具有綠色節(jié)能、可持續(xù)性等優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)造靈活，加工高效，可應(yīng)用范圍廣泛.

基于此，本文首先簡(jiǎn)要概述了DLT 的基本構(gòu)造和分類(lèi)；然后，系統(tǒng)梳理了DLT 在木銷(xiāo)、木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件方面的性能研究成果，包括木銷(xiāo)力學(xué)性能、木銷(xiāo)-層板銷(xiāo)槽承壓性能、木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)抗剪性能、DLT 木梁抗彎性能、DLT 板抗彎性能和振動(dòng)特性；最后，介紹了DLT 在性能研究中存在的不足，同時(shí)提出了DLT 研究中亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題.

1 DLT 概述

1.1 DLT 基本構(gòu)造

DLT 是一種將層板寬面通過(guò)側(cè)面拼接、層板組合采用銷(xiāo)連接的工程木產(chǎn)品，示意圖見(jiàn)圖1.目前DLT 產(chǎn)品中的層板通常使用厚度為20～38 mm，寬度為89～140 mm 的規(guī)格材（如冷杉、云杉等），含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在19%以下；銷(xiāo)通常為高密度木材（如橡木、櫸木等），直徑一般為10～19 mm，含水率為6%～8%［7-8］.近些年，由于壓縮木材（表1［9-11］）和竹材在性能研究方面取得了一些進(jìn)展，有部分學(xué)者采用壓縮木銷(xiāo)和竹銷(xiāo)來(lái)連接DLT［12-13］，但研究成果尚未投入應(yīng)用.

表1 部分木材壓縮處理前后力學(xué)性能對(duì)比Table 1 Comparison of mechanical properties of part wood species before and after compression treatment

圖1 層板銷(xiāo)接木Fig.1 Dowel laminated timber

DLT 加工過(guò)程中，在木銷(xiāo)插入層板之前，需要于層板相應(yīng)位置預(yù)鉆孔.預(yù)鉆孔直徑主要由銷(xiāo)連接工作原理和加工工藝決定，通常預(yù)鉆孔直徑比木銷(xiāo)直徑小0～1.5 mm［14］.圖2 為木銷(xiāo)排列方式.由圖2 可見(jiàn)：木銷(xiāo)可以一次性穿透7～10 塊層板；DLT 中木銷(xiāo)排數(shù)一般是1～2 排，排列方式主要為并列和錯(cuò)列.在實(shí)際工程中，為避免木銷(xiāo)因長(zhǎng)期效應(yīng)偏離所在軸線(xiàn)，通過(guò)改變木銷(xiāo)插入角度和方式來(lái)提高板材長(zhǎng)期性能，比如調(diào)整木銷(xiāo)與層板之間的夾角（V-DLT）［10］或改變相鄰木銷(xiāo)的插入方向（W-DLT）［8］等，如圖3所示.

圖2 木銷(xiāo)排列方式Fig.2 Dowel arrangement

圖3 V-DLT 或W-DLT 示 意圖Fig.3 Sketch map of V-DLT or W-DLT

根據(jù)木材的生物質(zhì)性和干縮濕脹性，DLT 銷(xiāo)連接系統(tǒng)的工作原理主要分為2 種：一種是將木銷(xiāo)固定在鉆頭上，在高速旋轉(zhuǎn)條件下，利用木銷(xiāo)中的非晶體聚合物（如木質(zhì)素）或者涂抹在木銷(xiāo)外層的熱熔膠受熱軟化，對(duì)層板和木銷(xiāo)進(jìn)行連接組合［15-16］；另一種是利用木材含水率平衡和其自身的吸濕膨脹性能［17-18］，通過(guò)使用含水率明顯低于層板的高密度木銷(xiāo)（通常干燥率為5%～8%）與層板（通常干燥率為12%～15%，不超過(guò)19%）進(jìn)行組裝，組裝后的DLT為達(dá)到含水率平衡，木銷(xiāo)濕漲且層板干縮，緊密結(jié)合后形成一個(gè)整體體系.然而，由于木材的各向異性，因含水率變化而發(fā)生干縮濕脹時(shí)各方向的尺寸變化并不均勻.因此，若采用第2 種工作原理進(jìn)行銷(xiāo)連接，在加工上需要特別注意預(yù)鉆孔與木銷(xiāo)之間的直徑差［19］，比如為保證銷(xiāo)連接性能，在確保可加工的情況下，層板上的預(yù)鉆孔直徑仍需小于干燥后的木銷(xiāo)直徑.關(guān)于直徑差的具體數(shù)值，需要基于實(shí)際使用的木材種類(lèi)、直徑等，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)或預(yù)加工進(jìn)行確定.

1.2 DLT 分類(lèi)

在結(jié)構(gòu)工程中，DLT 常用做梁、墻體、樓面板和屋面板等.圖4 顯示，DLT 有2 種基本形式，分別是水平DLT 和垂直DLT.由圖4 可見(jiàn)：水平DLT 中木銷(xiāo)沿層板寬度方向進(jìn)行連接，構(gòu)件寬度由層板數(shù)量決定，多用于墻體、樓面板和屋面板［19］；垂直DLT 中木銷(xiāo)沿層板厚度方向進(jìn)行連接，構(gòu)件厚度尺寸較靈活、但寬度受層板截面高度限制，工程中主要用于制作梁［15］.

圖4 DLT 基本形式Fig.4 Basic form of DLT

DLT 木銷(xiāo)和層板的布置可根據(jù)用途和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整.層板正交銷(xiāo)接木（dowel cross laminated timber，DCLT）是一種DLT 木銷(xiāo)連接與層板正交組坯（cross laminated timber，CLT）相結(jié)合的結(jié)構(gòu)材，示意圖見(jiàn)圖5［18］，其通過(guò)正交組坯的方式減小因?qū)影遄冃嗡斐傻膶娱g隙，進(jìn)而增強(qiáng)板材變形穩(wěn)定性.此外，DLT 還可以與其他材料（如混凝土）疊合形成組合樓板，以增強(qiáng)板材結(jié)構(gòu)剛度和減小板材振動(dòng)，如圖6 所示［8］.

圖5 層板正交銷(xiāo)接木結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of dowel cross laminated timber［18］

圖6 DLT-混凝土結(jié)構(gòu)Fig.6 DLT-concrete structure［8］

圖7 為層板構(gòu)造.DLT 的形狀規(guī)格靈活，可以通過(guò)改變層板表面形式來(lái)增加板材的附屬功能.比如，通過(guò)加工槽口和切口、或安裝吸聲材料等來(lái)提高板材的聲學(xué)性能（圖7（a）［20］）；或通過(guò)使用不同截面高度的層板來(lái)形成層板間的凹槽，便于安裝線(xiàn)管等（圖7（b）［20］）.

圖7 層板構(gòu)造Fig.7 Detail construction of laminate

2 木銷(xiāo)及木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)性能研究

木銷(xiāo)連接是DLT 的連接方式，對(duì)DLT 物理力學(xué)性能有重要影響.木銷(xiāo)的抗剪強(qiáng)度、抗拔強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度，以及銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度是木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo).以下將從木銷(xiāo)力學(xué)性能、木銷(xiāo)-層板銷(xiāo)槽承壓性能及木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)抗剪性能3 方面進(jìn)行闡述.

2.1 木銷(xiāo)力學(xué)性能

木銷(xiāo)作為層板連接的緊固件，主要承受剪力、彎矩和壓力3 種荷載.木銷(xiāo)雙剪節(jié)點(diǎn)破壞模式見(jiàn)圖8.由圖8 可見(jiàn)：（1）歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［21］給出了4 種銷(xiāo)連接破壞模式（Ⅰm/Ⅰs/Ⅲs/Ⅳ），其中Ⅰm和Ⅰs破壞模式分別是中間層板和兩側(cè)層板上的銷(xiāo)槽應(yīng)力達(dá)到銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度后發(fā)生的受壓破壞，銷(xiāo)釘無(wú)明顯損傷；Ⅲs破壞模式是銷(xiāo)釘在中間層板中受彎，產(chǎn)生1 個(gè)塑性鉸所發(fā)生的屈服破壞；Ⅳ破壞模式是銷(xiāo)釘在兩側(cè)和中間層板中分別受彎，共產(chǎn)生3 個(gè)塑性鉸所發(fā)生的屈服破壞.（2）Miller 等［22］對(duì)銷(xiāo)連接破壞模式進(jìn)行了補(bǔ)充，提出了第5 種破壞模式（Ⅴ），即“有效剪切”破壞模式.研究發(fā)現(xiàn)，DLT 中使用的高密度木銷(xiāo)在承受剪力、彎矩和壓力3 種荷載的合力作用下，易發(fā)生剪切破壞模式［23］.王必林［24］采用直徑12 mm 的壓縮楊木銷(xiāo)，設(shè)置0、6、12、18 mm 的剪切跨度，探究了木銷(xiāo)有效剪切強(qiáng)度與剪切跨距之間的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著剪切跨度的增大，木銷(xiāo)的有效剪切強(qiáng)度逐漸下降.同時(shí)還提出了用于預(yù)測(cè)不同剪切跨度下壓縮木銷(xiāo)橫紋抗剪強(qiáng)度的計(jì)算表達(dá)式［24］：

圖8 木銷(xiāo)雙剪節(jié)點(diǎn)破壞模式Fig.8 Failure mode of double-shear joints［21-22］

式中：fy，v為木銷(xiāo)有效剪切強(qiáng)度，MPa；E為抗彎彈性模量，MPa；s為木銷(xiāo)剪切跨度，mm；d為木銷(xiāo)直徑，mm.

由于節(jié)點(diǎn)破壞過(guò)程中木銷(xiāo)主要有拔出和斷裂2 種破壞模式［25］，因此，木銷(xiāo)抗拔性能和抗彎性能對(duì)木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有重要影響.研究表明：木銷(xiāo)的抗拔性能與其插入方向［26］、預(yù)鉆孔深度［27］、加工工藝［28］、木銷(xiāo)種類(lèi)［29］，以及木銷(xiāo)直徑與預(yù)鉆孔直徑比值［30］等變量有關(guān).文獻(xiàn)中木銷(xiāo)抗拔性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2.選擇高密度木銷(xiāo)或通過(guò)加工處理提高木銷(xiāo)密度、增加木銷(xiāo)插入深度、設(shè)計(jì)木銷(xiāo)插入層板方向?yàn)榇怪庇谀炯y等，均可以提高木銷(xiāo)的抗拔性能.

表2 文獻(xiàn)中木銷(xiāo)抗拔性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 2 Pullout resistances of dowel from the experimental results in literature

針對(duì)木銷(xiāo)抗彎性能的研究較少，主要作為材料參數(shù)，用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)承載力.Ioana 等［31］為探究節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能，對(duì)12 mm 巴西紅檀（manilkara spp）木銷(xiāo)進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，測(cè)得其抗彎屈服承載力為1.78 kN、抗彎屈服彎矩為40.05 kN·mm，其性能顯著優(yōu)于賈賀然等［14］研究得到的12 mm 櫸木銷(xiāo)的抗彎性能（抗彎屈服承載力0.52 kN、抗彎屈服彎矩17.84 kN·mm）.這表明，當(dāng)直徑相同時(shí)，木銷(xiāo)密度越大，木銷(xiāo)的抗彎屈服承載力和抗彎屈服彎矩也越大（巴西紅檀和櫸木銷(xiāo)密度分別為1.127 g/cm3和0.711 g/cm3）.

2.2 木銷(xiāo)-層板銷(xiāo)槽承壓性能

歐洲屈服理論模式（European yield model，EYM）中有2 種木銷(xiāo)連接延性破壞模式，分別為層板銷(xiāo)槽承壓屈服（Ⅰm和Ⅰs）、木銷(xiāo)和層板銷(xiāo)槽承壓同時(shí)屈服（Ⅲs和Ⅳ）.木銷(xiāo)連接的力學(xué)性能主要受層板銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度與銷(xiāo)釘?shù)目箯澇休d力影響［32］.銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度是歐洲屈服理論模式中的重要參數(shù)之一，也是評(píng)價(jià)層板銷(xiāo)連接承載力的技術(shù)指標(biāo)之一［33-34］.當(dāng)前銷(xiāo)槽承壓研究多為鋼銷(xiāo)-層板［35-36］，木銷(xiāo)-層板銷(xiāo)槽承壓研究較少.王必林［24］采用半孔試驗(yàn)法對(duì)壓縮楊木銷(xiāo)-樟子松膠合木層板進(jìn)行了順紋和橫紋銷(xiāo)槽承壓試驗(yàn)，結(jié)果表明：壓縮木銷(xiāo)-膠合木層板順紋和橫紋銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度分別為29.37～36.30 MPa 和16.59～19.54 MPa，順紋銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于橫紋；歐洲木結(jié)構(gòu)規(guī)范BS EN383《Determination of embedding strength and foundation values for dowel type fasteners》和美國(guó)木結(jié)構(gòu)規(guī)范ASTMD 5764-97a（2013）《Standard test method for evaluating dowel-bearing strength of wood and wood-based products》均能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)壓縮木銷(xiāo)-膠合木層板的順紋銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度（絕對(duì)誤差積分分別5.15%和8.52%），而對(duì)于橫紋銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度存在較大預(yù)測(cè)誤差（絕對(duì)誤差積分分別19.92%和27.25%）.

研究發(fā)現(xiàn)，層板種類(lèi)對(duì)木銷(xiāo)-層板銷(xiāo)槽承壓性能有一定影響.Ioana 等［31］采用12 mm 巴西紅檀木銷(xiāo)分別與云杉、云杉制CLT 和栗木層板組合，并進(jìn)行順紋銷(xiāo)槽承壓試驗(yàn)，得到3 種木銷(xiāo)-層板銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度值，分別為11.3、11.9、12.7 MPa.層板密度由大到小為栗木、云杉制CLT 和云杉，表明隨著層板密度的增大，木銷(xiāo)-層板順紋銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但該趨勢(shì)并不明顯.

木銷(xiāo)種類(lèi)對(duì)木銷(xiāo)-層板銷(xiāo)槽承壓性能的影響存在分歧.Ioana 等［31］采用全孔法進(jìn)行順紋銷(xiāo)槽承壓試驗(yàn)，測(cè)得巴西紅檀木銷(xiāo)-云杉層板和鋼銷(xiāo)-云杉層板順紋承壓強(qiáng)度值分別為11.3、31.3 MPa，鋼銷(xiāo)順紋銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于巴西紅檀木銷(xiāo).賈賀然等［14］采用半孔法進(jìn)行橫紋銷(xiāo)槽承壓試驗(yàn)，測(cè)得櫸木銷(xiāo)-云杉/松/冷杉（SPF）層板與鋼銷(xiāo)-SPF 層板橫紋的銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度基本相同，分別為28.20、28.36 MPa.2 個(gè)研究結(jié)果不同的原因?yàn)椋阂环矫妫赡苁悄句N(xiāo)種類(lèi)對(duì)順紋銷(xiāo)槽承壓性能有影響，對(duì)橫紋銷(xiāo)槽承壓性能基本無(wú)影響；另一方面可能是采用了不同的試驗(yàn)方法和評(píng)估方式.研究表明［34］銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度的試驗(yàn)方法和評(píng)估方式對(duì)橫紋銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度有重要影響，這需要在今后的研究中進(jìn)一步確認(rèn).

2.3 木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)抗剪性能

當(dāng)前，主要采用雙剪試驗(yàn)［37］和單剪試驗(yàn)［38］來(lái)探究層板銷(xiāo)連接節(jié)點(diǎn)的抗剪性能.2 種試驗(yàn)示意圖如圖9 所示.

Jung 等［37］采用單銷(xiāo)雙剪試驗(yàn)，探討了銷(xiāo)的初始剛度、極限承載力、屈服強(qiáng)度等抗剪性能.結(jié)果表明：其余變量一致時(shí)，壓縮木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)的極限承載力、屈服強(qiáng)度和耗能明顯優(yōu)于未壓縮木銷(xiāo)，而初始剛度無(wú)明顯不同；加載方向平行于銷(xiāo)截面木紋時(shí)，壓縮木圓銷(xiāo)和方銷(xiāo)的極限承載力和初始剛度分別為6.10～7.65、8.33～11.07 kN 和4.09～4.43、6.73～8.49 kN/mm，其中壓縮木方銷(xiāo)承載力與鋼圓銷(xiāo)的極限承載力基本相當(dāng)，均為6.97～13.87 kN.

薛瑩瑩等［38］采用單剪抗拉試驗(yàn)，探究了水青岡木銷(xiāo)（直徑10 mm、平均密度0.703 g/cm3、含水率2%、抗彎強(qiáng)度93.68 MPa）和自攻螺釘（直徑5.2 mm、頭部直徑10.3 mm、抗彎強(qiáng)度1 184.3 MPa）的極限荷載、初始剛度和延性系數(shù)等抗剪性能.結(jié)果表明：水青岡木銷(xiāo)的極限荷載低于自攻螺釘（兩者分別為3.62、5.25 kN）、延性系數(shù)與自攻螺釘相似（兩者分別為2.02、2.39）、初始剛度明顯優(yōu)于自攻螺釘（兩者分別為1.11、0.38 kN/mm）.

研究發(fā)現(xiàn)，木銷(xiāo)種類(lèi)，層板種類(lèi)、厚度和加工方式等對(duì)木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)抗剪性能有重要影響.

2.3.1 木銷(xiāo)種類(lèi)

E-Houjeyri 等［39］在單調(diào)和循環(huán)加載條件下對(duì)云杉層板-壓縮云杉木銷(xiāo)（SJ-SCWD）和云杉層板-橡木銷(xiāo)（SJ-OWD）2 種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了順紋方向的單銷(xiāo)雙剪試驗(yàn).圖10 為木銷(xiāo)種類(lèi)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪性能的影響.圖10 顯示，壓縮云杉木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)抗剪承載力為11.0～13.0 kN，顯著高于橡木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力4.0～7.5 kN.另外壓縮云杉的彈性模量和斷裂模量顯著高于橡木，這也在一定程度上說(shuō)明提高木銷(xiāo)材性可以增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)抗剪承載力.

圖10 木銷(xiāo)種類(lèi)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪性能影響Fig.10 Effect of dowel types on shear properties of joints［39］

2.3.2 層板種類(lèi)和厚度

研究表明，層板種類(lèi)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪性能有影響［31，39］.圖11 為層板種類(lèi)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪性能影響.由圖11 可見(jiàn)，當(dāng)采用云杉層板-壓縮云杉木銷(xiāo)和橡木層板-壓縮云杉木銷(xiāo)做單銷(xiāo)雙剪試件時(shí)，橡木層板和云杉層板節(jié)點(diǎn)的順紋抗剪強(qiáng)度和初始剛度分別為20.14、12.97 kN 和7.06、3.65 kN/mm，橡木層板節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度和剛度優(yōu)于云杉［39］.橡木層板的密度、彈性模量和斷裂模量均大于云杉，表明提高層板材性可以增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度和初始剛度.

圖11 層板種類(lèi)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪性能影響Fig.11 Effect of laminate types on shear properties of joints［39］

表3 為不同層板厚度在雙剪試驗(yàn)中的力學(xué)性能對(duì)比.由表3 可見(jiàn)，層板厚度的增加也可以提高銷(xiāo)連接節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力和延性，但會(huì)降低節(jié)點(diǎn)剛度［40］.

表3 不同層板厚度在雙剪試驗(yàn)中的力學(xué)性能對(duì)比Table 3 Comparison of mechanical properties of different thickness of laminates in double-shear test［40］

2.3.3 其他因素

根據(jù)木銷(xiāo)連接工作原理，木銷(xiāo)與層板組合加工方式主要為木錘敲入和高速旋轉(zhuǎn)鉆入.研究表明［11］：木銷(xiāo)在高速旋轉(zhuǎn)鉆入時(shí)產(chǎn)生的損傷明顯大于敲入時(shí)，敲入式的單銷(xiāo)雙剪試件的平均抗剪承載力（6.786 kN）略高于高速旋轉(zhuǎn)式試件（6.127 kN）.

此外，木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)抗剪性能也因木材的生物質(zhì)性和干縮濕脹性而受環(huán)境濕度影響［31］.

3 DLT 構(gòu)件性能研究

目前針對(duì)DLT 構(gòu)件的力學(xué)性能研究主要是垂直DLT 木梁抗彎性能、DLT 板抗彎性能和振動(dòng)特性［41］.

3.1 垂直DLT 木梁抗彎性能

3.1.1 性能對(duì)比

表4 匯總了當(dāng)前主要的垂直DLT 木梁和膠合木梁抗彎性能對(duì)比.由表4 可見(jiàn)：垂直DLT 木梁的抗彎強(qiáng)度和抗彎剛度均低于膠合木梁，分別約為膠合木梁的1/2 和1/4；但最大變形和延性明顯優(yōu)于膠合木梁，約為膠合木梁的2 倍.這是由于膠結(jié)的完全剛性顯著提高了層板的抗彎強(qiáng)度和抗彎剛度，而木銷(xiāo)的半剛性連接可以通過(guò)層板間的相對(duì)滑移進(jìn)行耗能，從而提高木梁整體的延性.

同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)［39］，膠合木梁的破壞模式為脆性破壞，而垂直DLT 木梁的破壞模式主要是底層板的順紋開(kāi)裂和木銷(xiāo)斷裂造成的層板間錯(cuò)位，如圖12所示.

圖12 垂直DLT 木梁破壞模式Fig.12 Failure mode of DLT-vertical beams［39］

3.1.2 影響因素

目前，垂直DLT 木梁抗彎性能研究主要是以木銷(xiāo)的相關(guān)性能為變量，探究木梁的初始剛度、抗彎模量、抗彎承載力和變形等.研究表明，木銷(xiāo)間距（數(shù)量）、直徑及種類(lèi)、插入角度對(duì)垂直DLT 木梁抗彎性能均有重要影響.

（1）木銷(xiāo)間距（數(shù)量）

O’loinsigh 等［15］制作了1 種采用高速旋轉(zhuǎn)木銷(xiāo)進(jìn)行層板連接的4 層垂直DLT 木梁，研究了木銷(xiāo)間距對(duì)垂直DLT 木梁力學(xué)性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖13.由圖13 可見(jiàn)：采用木銷(xiāo)數(shù)量為44、32、20、0 的垂直DLT木梁抗彎承載力和最大變形分別為24.00、22.75、22.00、21.00 kN 和98.70、108.15、115.04、123.57 mm；在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著木銷(xiāo)間距的減小（即木銷(xiāo)數(shù)量的增加），垂直DLT 木梁的抗彎承載力均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但最大變形逐漸減小.

圖13 木銷(xiāo)間距（數(shù)量）對(duì)垂直DLT 木梁力學(xué)性能影響Fig.13 Effect of dowel spacing on flexural performance of DLT-vertical beams［15］

Sotayo 等［12］通過(guò)ABAQUS 數(shù)值模擬，探討了3層垂直DLT 木梁初始橫向剛度，結(jié)果表明，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著木銷(xiāo)間距的減小（沿木梁縱向方向由100 mm 減小到50 mm），垂直DLT 木梁的橫向剛度增大.Bouhala 等［44］通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和數(shù)值模擬，探討了木銷(xiāo)間距和排數(shù)對(duì)垂直DLT 木梁結(jié)構(gòu)性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)木銷(xiāo)數(shù)量不變時(shí)，隨著木銷(xiāo)排數(shù)的增加，垂直DLT 木梁的抗彎承載力降低；當(dāng)木銷(xiāo)排數(shù)不變時(shí)，隨著木銷(xiāo)數(shù)量的增加，垂直DLT 木梁的抗彎承載力提高.

上述研究表明，木銷(xiāo)數(shù)量的增多使得結(jié)構(gòu)整體性得到了提高.因此，減小木銷(xiāo)間距或增加木銷(xiāo)數(shù)量，一定程度上可以提高垂直DLT 木梁的抗彎強(qiáng)度和剛度.

Sotayo 等［42］采用壓縮木銷(xiāo)為歐洲赤松和山毛櫸，層板為歐洲赤松組合制作了7 層垂直DLT 木梁，并對(duì)其抗彎性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：當(dāng)其余變量一致時(shí)，采用木銷(xiāo)直徑為10、15 mm 的垂直DLT 木梁平均抗彎模量和抗彎強(qiáng)度分別為2.6、3.7 GPa 和20.2、22.0 MPa，表明適當(dāng)增大木銷(xiāo)直徑可以提高木梁抗彎模量；當(dāng)其余變量一致時(shí)，分別采用壓縮赤松木銷(xiāo)和壓縮山毛櫸木銷(xiāo)的垂直DLT 木梁平均抗彎模量和抗彎強(qiáng)度為2.5、2.6 GPa 和34.8、20.2 MPa，一定程度上說(shuō)明選擇高性能木銷(xiāo)可以增強(qiáng)垂直DLT 木梁抗彎強(qiáng)度.

也有學(xué)者采用回收的工程木制作木銷(xiāo)，來(lái)連接層板形成垂直DLT 木梁，并對(duì)該木梁進(jìn)行了抗彎性能研究［45］，如圖14 所示.研究表明：回收的工程木可以用做DLT 中的木銷(xiāo).

圖14 回收工程木制木銷(xiāo)對(duì)垂直DLT 木梁力學(xué)性能影響Fig.14 Effect of recycled dowel on flexural performance of DLT-vertical beams［45］

（3）木銷(xiāo)插入角度

關(guān)于木銷(xiāo)插入角度對(duì)垂直DLT 木梁抗彎性能影響的研究結(jié)果存在一定分歧.Sotayo 等［42］采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)7 層垂直DLT 木梁的破壞模式、抗彎強(qiáng)度和抗彎模量等力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：木銷(xiāo)間距為50 mm 時(shí)，木銷(xiāo)插入角度為55°和90°的垂直DLT 木梁抗彎模量均為2.5 GPa，故木銷(xiāo)插入角度對(duì)木梁的抗彎模量無(wú)明顯影響.而李橋等［13］對(duì)雙層垂直DLT 木梁進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，木銷(xiāo)插入角度為60°和90°的垂直DLT 木梁初始剛度和極限承載力分別為275.42、313.29 N/mm 和8.51、10.18 kN，表明木銷(xiāo)插入角度的增加會(huì)提高木梁的抗彎性能.

以上2 個(gè)研究結(jié)果出現(xiàn)分歧的原因可能是垂直DLT 木梁的其他變量數(shù)值未統(tǒng)一，在不同情況下，影響垂直DLT 木梁力學(xué)性能的關(guān)鍵變量會(huì)發(fā)生變化.因此，后續(xù)需要在保證其余變量盡可能相同的情況下，進(jìn)一步確認(rèn)木銷(xiāo)插入角度及其與其他變量之間的相互關(guān)系對(duì)垂直DLT 木梁抗彎性能的影響.

3.2 DLT 板性能研究

當(dāng)前，針對(duì)DLT 板性能研究相對(duì)較少，主要是探究DCLT 板抗彎模量、抗彎剛度等抗彎性能，以及自振頻率、阻尼等振動(dòng)特性.

3.2.1 DCLT 板抗彎性能

（1）性能對(duì)比

五年后，我大學(xué)畢業(yè)時(shí)，老馬還在寫(xiě)詩(shī)，已經(jīng)是個(gè)小有名氣的農(nóng)民詩(shī)人。雖然依舊在種地，但他有了一點(diǎn)難得的感悟：詩(shī)歌可能與稻草有關(guān)系，但一定和職業(yè)沒(méi)有關(guān)系。別人可以把愛(ài)詩(shī)和寫(xiě)詩(shī)的人當(dāng)成怪物，但詩(shī)人自己不能。

研究發(fā)現(xiàn)，DCLT 板與垂直DLT 木梁抗彎性能相似，均具有優(yōu)良的延性特性和抗震性能.Sotayo等［42］對(duì)DCLT 板進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，并與CLT 進(jìn)行了比較，結(jié)果見(jiàn)圖15.由圖15可見(jiàn)：（1）截面尺寸相近時(shí)，DCLT 的抗彎強(qiáng)度較低，約為CLT 抗彎強(qiáng)度的1/2；但DCLT 的延性系數(shù)顯著高于CLT.（2）CLT 板材為典型的脆性破壞，主要是膠層的分離和層板的滾動(dòng)剪切破壞；而DCLT 板材表現(xiàn)出不同破壞模式，包括圍繞木節(jié)發(fā)生的層板拉伸破壞及靠近支撐輥軸的橫向?qū)影逖啬句N(xiāo)排列方向破壞，所有破壞中木銷(xiāo)并無(wú)損傷.

圖15 DCLT 與CLT 板抗彎性能對(duì)比Fig.15 Comparison of flexural performance between DCLT and CLT plates［42］

（2）影響因素

圖16 為層板數(shù)量及種類(lèi)對(duì)DCLT 板抗彎性能的影響.由圖16 可見(jiàn)：（1）5 層DCLT 板材的縱向抗彎剛度和斷裂模量約為3 層DCLT 板材的2 倍和0.8；當(dāng)均布荷載為2 940 N/m2、撓度標(biāo)準(zhǔn)為l/400 時(shí)（l為跨度），3 層和5 層DCLT 板材的最大跨度分別為3.25、4.50 m，說(shuō)明層板數(shù)量的增加可以提高DCLT板材的抗彎剛度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大跨度［18］.（2）橡木DCLT 的抗彎模量和抗彎強(qiáng)度均高于歐洲赤松DCLT；對(duì)比于歐洲赤松層板，橡木層板較高的抗彎強(qiáng)度和剛度顯著提高了DCLT 的抗彎模量和抗彎強(qiáng)度，說(shuō)明可以通過(guò)改善層板力學(xué)性能來(lái)優(yōu)化DCLT板材的抗彎性能［42］.

圖16 層板數(shù)量及種類(lèi)對(duì)DCLT 板抗彎性能的影響Fig.16 Effect of number and type of laminates on flexural performance of DCLT plates

木銷(xiāo)直徑似乎對(duì)DCLT 板抗彎性能存在影響.木銷(xiāo)直徑16 mm 的DCLT 抗彎模量和抗彎強(qiáng)度均優(yōu)于木銷(xiāo)直徑10 mm 的DCLT［42］，但由于該研究中存在其余變量，因此結(jié)論需要進(jìn)一步確定.圖17 為層板拼接方式對(duì)DCLT 板抗彎性能影響.由圖17 可見(jiàn)，相鄰層板拼接處凹槽的有無(wú)對(duì)DCLT 板抗彎性能無(wú)明顯影響［42］，故DCLT 加工可以直接采用平接方式進(jìn)行拼板，以減少加工流程，便于組裝.

圖17 層板拼接方式對(duì)DCLT 板抗彎性能影響Fig.17 Effect of laminate splicing method on flexural performance of DCLT plate［42］

3.2.2 DLT 板構(gòu)件振動(dòng)特性

現(xiàn)有研究表明［46-47］，DCLT 板振動(dòng)特性滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求.通過(guò)彎曲試驗(yàn)和ABAQUS 數(shù)值模擬，得到了足尺DCLT 板的自振頻率、撓度和參數(shù)b分別為11.0 Hz、0.82 mm/kN 和137，均滿(mǎn)足歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 規(guī) 范［21］要 求（自 振 頻 率 大 于8 Hz、撓 度0.4～4.0 mm/kN、參數(shù)b為50～150）.同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，相鄰層板拼接處有無(wú)凹槽對(duì)DCLT 板的實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率值和阻尼也基本無(wú)影響.

4 結(jié)論與展望

一系列的研究成果證明DLT 作為結(jié)構(gòu)用材應(yīng)用于建筑中的可行性.通過(guò)對(duì)DLT 構(gòu)造分類(lèi)的介紹及研究現(xiàn)狀的闡述，得到相關(guān)結(jié)論：（1）構(gòu)造方面，僅由木銷(xiāo)和層板組成的DLT 是一種近似全實(shí)木的工程木產(chǎn)品，具有綠色節(jié)能、可持續(xù)性的優(yōu)勢(shì)，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)造靈活，可應(yīng)用范圍廣泛.（2）性能方面，木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)、垂直DLT 木梁和DCLT 板均具有優(yōu)良的延性特性和抗震性能；雖然其在強(qiáng)度、剛度性能上仍與鋼銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)、膠合木梁及CLT 板存在一定差距，但可以通過(guò)調(diào)整相關(guān)變量來(lái)增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件性能.

為提高DLT 的力學(xué)性能，擴(kuò)大其工程應(yīng)用，對(duì)DLT 進(jìn)一步的研究?jī)?nèi)容提出以下建議：

（1）在材料方面，增加國(guó)產(chǎn)木材的應(yīng)用，降低國(guó)內(nèi)工程木產(chǎn)品對(duì)國(guó)外進(jìn)口材的依賴(lài).目前作為DLT的主體材料——層板，仍主要采用國(guó)外進(jìn)口板材，如何有效利用國(guó)產(chǎn)材發(fā)展DLT 等工程木產(chǎn)品是如今需要深入研究的課題.為滿(mǎn)足DLT 層板力學(xué)性能的要求，需要進(jìn)一步研究國(guó)產(chǎn)材改性處理方式，同時(shí)盡快建立國(guó)產(chǎn)材重要材性數(shù)據(jù)庫(kù)和力學(xué)性能評(píng)估體系.

（2）在節(jié)點(diǎn)方面，探究關(guān)鍵變量，提高木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)抗剪性能.當(dāng)前木銷(xiāo)連接機(jī)理仍不清晰，因此需要進(jìn)一步探究更多變量對(duì)木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)抗剪性能的影響，比如木銷(xiāo)的插入角度等.此外，需要建立不同破壞模式下，適用于木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力公式，完善木銷(xiāo)節(jié)點(diǎn)計(jì)算規(guī)范.

（3）在構(gòu)件方面，合理應(yīng)用層板，提高DLT 構(gòu)件力學(xué)性能.垂直DLT 木梁和DCLT 板在抗彎強(qiáng)度和剛度上仍與膠合木梁和CLT 板存在較大差距.因此，需要進(jìn)一步考慮層板的選擇，比如不同樹(shù)種或高性能?chē)?guó)產(chǎn)木基結(jié)構(gòu)板材等，通過(guò)合理的組合方式來(lái)提高DLT的抗彎強(qiáng)度和抗彎剛度.另外，有必要對(duì)DLT 進(jìn)行長(zhǎng)期性能試驗(yàn)，提供DLT的全生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù).