旋切板胶合木的受力性能研究综述.docx

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1、旋切板胶合木（又称单板层积材，Laminated Veneer Lumber,简称LVL ）自20世纪70年代起源于北美，随后在北美、欧洲得到广泛应用。LVL是由一定厚度（36 mm ）的单板沿一定纹理方向层积组坯，通过耐 候胶粘剂热压胶合而成的工程木产品。欧洲根据单板的组坯方式将LVL分为LVL-P和LVL-C两种，其中， LVL-P的单板均以顺纹组坯，而LVL-C中约20%的单板以横向组坯。在未特别说明的情况下，LVL一般指LVL-Po LVL-C是一种正交胶合的 面板产品，其顺纹强度和刚度比LVL-P低一些，但由于一部分单板横向组 坯，因此也具有一定的横向强度、刚度、连接延性和尺寸稳定性

2、。与正交胶合木（CLT ）、层板胶合木（Glulam ）等工程木相比，LVL 的尺寸不受原材料尺寸限制，可充分且高效地利用小径级材和短小材，以 满足结构的强度和刚度需要。与实木相比，LVL生产过程中可有效去除木材天然缺陷，具有材质均匀、 强度高、尺寸稳定性好等优点，能满足木结构、桥梁等工程领域的建设要 求。止匕外，LVL的预制化程度高，易于钻孔、切割和安装等后期加工处理， 可用于现代装配式木结构建筑。目前，在国外LVL已广泛应用于木结构的墙体、楼（屋）盖等，也可 用作梁柱结构中的梁和柱构件，有些情况下也用作椽条、檄条、搁栅、过 梁等。LVL-C因其组坯结构的特殊性，被用于多层木结构建筑中电梯井

3、、 承重墙、楼面板等对强度、刚度要求较高的板状构件。国内LVL常以杨木、杉木等人工林速生材为原材料，其原材料具有材 质松软、强度低、尺寸稳定性差等缺点，但利用小径级速生材生产的LVL 可有效用作建筑结构材，实现劣材优用、小材大用，同时对缓解我国森林 资源匮乏、木材短缺现状也具有重要意义。作为工程木产品，LVL生产成本比锯材高，但因其产品物理、力学性能 较好，不仅可高效利用速生材、小径级材和短小材，在同等结构力学性能 需求下，LVL构件的截面尺寸可比锯材构件小。目前，国内LVL主要应用于家具、包装等非结构应用领域，而在土木 工程中的相关研究和应用较少，基础理论与试验数据相对缺乏。鉴于此，本文从材

4、料、构件、连接等方面阐述近年来国内外在LVL方 面的研究状况及取得的一系列成果，以期为进一步研究提出建议。1、材料性能研究在LVL的生产工艺中，原材料、单板规格与组坯方式、热压胶合及后 期处理工序等对LVL的力学和胶合性均有较大影响，国内外学者对此展开 研究，基于理论、试验及数值研究对LVL的强度特性进行了评价，并考虑 了不同材料、单板厚度、缺陷分布、组坯工艺、胶合工艺、后期浸渍处理、 加强方法等因素的影响程度。国内学者对LVL的研究主要聚焦于材料强度、刚度评价及强度影响因 素分析等方面，包括LVL的力学评价指标确定、弹性模量理论分析、材料 细部结构与强度相关性等。关于LVL力学性能指标方面，

5、王春明等对国产 杨木LVL的顺纹平行/垂直抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗拉强度、顺纹 平行抗剪强度、顺纹抗压强度、横纹垂直抗压强度进行了研究。张冬梅等 采用足尺测试方法测定杨木LVL的力学性能特征值分析了不同生产工艺、 不同受力方向以及不同规格尺寸的杨木LVL力学性能特征值的差异性。在 材料性能影响因素方面，叶雨静等研究了不同单板厚度对柚木LVL力学性 能的影响,发现随着单板厚度增加，LVL的静曲强度与弹性模量显著减小。 而有学者则考虑不同木材改性处理如浸渍防腐的影响，发现改性处理的LVL 强度显著提高。止匕外，还考虑了将玻璃纤维植入木单板中、竹木单板复合 LVL等，以提高材料强度。国外相关学

6、者考虑了不同加载角度对LVL强度的影响，建立了理论计 算模型，提出如抗压强度预测方法，并对开裂特性进行了研究。在LVL强 度理论计算和数值分析方面，Oh利用汉金森公式、最大应力理论、蔡-希 尔理论和双曲线公式（修正后的汉金森公式）4种理论破坏准则，通过单轴 拉伸试验评估了不同纤维角度下LVL的强度。GiIbert将经典的弹塑性方法 与木单板的概率强度预测模型相结合，提出了数值预测单板结构产品的抗 压强度的方法，并通过LVL抗压试验验证了预测方法的可行性。此外，除 考虑不同的单板厚度、组坯方向、胶合工艺、材料改性、浸渍处理、纤维 增强和复合材料等因素影响，还对胶粘剂种类、加工工艺、缺陷分布等因

7、素进行了一系列研究。例如Shukla和Kamdem研究了单组分聚氨酯、三 聚富胺版醛树脂、版醛树脂、三聚鼠胺甲醛树脂等4种胶粘剂对黄杨LVL 力学性能的影响，发现单组分聚氨酯胶合的LVL性能优于热固性胶粘剂。 Purba等研究了单板厚度和木节比例对次生硬木LVL力学性能的影响，发 现3 mm厚单板制成的LVL力学性能较好，且单板中木节比例的增加会降低LVL的弹性模量和抗弯强度。目前，国内外关于LVL-C的相关研究较少，李文玲等考虑了纵横向混 合组坯方式对杨木LVL力学性能的影响，发现随横向层增加其顺纹方向的 弹性模量下降，静曲强度减小，但适当增加横纹层可提高LVL抗拉强度。 Nguyen等采用

8、遗传算法对硬木和软木混合组坯的LVL-C的目标刚度和销 槽承压强度进行了优化。Nguyen等还采用半孔法测试了混合树种LVL和 LVL-C的销槽承压强度，发现混合树种LVL和LVL-C比单一树种LVL具有 更高的销槽承压强度，且LVL-C的延性均高于LVLo2、构件性能研究2.1 梁和柱在实际工程中，LVL常用作梁构件仅少数用作柱构件。国内学者在LVL 梁的抗弯、蠕变性能和LVL柱的抗压性能等方面开展研究，杨会峰和刘伟 庆分析了单板厚度与荷载作用方向（平行和垂直于板宽面）对杨木LVL抗 弯性能的影响，利用极限应变法建立了 LVL受弯构件的计算模型，其模拟 结果与试验结果较吻合。贾娜研究桦木和搬

9、木两种LVL的弯曲蠕变特性， 建立了不同应力水平下LVL的伯格斯（Burgers ）模型，并对模型进行了优 化，以预测长期载荷下的蠕变变形。LVL用作柱时，常需考虑其轴心受压、偏心受压情况下的屈曲问题。周 超研究不同长细比的偏心受压LVL柱的受力特性和稳定性，并与轴心受压 LVL柱、偏心受压原木柱的承载力进行对比分析，基于试验结果推导出了偏心受压LVL柱的承载力计算公式。梁构件常需开孔洞、槽口以满足管线排布的需要，而大开口易导致梁构 件局部应力集中，尤其是木材的横纹抗拉强度较低易产生受拉裂缝，而孔 洞周围的裂缝扩展将会大幅降低梁的承载力。鉴于此，国外有学者对带孔LVL梁进行了一系列研究，并考虑

10、采用局 部加强方式来防止孔洞周围裂缝的形成和扩展。在LVL构件性能提升方面，常通过纤维材料、复合材料等提高LVL梁 的受力性能。李世宏等采用碳纤维布（CFRP ）加强速生杨木LVL梁，通过 试验分析优选合理的梁截面形式,发现CFRP增强的LVL梁的承载力、刚 度显著提高。考虑不同CFRP类型、布置位置及碳纤维纹理方向对LVL梁的抗弯性 能、延性、刚度和极限承载力的影响,Globa等发现单向CFRP以U形包 裹梁的受拉侧,其承载力提高25% ,刚度提高20% ,延性提高30% ;将单 向和双向CFRP用于梁柱节点，可实现结构连续性。为优化LVL充分发挥应用材料强度，常将LVL构件与预应力技术相结

11、 合，并对预应力LVL的刚度和承载力进行了一系列研究。Davies和 Fragiacomo在辐射松LVL梁中布置了无粘结预应力筋，通过测试得到预 应力损失趋势，并考虑蠕变、木材热湿应变、钢腱松弛等因素影响，提出 了正常使用状态下的预应力损失评估公式。Granello等在不受控制的环境 条件下，对无粘结预应力LVL梁的长期性能进行研究，考虑不同的加载条 件，发现加载和未加载条件下预应力LVL梁的预应力损失分别为3.4%和 4.5%o van Beerschoten等研究大跨度预应力LVL梁的抗弯性能，考虑粘结筋与无粘结筋的不同状况，提出了预应力梁静态响应的分析模型，发现在极限承载状态下，设计施加

12、初始预应力910 kN , LVL梁的承载力可提高56%o2.2 墙体LVL墙体根据形式一般分为木骨架组合墙和面板墙2种。2.2.1 LVL木骨架组合墙LVL木骨架组合墙是将LVL替代轻型木骨架组合墙中的规格材墙骨柱， 与水泥纤维板、定向刨花板（OSB ）等覆面材料组合构成的墙体，有学者 针对墙骨柱和覆面板的材料应用、节点连接等方面开展研究。考虑到LVL在我国相关研究尚处于起步阶段，宋亚磊 对LVL墙骨柱与 OSB覆面板的钉连接进行研究,并对OSB覆面的LVL框架墙开展抗侧研究， 发现LVL墙骨柱在荷载作用下未发生破坏，可有效替代规格材做轻型木剪 力墙中的墙骨柱。Hassanieh和Valip

13、our对OSB覆面的LVL木骨架组合 墙进行抗侧试验，分析了 OSB面板厚度、钉长度、边距等因素的影响。2.2.2 LVL面板墙LVL面板墙是考虑结构复合材的材料特性，直接将大幅面LVL板材用 作墙面板，面板间通过连接件连接形成的整个墙体。LVL面板用作剪力墙时 常与预应力技术相结合，以充分发挥LVL强度优势。Sarti考虑了耗能件和 预应力筋配置对预应力LVL墙的影响，强调耗能连接细节对结构抗震的显 著影响。为提高LVL墙体的抗侧性能和耗能水平，常考虑对相邻墙体水平连接 节点进行设计。Iqbal等考虑将胶合板用于相邻LVL墙面板连接，考虑不同 钉间距和布置对耗能的影响，发现耗能主要通过钉屈服

14、实现，结构整体并 未发生破坏。止匕外，还考虑将耗能件用于相邻墙体水平连接、墙体底部连接以实现结 构的自复位。UFP耗能件被设计用于预应力LVL墙面板结构连接，进一步 证实了 UFP的耗能特性，将其与预应力技术相结合，可实现理想的自复位 特性。尼尔森马尔伯勒理工学院的艺术与传媒大楼，采用预应力LVL双剪力 墙和U形耗能件连接构成的抗震系统，经Darfield地震检验，发现可经济 有效地实现建筑功能。Hashemi等提出钢木复合结构抗震系统，将弹性滑 动摩擦连接件（RSFJ ）和钢剪切键应用于LVL墙面板中，提供了足够的延 性和耗能。Connolly等还研究了 LVL核心筒附加C形木墙替代UBC高

15、层 木结构建筑中混凝土核心筒的可行性，发现调整核心筒的构造和厚度，采 用重型木核心筒结构可满足结构抗震和抗风要求，且带有C形墙的LVL核 心筒结构可减少建筑扭曲并优化截面的力学性能。2.3 楼（屋）盖相关学者对常见的LVL-混凝土复合楼盖结构，连接、抗弯、剪力传递 等性能进行了一系列研究。LVL用作梁构件时，常与混凝土板组合构成复合 楼盖结构。关于LVL-混凝土复合梁的研究相对较多，主要考虑不同槽口形状连接 对抗弯和抗剪性能的影响，并分析复合梁在短期、长期荷载作用下的响应。Deam等对大跨LVL-混凝土复合梁的刚度和强度进行研究,考虑了预应力 筋和剪切连接，发现预应力筋对梁的刚度和强度几乎无影

16、响，但是可减小 由永久荷载引起的挠曲。3、连接性能研究LVL结构连接方式主要包括销钉连接、螺钉连接、螺栓连接等。LVL采 用销钉连接，当销钉间距满足设计要求时，结构连接具有很好的延性和较 高的销槽承压强度，OttenhaUS等通过单调和循环加载测试，发现LVL销 钉连接表现为延性响应到脆性破坏的破坏模式。现代木结构中钢构件与钢连接件已得到广泛应用，LVL-钢的连接一般 有螺钉、螺栓等方式，主要考虑连接件的类型、数量、布置方式等因素对 连接性能的影响。Hassanieh等基于有限元模型对LVL-钢的螺钉连接和高 强螺栓连接性能进行研究，通过试验验证了数值模型的准确性，并通过参 数分析了紧固件长度、屈服强度、高强螺栓摩擦系数和预应力等因素的影 响。Bradford等考虑齿板-螺钉连接、螺钉连接、高强螺栓连接和胶合螺 钉连接等4种连接方式，对LVL-钢板连接的荷载一位移关系进行分析，总 结了不同连接节