关于由Cunninghamia lanceolata制成的层压木材的抗弯性能研究

《Journal of Building Engineering》：Study on flexural property of Cross-laminated timber prepared by Cunninghamia lanceolata

中国杉CLT弯曲性能研究基于全尺寸弯曲试验与理论计算，分析宏观力学特性、应变场分布及木节影响。研究发现其弯曲强度达23.16 MPa，C级板利用率83%；控制木节后强度提升11.7%，变异系数降低74.47%；滚轴剪切失效为主，应变集中出现在跨层与支撑端区域。

　　

李明月|钟勇|任海青

中国林业科学院木材工业研究所，北京 100091

摘要

由于具有更好的机械性能和双向承载能力，交叉层压木材（CLT）已成为木材建筑中最受欢迎的工程木材之一。本研究采用全尺寸弯曲试验和理论计算方法，研究了Cunninghamia lanceolata CLT的弯曲性能。分析了其宏观弯曲性能、弯曲应力下的应变场分布以及节疤对弯曲性能的影响。研究结果表明：1）Cunninghamia lanceolata人工林CLT的强度可达23.16 MPa，C级板材的利用率高达83%；2）Cunninghamia lanceolata CLT的宏观位移-载荷曲线及不同板材的应变变化在主强度方向和次强度方向上存在差异；由于板材的垂直排列，靠近底部的板材更早参与构件的承载工作；3）木材节疤显著影响了CLT的弯曲强度和变异系数，控制节疤后，CLT的强度提高了11.70%，变异系数降低了74.47%；4）滚动剪切破坏仍是Cunninghamia lanceolata CLT的主要破坏模式，首次和最大的应变变化发生在载荷接触位置与底部支撑位置之间的横向板材上，且滚动剪切破坏最早发生。

引言

CLT是一种新型建筑结构材料，具有较高的尺寸稳定性和双向承载能力[1]。CLT的出现改变了木结构建筑层数的限制，促进了木结构建筑的发展[2],[3],[4]。目前，国内外学者对CLT进行了大量研究，包括其机械性能、破坏机理、连接设计、振动性能等[5],[6],[7],[8]。此外，中国学者还利用本土树种（如落叶松、云南铁杉和小直径桉树）开展了CLT相关研究[9],[10],[11]。Cunninghamia lanceolata是中国南方的主要人工林树种，具有生长速度快、蓄积量大的优势。然而，目前中国Cunninghamia lanceolata人工林的高种植密度导致大量小直径木材的产生，这些木材存在强度低、尺寸稳定性差和节疤多的问题[15]。现阶段，Cunninghamia lanceolata人工林木材主要用于家具、装饰等非结构领域。因此，提高其作为工程木材的利用率对于拓展其应用范围和推动中国人工林木材产业发展至关重要。

CLT主要用于地板、墙体等构件。现有研究表明，弯曲性能是CLT的主要机械性能之一，受板材等级和层压方式的影响[16]。由于CLT板材体积较大，全尺寸机械实验耗费人力和物力资源。基于板材力学参数的CLT理论计算也成为研究重点，但计算值与实测值之间常存在差异，这主要是由于板材不可避免的自然缺陷导致的强度等级降低[17],[18],[19],[20]。CLT在弯曲过程中的破坏模式多样，主要表现为横向层的滚动剪切破坏和底部层的拉伸破坏[21],[22]。CLT板材的独特结构使其能够在无梁支撑的情况下承受双向载荷，导致主强度方向和次强度方向之间的应变差异显著。目前关于CLT弯曲性能的研究主要集中在三个方面：（1）不同树种弯曲性能的比较分析；（2）组装配置对承载能力的影响评估；（3）弯曲强度的计算方法开发，包括剪切类比法和有限元分析（FEA）等分析模型[23],[24],[25]。最新研究进一步阐明了CLT结构中的破坏机制，确认滚动剪切破坏是弯曲应力下的主要破坏方式。尽管针对传统软木树种的这些进展已有充分记录[26]，但中国人工种植的Cunninghamia lanceolata CLT的弯曲性能仍缺乏深入研究，尤其是在应变分布模式和针对这种速生木材的机械优化策略方面。

本研究聚焦于Cunninghamia lanceolata（中国冷杉）人工林木材，通过机械实验和理论分析的结合方法系统研究其抗弯性能。主要目标是获取基础机械数据，为其在现代木结构建筑（尤其是交叉层压木材CLT）中的应用提供新见解，从而推动国内CLT产业的发展。

材料

材料

Cunninghamia lanceolata试样取自中国贵州省榕江县的一个管理良好的人工林，采样的树木平均年龄为24年，胸高处直径为25–32厘米。木材采用四面锯切方法加工，层压尺寸为40毫米×140毫米×4000毫米。干燥后，Cunninghamia lanceolata板材的平均含水率为10.48%，平均密度为0.40克/立方厘米。

所选粘合剂为PUR（来自中国哈尔滨）。

基于Cunninghamia lanceolata人工林机械分级板材的CLT弯曲强度和模量的理论计算

1000块板材的动态弹性模量分级数据如图6所示，板材的动态弹性模量呈正态分布。为提高低等级板材的利用率，在制备CLT时选用A级和C级板材，其中A级占35%，C级占33%。A级板材的平均弯曲强度和弹性模量分别为48.86 MPa和11360 MPa，而C级板材的平均弯曲强度和弹性模量为

结论

为了研究Cunninghamia lanceolata CLT的弯曲性能和破坏机理，进行了四点弯曲试验。分析了其弯曲性能和破坏模式，主要结论如下：

• (1)
  采用适当分级的Cunninghamia lanceolata小直径人工林木材制成的CLT，其弯曲强度达到23.16 MPa，C级板材的利用率高达83%
• (2)
  受节疤影响的Cunninghamia lanceolata
  CLT弯曲强度有所提高

作者贡献声明

任海青：撰写、审稿与编辑。钟勇：撰写、审稿与资金筹集。李明月：撰写初稿、数据收集与正式分析

未引用参考文献

[12],[13],[14]。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。在准备本论文的过程中，作者未使用任何人工智能辅助内容生成。

致谢

我们感谢国家关键研发计划（2021YFD2200605）对本研究的财政支持。