《Journal of Building Engineering》：Two-way spanning CLT-concrete slabs subject to punching shear: an approach for evaluating design capacity
编辑推荐：
研究人员开发了一种计算效率高的基于损伤的数值建模策略，完全嵌入在ABAQUS中，无需用户定义子程序，并使用可从试验、标准或已发表数据中获得的材料参数。虽然首先研究了纯CLT板（Cross-Laminated Timber）的冲切行为以建立基本失效机制，但本研究
研究人员开发了一种计算效率高的基于损伤的数值建模策略，完全嵌入在ABAQUS中，无需用户定义子程序，并使用可从试验、标准或已发表数据中获得的材料参数。虽然首先研究了纯CLT板（Cross-Laminated Timber）的冲切行为以建立基本失效机制，但本研究的主要焦点是CLTCC板（CLT-Concrete Composite）。木材损伤模型采用内置的失效准则和损伤演化框架，其选择、假设和局限性在第2节中讨论。该模型通过冲切剪力下的CLT板试验结果（第3.1节）、弯曲下的CLTCC板（第3.2节）以及冲切剪力下的CLTCC板（第3.3节，基于研究人员自己的试验计划[22]）进行了验证。然后，使用验证后的模型进行了全尺寸参数研究，考虑了混凝土覆层厚度、加载面积尺寸、连接件直径和连接件间距。基于所得数值数据库和观察到的失效机制，提出了一个初步的力学信息和回归校准的预测公式，用于估计CLTCC板的冲切抗力。本研究的目标是：(1) 开发CLT和CLTCC板在冲切剪力下的有限元建模方法；(2) 捕捉并解释主导失效机制；(3) 研究关键参数对冲切行为的影响；(4) 在研究的适用范围内提出一个面向设计的预测公式。
论文解读: 基于有限元模拟的CLT-混凝土组合板冲切性能研究
**1. 研究背景与问题**
在低碳建筑发展的推动下，交叉层压木材（CLT）结构，特别是CLT-混凝土组合板（CLTCC），因其改善的使用性能而得到广泛应用。然而，当板直接支撑在柱上或承受集中荷载时，会形成双向受力，此时冲切剪力成为关键极限状态。现有设计规范（如Eurocode 5 EN 1995-1-1:2004及CSA O86:24等）对CLT构件在集中荷载下的指导有限，且缺乏针对CLTCC板冲切剪力的具体设计方法。尽管EN 1995-1-1:2025新增了对纯CLT板集中荷载的规定，但这些规定仅适用于纯木材层，未涵盖CLTCC板中混凝土覆层、钢筋、机械连接件及木材-混凝土界面引入的额外荷载传递机制。现有研究多集中于单向弯曲或连接件行为，而对双向冲切行为，尤其是混凝土覆层厚度、加载面积尺寸和连接件布局对冲切抗力及失效序列的影响，理解不足。因此，需开展系统研究以建立CLTCC板冲切设计方法。该论文发表在《Journal of Building Engineering》。
**2. 研究内容与结论**
研究人员开展了以下工作并得出主要结论：
- 开发并验证了一种计算效率高的基于损伤的有限元模型，完全嵌入ABAQUS，无需用户子程序。该模型成功捕捉了冲切荷载下纯CLT及CLTCC板的整体荷载-位移响应和局部失效机制（混凝土开裂、木材滚动剪切、纤维拉伸断裂），平均相对误差为6.5%，标准差为±4.6%。
- 通过全尺寸参数研究（81个模型）分析了混凝土覆层厚度、加载面积尺寸、连接件直径和间距的影响。结果表明：增加覆层厚度可提高峰值荷载和刚度，但需充足连接；增大加载面积可提高承载力并促使失效模式从局部冲切向整体弯曲（纤维拉伸断裂）转变；连接件直径影响有限，而减小连接件间距显著提升刚度和强度，但加剧滚动剪切应力。
- 基于参数研究，提出了一个力学信息与回归校准相结合的预测公式，将CLT和混凝土层的基础承载力与修正的γ因子（反映组合效率）结合。回归分析显示幂律关系，校准后预测均值与FE结果之比为81.9%，变异系数为8.6%，呈现保守性。
- 利用作者前期试验数据验证，预测与试验比均值为83.9%，标准差±12.1%，表明公式在适用范围内有效。
**3. 关键技术方法**
研究人员采用的主要关键技术方法包括：
- 有限元建模（ABAQUS/Explicit）：使用8节点连续壳单元（SC8R）模拟CLT，采用Hashin损伤准则和能量基损伤演化（线性软化）来模拟木材拉伸和压缩损伤；混凝土采用混凝土损伤塑性模型（CDP）；钢筋和连接件采用双线性弹塑性模型。连接件简化为无螺纹光滑圆柱杆，通过绑定约束与周围区域连接。
- 模型验证：基于三组试验数据——Hochreiner等[16]的纯CLT冲切试验（4边简支板）、Ohki等[4]的CLTCC三点弯曲试验（2000mm×600mm板）、以及作者[22]的CLTCC冲切试验（12个700mm×700mm板，跨度600mm，包括3层和5层CLT，不同混凝土覆层厚度，连接件直径12mm，间距200mm），验证了模型在荷载-位移、峰值荷载和失效模式方面的准确性。
- 全尺寸参数研究：建立3000mm×3000mm基准模型，独立变化四个参数——混凝土厚度（40/80/120mm对应CTDR 25%/50%/75%）、加载面积（200×200/400×400/600×600 mm）、连接件直径（8/10/12 mm）、连接件间距（400/200/100 mm），共81个组合。木材采用C24等级，混凝土采用C30/37（平均抗压强度38 MPa），钢筋和连接件屈服强度500 MPa，抗拉强度600 MPa，弹性模量210 GPa。
- 预测公式开发：基于力学概念（有效宽度法）和回归分析，提出组合冲切承载力公式，包括CLT层基础承载力（基于滚动剪切强度，按EN 1995-1-1:2025附录C有效宽度概念，有效深度取抗剪层间距离）和混凝土层基础承载力（按Eurocode 2最小剪应力抗力
vmin，控制周长距加载面0.5d），并通过修正的γ因子（考虑界面连接件总刚度）反映组合效率，最终通过非线性优化在三个CTDR水平下校准得到幂律公式。
**4. 研究结果**
**4.1 模型验证结果**
- **纯CLT冲切试验**：数值模型与试验结果在整体趋势、峰值荷载（相对误差1.5%-15.1%）和峰后行为上吻合良好，表明模型能合理预测纯CLT的冲切响应。
- **CLTCC弯曲试验**：预测峰值荷载相对误差为3.0%和10.1%，模型能再现整体荷载-位移响应，但连接件嵌入长度的影响未完全捕捉，因绳效应未模拟。
- **CLTCC冲切试验**：对8个CLTCC试件，预测荷载-位移曲线与试验一致，峰值荷载平均相对误差6.5%。模型成功捕捉了混凝土底部开裂、连接件周围应力集中（图10）、CLT层滚动剪切失效（图11）以及钢筋未屈服、连接件局部屈服（图12）的失效模式。
**4.2 参数研究结果**
- **混凝土深度**：增加覆层厚度提升峰值荷载和刚度，但需充足连接件才能发挥效益；厚覆层在连接件稀疏时可能导致界面滑移增大（图14-15）。
- **加载面积尺寸**：增大加载面积显著提高峰值荷载，但初始刚度变化较小；小加载面积导致滚动剪切为主，大加载面积转变为纤维拉伸断裂（图16-18）。
- **连接件直径**：常用直径（8-12 mm）对组合行为改善有限，仅在荷载需求高时（厚覆层+大加载面积）才更有效（图19）。
- **连接件间距**：减小间距（从400 mm到100 mm）显著提升峰值荷载和刚度，但过密间距可能加剧CLT层滚动剪切应力（图20-21）。
**4.3 主导机制讨论**
冲切行为由混凝土开裂、CLT滚动剪切、连接件剪切传递和界面滑移耦合作用控制。增大混凝土深度和加载面积可改善应力分布，但需与连接件布局平衡；连接件间距是影响组合效率的最关键参数，但过度增强连接可能使CLT层承受更大剪切需求。
**5. 总结与结论**
**讨论总结**：本研究开发的数值模型和预测公式为CLTCC板冲切设计提供了初步工具。参数研究揭示了各因素间的相互作用，公式基于力学和回归，预测保守且稳定，适用于中心加载、简支边界条件，参数范围：CTDR 25%-75%、方形加载面积200-600 mm、连接件直径8-12 mm、间距100-400 mm。但模型和公式存在局限性：验证数据库有限（仅中心加载）；连接件简化未考虑局部螺纹效应；木材模型非专门针对木材；公式半经验，需进一步扩展试验验证，包括边缘柱、偏心荷载、其他连接件类型及长期效应等。
**结论翻译**：本研究对CLT-混凝土组合板（CLTCC）的冲切剪力行为进行了数值研究，辅以试验验证、系统参数研究和设计导向预测公式的推导。主要发现总结如下：
1. 在ABAQUS/Explicit中开发了一个经过验证的有限元建模方法，能够再现纯CLT和CLTCC板在冲切剪力下的整体荷载-位移响应和局部失效机制。该模型成功捕捉了混凝土开裂、木材滚动剪切和木材纤维拉伸断裂，平均相对误差为6.5%，标准差为±4.6%，从而支持了其在验证范围内的可靠性。
2. 参数研究表明，增加覆层深度提高了峰值荷载和刚度，但其效益依赖于充足的剪切连接。较大的加载面积增加了承载力，并促使从局部冲切主导行为向涉及CLT纤维拉伸断裂的整体响应转变。连接件直径在实用范围内影响有限，而更密的连接件间距显著改善了刚度和强度，但也加剧了滚动剪切应力。
3. 基于这些发现，开发了一个回归校准的预测公式，将CLT和混凝土层的基础承载力与修正的γ因子（反映组合效率）相结合。对81个FE案例的回归分析证实了幂律相关性，校准产生了稳定且保守的预测，平均预测与承载力比为81.9%，变异系数为8.6%。
4. 与试验数据的验证显示了一致性良好的保守预测。该公式目前适用于中心加载的CLTCC板，处于所研究的支撑条件和校准参数范围内，包括CTDR值25%-75%、方形加载面积200×200 mm至600×600 mm、连接件直径8-12 mm和连接件间距100-400 mm。在将该公式扩展至这些范围之外或其他荷载、支撑和连接件配置之前，需要进一步验证。
总之，本研究为CLTCC板在冲切剪力下的设计提供了一个初步的设计导向预测公式，为未来设计指南的发展提供了潜在基础。进一步的研究应扩大试验数据库，探索更宽泛的参数范围，并完善公式以提高其准确性和适用性。
