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層板釘合木（NLT）研究與應用現狀摘 要 層板釘合木（nail-laminated timber，NLT）是一種大尺寸板材產(chǎn)品，可用作橋面板、樓屋面板和墻體等承重構件，在歐美地區有一百余年的使用歷史。在全球重型木結構快速發(fā)展的背景下，層板釘合木迎來(lái)新的發(fā)展機遇。層板釘合木引入我國的時(shí)間不長(cháng)，相關(guān)研究和應用較少。本文全面梳理層板釘合木的技術(shù)特點(diǎn)、規范標準和研究應用現狀，分析存在的問(wèn)題，并提出研究方向建議，為我國層板釘合木的研究應用提供參考。 關(guān)鍵詞 層板釘合木；工程木；重型木結構 1 層板釘合木（NLT）的特點(diǎn) 1.1 NLT的構成 如圖1所示，層板釘合木是將層板沿寬面法線(xiàn)方向疊合、釘合而成的一種木產(chǎn)品。所用層板通常是規格材，也可采用結構指接材、單板層積材等其他工程木產(chǎn)品，組合時(shí)層板通常不再進(jìn)行刨切處理。如層板長(cháng)度不足，可對接或斜接接長(cháng)，但是接頭位置分布應滿(mǎn)足一定要求。釘可采用圓釘、麻花釘、螺釘等木結構用釘，可垂直釘入或呈一定角度釘入，其長(cháng)度至少應穿透2層層板并釘入第3層層板中。相鄰層板上釘的位置需錯開(kāi)，避免互相干擾；在對接接頭、構件端部可適當增加釘的數量。
圖1 層板釘合木構造 Fig.1 Formation of NLT 層板釘合木各層板之間可以互相傳遞荷載，薄弱層板中的載荷可由相鄰層板分擔，降低了缺陷對整體構件的影響，因而其力學(xué)性能的變異性低于各層板，從而提高了材料利用率，是一種性能優(yōu)良的產(chǎn)品[3]。層板釘合木不全是平板式的，通過(guò)層板排列模式的變化可制作造型各異的層板釘合木構件，圖2給出了幾種層板排列模式的示例。
圖2 幾種層板排列模式 Fig.2 Various layouts of NLT 層板釘合木制作過(guò)程中不使用膠黏劑，是一種綠色環(huán)保的建材，此外還具有美觀(guān)、經(jīng)濟、可工業(yè)化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)：作為一種大尺寸板材，層板釘合木的耐火性能優(yōu)良且外觀(guān)優(yōu)美，可無(wú)需飾面使用，充分展示木材的美感和質(zhì)感；制造工藝簡(jiǎn)單、現場(chǎng)施工便捷，無(wú)需特殊機械；可通過(guò)層板排列模式的變化，做出各種造型，具有更強的建筑表現力；可在工廠(chǎng)預制，現場(chǎng)安裝，實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)。 層板釘合木也有一些缺點(diǎn)：由于釘的存在，層板釘合木的后期加工性能不太好；由于釘連接是一種柔性連接，在荷載作用下層板之間存在相對變形，特別是在集中荷載作用下容易造成各部分變形不均勻，進(jìn)而破壞鋪設的面層，造成面層開(kāi)裂或滲水，影響其耐久性。前者可以通過(guò)設計和制作相協(xié)調予以避免，后者可通過(guò)合理布置支撐、改進(jìn)連接形式或以組合構件應用等方式予以解決。 1.2 NLT的應用層板釘合木是最早出現的大尺寸板材，19世紀初，歐美地區就已將其應用于廠(chǎng)房等建筑中，如用于紡織廠(chǎng)和鋸木廠(chǎng)的樓板，用作減震材料等，距今已有一百余年歷史[4]。隨著(zhù)混凝土、鋼材和膠合木等工程木產(chǎn)品的出現，層板釘合木自20世紀后期應用逐漸減少。近些年，隨著(zhù)重型木結構概念的提出和發(fā)展，層板釘合木再次受到建筑行業(yè)的青睞，并在木結構中大量應用[1]。在多高層木結構中，層板釘合木和正交膠合木通常被視為兩種同等重要的產(chǎn)品[5]，然而層板釘合木進(jìn)入我國的時(shí)間較短，尚未受到足夠關(guān)注。對層板釘合木開(kāi)展研究，完善相關(guān)理論，建立技術(shù)標準，將有助于推進(jìn)我國木結構特別是多高層木結構的快速發(fā)展。 層板釘合木在歐美均有廣泛應用。據報道，1920—1960年間，北美大部分橋梁的橋面板是由層板釘合木建造的[4]。在現代木結構中，層板釘合木更多地被用作建筑的墻體、樓蓋和屋蓋，在歐美的住宅、學(xué)校、車(chē)站、游泳館等工程中大量應用[1, 6]。層板釘合木通常直接裸露，通過(guò)排列方式的靈動(dòng)變化，營(yíng)造出獨特的美感，深受建筑師喜愛(ài)。2008年建成的里士滿(mǎn)奧林匹克館（圖3a），采用以2×4英寸規格材制作的V型截面層板釘合木作為屋蓋，跨度達42英尺（約12.8 m），不僅造型優(yōu)美，而且結構合理。
圖3 層板釘合木建筑 Fig.3 NLT Buildings 層板釘合木在我國屬于一種較新的材料，尚未大量推廣，但已有數個(gè)典型工程。2012年建成的萬(wàn)科青島小鎮游客中心的三維曲面屋蓋即使用NLT建造（圖3b），屋面面積2000余m2，由93根錐形膠合木柱直接支撐，不僅造型優(yōu)美，而且結構穩固[7]，彰顯了層板釘合木良好的結構與建筑特性。另外天津濱海新區中加生態(tài)示范區正新建一棟8層的現代木結構酒店，設計采用混凝土核心筒-木框架結構，以層板釘合木作為樓板，建成后將成為我國最高的現代木結構建筑。 2 NLT的研究現狀2.1 規范標準層板釘合木的設計原則和方法已納入一些國外標準中。加拿大木結構設計規范[8]中對層板釘合木樓板的層板、釘規格和間距、層板接頭位置進(jìn)行了規定，并對滿(mǎn)足一定要求的層板釘合木樓板給出了撓度計算式，但未給出承載力計算式。加拿大高速公路橋梁設計規范[9]對層板釘合木橋面板的層板、釘長(cháng)度和間距、層板接頭數量和位置以及與下方結構的錨固方法提出了要求。計算層板釘合木構件抗彎剛度時(shí)，僅考慮構件中通長(cháng)層板的抗彎剛度，忽略有接頭層板的貢獻。但亦未給出承載力計算方法。需要指出的是，上述兩本規范對層板釘合木的構造要求和彎曲剛度計算方法的相關(guān)規定并不一致。歐洲木結構設計規范[10]對于沒(méi)有接頭的層板釘合木橋面板的承載力計算給出了規定，對于有接頭的工況，未給出計算方法。 國際建筑規范（IBC）[11]也對層板釘合木的構造作出了規定。依據該規范，釘的位置與層板釘合木的支撐間距有關(guān)，支撐間距較大時(shí)，釘間距應小，支撐間距較小時(shí)，釘間距應大；允許的接頭數量和可出現接頭的位置均有明確要求。 2017年，美加雙邊軟木協(xié)會(huì )（Binational Softwood Lumber Council）和林創(chuàng )投資公司（Forestry Innovation Investment Ltd）整理了NLT的技術(shù)資料，編寫(xiě)了《層板釘合木設計和施工導則》（Nail-laminated Timber Design & Construction Guide）[6]，對層板釘合木在抗火、結構設計、制造等方面給出了建議，是目前為止較為全面的一本技術(shù)資料。需要注意的是，該導則未經(jīng)嚴格的規范編制和審查程序，是推薦性的文件，不具有約束性。 目前我國還沒(méi)有層板釘合木的標準，甚至連命名方式也未統一，相關(guān)研究尚屬空白。 2.2 研究現狀1）釘的影響。 層板釘合木通過(guò)釘連接組合在一起，釘連接對層板釘合木性能有重要影響，因此釘連接的相關(guān)研究成果對于層板釘合木有很大的參考價(jià)值。對于層板釘合木，研究發(fā)現隨著(zhù)釘間距縮小，其承載力和剛度呈增大趨勢[ 目前對于釘間距影響的研究結論仍然是定性的，還需通過(guò)進(jìn)一步研究提出合理的優(yōu)化方法。也有學(xué)者研究了釘種類(lèi)、釘入方式以及含水率對層板釘合木力學(xué)性能及耐久性的影響，并優(yōu)選了釘種類(lèi)及釘入方法等參數[13, 15]。然而上述研究結論并不一致，還不能用于指導工程實(shí)踐。 2）層板接頭。 層板在接頭處斷開(kāi)，該處的內力傳遞將會(huì )中斷，必然會(huì )對層板釘合木的力學(xué)性能造成影響。相關(guān)研究發(fā)現，層板接頭的存在會(huì )顯著(zhù)削弱層板釘合木的抗彎剛度[13, 3）設計方法。 層板釘合木的承載力和剛度與層板的尺寸、樹(shù)種和等級，層板接頭數量和位置，層板接頭的形式和加載形式等因素有關(guān)[18]，其設計計算方法較為繁雜。目前主流思想是將層板釘合木等效為一定寬度的、沒(méi)有接頭且不考慮釘連接影響的通長(cháng)層板進(jìn)行計算，而等效寬度則是釘間距、接頭、層板尺寸等參數的函數。該函數關(guān)系可以通過(guò)試驗測得，如在橋面板中，Bakht[19]通過(guò)實(shí)測橋面的撓度分布，分析得到了等效寬度經(jīng)驗計算公式；另一種方法是通過(guò)有限元方法進(jìn)行分析，對跨高比、釘直徑和間距等參數對層板釘合木的力學(xué)性能的影響規律進(jìn)行研究，并經(jīng)過(guò)回歸得到等效寬度的經(jīng)驗計算式。Kraemer[20]即依據該方法提出了一套經(jīng)驗計算式，有學(xué)者對該方法進(jìn)行了試驗驗證，發(fā)現結果較為準確[21]。但上述研究未考慮不同類(lèi)型釘以及不同釘入方式的差異，因此還需進(jìn)一步豐富研究參數，方可提出全面、實(shí)用設計方法。 4）承載方式。 層板釘合木是一種板式構件，其不同方向的受力性能也有差異。研究發(fā)現，相比于層板平置，層板側立時(shí)層板釘合木的剛度和承載力較大，但是延性稍差[12]。另外，對于常見(jiàn)釘連接間距，層板間的抗剪強度只有膠粘接的1/5左右，因此層板釘合木的面內抗剪性能較膠合木差，層板釘合木墻體的面內剛度較弱[17]。基于上述研究成果，層板釘合木最合理的使用方式是承受面外彎矩并使層板側立，如果作為剪力墻使用，尚需研究如何提高面內抗剪性能。 5）隔聲抗火性能。 隔聲和抗火性能方面，加拿大國家研究委員會(huì )[22]開(kāi)展了層板釘合木和正交膠合木的隔聲性能試驗，獲得了典型厚度層板釘合木板的隔音等級，研究了覆面材料對隔聲性能的影響。2019年，為了完成中加生態(tài)示范區高層木結構項目，加拿大木業(yè)協(xié)會(huì )委托中國建筑科學(xué)研究院進(jìn)行了2塊足尺層板釘合木樓板的負荷耐火性能試驗，發(fā)現兩塊試件的耐火極限均超過(guò)了2小時(shí)，高于《木結構設計標準》[23]對承重墻和梁（1h）、樓板（0.75h）耐火極限的要求，證明了層板釘合木的優(yōu)良耐火性能。上述研究對于層板釘合木的推廣具有重要的意義。 6）新材料開(kāi)發(fā)。 一些學(xué)者探索了用速生材、小徑材和低等級材料制作層板釘合木的可行性[ 3 研究方向建議層板釘合木有較長(cháng)的發(fā)展歷史，且形成一定的研究成果，但以往多用于輕載橋面板和單層樓屋蓋中。而在重型木結構中，層板釘合木一般作為樓屋蓋和墻體使用，受力形式有所不同。在承受豎向荷載的基礎上，還需承擔將荷載可靠傳遞至其他構件的功能，對其性能提出了更高要求。目前對層板釘合木的研究成果還不足以指導工程實(shí)踐，針對上述新的需求，建議從以下方面進(jìn)一步開(kāi)展研究工作： 1）設計計算方法研究。目前層板釘合木的抗彎剛度和承載力的設計計算方法仍然缺失。在荷載作用下，如何確定荷載的傳遞范圍、等效承載寬度；層板釘合木中分布著(zhù)大量層板對接接頭，這些接頭對抗彎剛度和承載力的影響規律；不同釘間距、支撐情況等對層板釘合木性能的影響規律。對上述問(wèn)題均需進(jìn)一步展開(kāi)研究，才可能提出可靠的設計計算方法。 2）承載性能提升方法研究。由于釘連接的剛度有限，層板釘合木的剛度較膠合木小，容易出現面外荷載作用下局部變形過(guò)大的問(wèn)題。作為墻體時(shí)，層板釘合木需承擔水平荷載，作為樓蓋需要承擔荷載分配功能，均對層板釘合木的面內剛度和承載力提出了較高要求。因此需進(jìn)一步研究釘類(lèi)型、布置和釘入方式對承載性能的影響，或者研究銷(xiāo)連接替代釘連接、甚至采用預應力等方法增強層板間連接性能的方法。 3）一體化組合構件的研發(fā)。層板釘合木較易與其他材料進(jìn)行組合而形成組合構件，可進(jìn)一步研究與其他材料的搭配方法，更好地實(shí)現預制裝配化生產(chǎn)。如在層板間添加抗剪連接件，再在上部澆筑混凝土，形成組合板，可同時(shí)達到提高整體性以及耐火極限的效果。 引用本文： 武國芳, GONG Meng, 任海青.層板釘合木（NLT）研究與應用現狀[J]. 木材科學(xué)與技術(shù), 2021, 35(01): 9-13. WU G F, GONG Meng, REN H Q. Review of Research Status and Application of Nail-laminated Timber[J]. Chinese Journal of Wood Science and Technology, 2021, 35(01): 9-13. 作者簡(jiǎn)介：武國芳，中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，助理研究員。 |
