工程用生物基材料力學性能研究★

李 小，王 倩，周巧宇，陶家樂，王 萍

(1.湖南工商大學前沿交叉學院,湖南 長沙 410205;2.中國華西工程設計建設有限公司長沙分公司,湖南 長沙 410006)

0 引言

國務院于2021年10月發布了《2030年前碳達峰行動方案》,明確指出工業領域需推動建材行業碳達峰,加強新型凝膠材料、低碳混凝土、木竹建材等低碳建材產品研發應用。傳統建筑行業迎來向“建筑材料低碳化、建筑結構綠色化”轉型的重要契機[1]。既有研究表明,生物質材料建造而成的現代木/竹結構能耗低,每平方米木結構能耗為磚混結構的1/3,每平方米竹結構能耗則為磚混結構的2/3,研究和發展工程用生物質材料有助于實現建筑行業碳達峰的目標。工程用生物質材料具有環保、美觀、力學性能優越等優點,近年來引起學術界和工業界的廣泛關注,已形成現代木/竹結構試驗、設計、施工相關的規范體系,建成了竹結構房屋、大跨度膠合木拱橋、18層全木建筑等新型結構[2-4]。現代木/竹結構的迅猛發展離不開對工程用生物質材料力學性能的研究。全球范圍來看,關于工程用生物質材料的研究主要包括兩個方面,即短期荷載和長期荷載作用下的力學性能研究。從材料的角度來看,工程用生物質材料可分為工程用木基材料和工程用竹基材料。兩者雖同屬黏彈性材料,但是力學性能有一定差別。因此,本文將分別總結工程用木基材料和工程用竹基材料力學性能本構模型、概率分布及設計方法,對比工程用木基材料和工程用竹基材料的優劣,為生物質材料在工程中的進一步推廣和應用提供參考。

1 工程用木基材料

采用現代工藝加工木材,可以制作多種工程用木基材料,如膠合木GLT(Glue-Laminated Timber)、單板層積材LVL(Laminated Veneer Lumber)、定向木片板OSB(Oriented Strand Board)、正交膠合木CLT(Cross Laminated Timber)等,如圖1所示。

1.1 本構模型

除了通過試驗研究獲取工程用木基材料的基本力學指標分布之外,為探究工程用木基材料在不同短期靜力荷載作用下的受力機理,國內外研究人員通過理論研究的方式對工程用木基材料的本構模型進行了研究。既有研究將工程用木基材料復雜的受力行為分為線性受力和非線性受力兩個階段。線性受力階段通常采用彈性本構模型來描述;非線性受力階段則主要采用彈塑性模型、彈性損傷模型和彈塑性損傷模型這三種本構模型來描述。楊娜等[5]在單參數纖維復合材料本構模型的基礎上提出一種雙參數的彈塑性本構模型,并通過紅松材受壓試驗對模型的參數進行識別,雙參數的彈塑性本構模型考慮了纖維方向的塑性應變,可以預測任意方向壓力作用下木材的應力-應變變化規律。彈塑性本構模型、彈性損傷模型[6]、彈塑性損傷模型[7-8]各有優缺點,如表1所示。

表1 不同本構模型的優缺點

值得指出的是,與其他木工程用木基材料不同,CLT能克服木材各向異性,可作為承重構件應用于大跨度和高層現代木結構中,近年來成為工程用木基材料領域的研究熱點。由于正交的層積方式,CLT有突出的滾動剪切的特性。目前主要采用機械連接理論、復合層板理論、剪切類比法和簡單設計法來預測CLT的等效抗彎剛度和抗彎強度等力學指標。

機械連接理論對CLT簡支梁且荷載分布形式為正弦半波的情況提供精確解,但對其他荷載分布形式僅可提供近似解;復合層板理論對跨高比較大的情況比較準確,但是無法剪切變形;剪切類比法的適用范圍較廣,預測抗彎剛度、抗彎強度及抗剪強度。如Paul Crovella[9]將北美白松、紅楓和水曲柳這三種低等級木材制成交叉層壓木板,測試其彎曲剛度,發現剪切類比法預測的軟木材CLT板的彎曲剛度低于5%,預測的硬木CLT板的彎曲剛度低于25%。孫曉峰等[10]則采用剪切類比法計算了鐵杉正交膠合木板彎曲、剪切標準值和設計值。Niederwestberg等[11]研究了3層和5層CLT板的剪切剛度,利用Timoshenko梁理論和剪切類比法將計算結果與單層性能評價的剪切剛度值進行了比較,發現剪切剛度對于順紋剪切模量和橫紋剪切模量較為敏感。

1.2 概率分布和設計方法

國內外學者對以上工程用木基材料的抗拉、抗壓、彎曲、剪切和扭轉等力學性能開展了廣泛研究。由于木材各項異性、鋸材分級技術的局限性,導致制作而成的木基產品性能變異性較大,因此,科研人員通常采用概率的研究方法研究工程用木基材料的各項力學性能。如K?hler Jochen等[12]提出木材順紋抗拉強度服從Lognormal分布,橫紋抗拉強度服從2-p Weibull分布,順紋抗壓強度服從Lognormal分布,橫紋抗壓強度服從Normal分布,彎曲強度服從Lognormal分布,剪切強度服從Lognormal分布。王春明等[13]選用國產楊木制作成LVL,采用擬合優度檢驗方法進行研究,發現楊木LVL的順紋抗拉強度、順紋抗壓強度和抗彎強度均符合Lognormal分布。Zhou Yang等[14]采用通用試驗裝置進行足尺LVL構件的抗扭試驗,發現LVL的剪應力高度依賴于材料的剪切模量。針對規格材的穩定性問題。祝恩淳等[15]采用回歸分析方法,確定了規格材軸心受壓試件的穩定系數,提出的穩定系數統一算法可適用于各類木產品構件,并給出了木結構可靠度理論分析的功能函數G及規格材抗彎強度設計值fd的計算公式[16],即:

其中,KA為木構件截面尺寸不定性系數,隨機變量;KP為抗力計算模式不定性系數,隨機變量;KQ3為荷載持續作用對木材或木基產品強度的影響系數,隨機變量;f為木材或木基產品的短期強度,隨機變量;fk為木材或木基產品的強度標準值;KDOL為荷載持續作用效應系數,常量,為KQ3的均值;Ψc為荷載組合系數;g為恒載與其標準值之比;q為可變荷載與其標準值之比;ρ為可變荷載與恒載的標準作用效應比;KB為作用效應計算方程的不定性,隨機變量;γR為木構件的抗力分項系數,常量;γG為恒載分項系數,常量;γQ為可變荷載分項系數。

其中,fd為木構件的設計值。

隨后,鐘永等[17]以國產興安落葉松規格材為研究對象,采用可靠度理論方法,優化了我國規格材強度設計值的計算方法。

以上研究主要通過對試驗數據進行統計分析,獲得工程用木基材料的抗拉、抗壓、彎曲、剪切和扭轉的強度的分布特征,為工程用木基材料的設計提供了基礎數據。

2 工程用竹基材料

根據材料的組織結構,工程竹基材料大體可以分為集成竹材、重組竹材(如圖2所示)。集成竹材保留了竹片的完整性,重組竹材則將竹材加工成長條狀竹篾、竹絲或碾碎成竹絲束后重新膠合壓制成的型材,密度更大,硬度更高,膠合程度更緊密。

2.1 本構模型

近年來,國內外學者通過試驗和理論分析對工程用竹基材料的短期強度、變形等力學性能進行了研究。為探究集成竹材的力學性能,肖巖等[18]系統地開展了結構用膠合竹材的研究,論證了結構用膠合竹材的優越性能。沈玉蓉等[19]基于Euler梁理論,考慮材料非線性建立了壓彎構件在塑性工作狀態下的承載力計算方法,并通過重組竹梁受彎試驗和重組竹柱偏心受壓試驗驗證了該方法的準確性,為現行相關設計規范仍采用線彈性計算方法提供了估算重組竹梁壓彎承載力。Wen Liu等[20]開展了竹篾層積材和膠合竹板的面內縱向的混合Ⅰ/Ⅱ型斷裂試驗,構建了以上兩種工程用竹基材料的混合Ⅰ/Ⅱ型斷裂包絡圖,發現膠合竹構件比竹篾層積材構件的安全性更高。

在純竹工程材料的基礎上,學者借鑒CLT的層疊概念,進一步提出了正交膠合竹木Cross Laminated Bamboo and Timber(CLBT),并對這類竹基材料的性能開展了一系列研究[21]。研究發現CLBT梁的彎曲承載力高于SPF梁的承載力;CLBT墻的保溫隔熱性能較好,其熱阻值隨著外部溫度升高而降低,其熱阻值與熱傳系數與CLT墻的接近,具有替代CLT的潛力。為探究CLBT偏壓力學性能,Hao Li[22]進行了224個CLBT小試件的偏壓試驗,發現與膠合層板構件相比,CLBT構件在偏壓作用下的力學性能隨著偏壓角度的變化更為緩慢,提出了偏壓作用下彈性模量的預測模型,模型的形式和材料均會影響CLBT構件偏壓力學性能預測模型的精度。

2.2 概率分布和設計值

工程用竹基材料各項力學指標的概率分布和設計值的確定是其能推廣到工程應用的關鍵問題之一。江澤慧等[23]較早地開展了工程用集成竹材的物理力學性能的研究,獲得了工程用竹集成材的基本物理指標,發現集成竹材的水平剪切強度明顯優于LVL、落葉松等木基材料,且抗彎強度及彈性模量等也很優越。肖巖等[24]通過試驗獲得了工程用膠合竹的抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度,計算了各自的平均值和變異系數,提出采用容許應力折減系數計算膠合竹材的設計參考值的方法。蘇毅等[25]通過對集成竹材的材性試驗和15個集成竹材簡支梁試件的抗彎試驗,開展集成竹材梁的非線性彎曲性能研究,提出集成竹材簡支梁受彎承載力M和撓度zu的理論計算模型如下:

Zhi Li等[26]通過試驗方法和理論推導給出了膠合竹板的嵌入強度的設計值,直接預測單向、層壓膠合竹的連接件或交叉層壓板的平均極限強度,為膠合竹結構的工程應用提供了理論基礎。Zhi Li等[27]對用于工程的膠合竹板進行了拉伸、壓縮、彎曲和剪切的力學試驗,提出了可用于估算膠合竹的軸向和彎曲性能,給出了超過95%概率的強度特征值,并發現工程木制品相比,工程用竹基材料的強度值比工程木基材料要高得多,且強重比不小于典型的工程木基材料。

Huang Dongsheng等[28]則給出了重組竹順紋受壓三段式應力-應變關系,即線性、非線性強化和非線性軟化受壓階段。針對竹基材料力學性能變異性大的問題,鐘永等[29]優化了抽樣技術,提出了重組竹特征值的計算方法。

以上研究主要通過對試驗數據進行統計分析,獲得工程用竹基材料的抗拉、抗壓、彎曲、剪切和扭轉的強度的分布特征,為工程用竹基材料的設計提供了基礎數據。

3 結論

綜上所述,針對工程用生物質材料的力學性能研究目前已取得較多成果,覆蓋的材料種類豐富,涵蓋了硬木、軟木、集成竹、重組竹等不同的材料,為工程應用提供了較多的選擇,但是目前仍有可以拓展的工作:

1)已有研究較多集中在短期力學性能的研究,對于長期荷載作用下的力學性能、保溫隔熱、聲學等性能研究較少。

2)推導強度理論采用的理論方法多樣化,假設條件有差別,因此尚未建立統一的力學本構模型。

3)主要針對清材小試件進行抗拉、抗壓、抗彎、抗剪等試驗,但是試驗標準尚未統一,因此試驗結果有所差異,且較少涉及足尺試驗研究尺寸效應,因此基于可靠度的強度設計值的計算還應該考慮尺寸效應等影響因素。