进口胶合木强度设计值探讨

1 引言

胶合木最早于19 世纪90 年代由德国发明，是目前在现代木结构建筑中应用最广泛的工程木产品。胶合木的制作是将木层板通过用胶加压胶合而成。层板可由次生林或人工林中采伐的直径较小的树木制成，这样极大地提高了木材的利用率。另外，胶合木构件可以加工成不同的形状，以满足建筑设计中各种不同类型的功能要求，且胶合木构件制作能采用工业化生产，制作过程中便于保证构件的产品质量，能大量减少建筑工程现场的工作量。目前胶合木结构大量用于大空间、大跨度和对防火要求高的各种公共建筑、体育建筑、游泳场馆、工厂车间、大型商场、会所和公路桥梁等民用与工业建筑等。

目前，我国的木结构行业对木材的认证制度还不健全，国产的胶合木产品未经认可的第三方认证机构认可，致使国内的产品质量参差不齐，致使工程质量不能得到保障。因此，部分木结构工程也采取进口国外经过认证的胶合木产品方式来解决产品的质量问题。但是目前我国的相关标准中并未对进口胶合木的产品的设计指标做出具体规定，因此进口胶合木在结构设计上面存在一定问题。根据我国的方法确定进口胶合木强度设计值是需要解决的关键问题。

2 木产品的设计值确定方法

我国《木结构设计标准》GB50005[1] 中的木产品的设计指标基于可靠度确定木材强度指标的统一方法：首先建立适用于各类木材制作的木构件可靠度分析的功能函数，对各种荷载条件下的受弯、受拉和受压木构件进行可靠度分析，以获得满足可靠度要求的抗力分项系数与木材强度变异系数间的关系曲线（γR-VR 曲线），然后根据木材的特征值和变异系数，确定木材的强度设计指标。对进口胶合木产品的设计指标也可以采用此种方法。根据基于可靠度确定木材强度指标的统一方法[2]，胶合木的强度设计值由下式确定：       

式中，fk 为胶合木的强度标准值（亦称特征值，具有75% 置信水平、5% 分位值）；KDOL 为荷载持续作用效应系数，规定取值为0.72；γR 为胶合木产品的材料分项系数，其取值按靠度分析确定，与强度变异系数cov 有关。

胶合木的强度标准值fk 和强度变异系数cov 是材料的固有属性，不会随国家的变化而变化，胶合木的强度等级一旦确定，标准值和强度变异系数确定。各个国家的标准中均有其胶合木产品的标准值和变异系数的规定。材料分项系数γR 系数根据可靠度分析确定，数值的大小与各个国家规定的目标可靠度水平相关。我国国家标准《建筑结构可靠性统一设计标准》GB 50068[3]中规定，设计使用年限内结构构件承载力极限状态下的可靠指标β 由建筑结构安全等级与构件的破坏性质决定，可靠指标β 不应低于表1 的规定。一般工业与民用建筑的木结构安全等级为二级，木构件抗弯和抗压为延性破坏，因此目标可靠指标取3.2，而对木构件抗拉为脆性破坏，目标可靠度取3.7。

表1 结构构件承载力极限状态下的可靠指标

国家标准《木结构设计标准》GB50005 编制组通过可靠度分析，确定了木产品抗力分项系数与强度变异系数间的关系曲线（γR-VR 曲线），见图1。

图1 木产品抗力分项系数与强度变异系数间的关系曲线（γR-VR 曲线）

3 进口胶合木强度设计值确定

3.1 进口胶合木的材料分项系数γR

对于进口胶合木，因通常都通过第三方机构的质量认证，产品的稳定性较好。其受弯、受压变异系数相对较小，通常在10% ～ 15% 之间波动，而受拉时的变异系数通常在20% 以内。根据图1 可知，进口胶合木受弯、顺纹受压时抗力分析系数取值为10% ～ 15% 之间的较大值，即10%变异系数对应的抗力分项系数，分别为1.04和1.03，而受拉的抗力分项系数取值为20% 变异系数对应的抗力分项系数为1.20，详见表2。

表2 胶合木抗力分项系数

3.2 进口胶合木抗弯、顺纹抗压和顺纹抗拉强度设计值

（1）美国进口胶合木

在美国，通常使用容许应力法进行木结构的结构设计，美国木结构设计标准（National Design Specification for Wood Construction，以下简称“NDS”） [4] 中对木产品的设计指标是按容许应力设计法确定的，即将木产品强度标准值除以安全系数获得。因此对于美国进口的胶合木，其强度标准值可由规定的容许应力设计法设计值转换得到，转换公式如下：

表3 KASD 调整系数表

美国木结构设计标准NDS 中胶合木产品分为同等组合胶合木和异等组合胶合木，美国NDS 中采用的单位为英制单位，1psi=1/145Pa，利用公式（2）并进行单位转换得到美国进口胶合木的标准值见表4 和表5。

表4 美国NDS 中部分同等组合胶合木强度指标

表5 美国NDS 中部分异等组合胶合木强度指标

根据将表2 中抗力分项系数，以及表4 和表5 胶合木的标准值代入公式（1），可计算得到美国进口胶合木的设计值见表6 和表7。

表6 美国NDS 中部分同等组合胶合木强度设计值

表7 美国NDS 中部分异等组合胶合木强度设计值

（2）欧洲进口胶合木

欧洲的胶合木生产加工制造执行欧洲标准EN14080 Timber Structures - Glued Laminated Timber And Glued Solid Timber - Requirements[5]，该标准又称为欧洲胶合木产品的统一标准，也是认证的基础，如CE 认证标志。该标准包括产品的生产细节和强度等级，对于欧洲进口的胶合木可以直接从该标准中获得对应强度指标的强度标准。欧洲胶合木产品分为同等组合胶合木和异等组合胶合木。考虑到欧洲和中国木产品力学性能测试方法的差异，从而对EN 14080 规定的胶合木强度设计标准值进行了调整，调整后的欧洲进口胶合木的标准值见表8 和表9。

表8 欧洲进口同等组合胶合木标准值

表9 欧洲进口异等组合胶合木标准值

将表2 中抗力分项系数，以及表8 和表9 胶合木的标准值代入公式（1），见表10 和表11。

表10 欧洲进口同等组合胶合木设计值

表11 欧洲进口异等组合胶合木设计值和弹性模量

3.3 进口胶合木顺纹抗剪和横纹抗压强度设计值

我国胶合木的顺纹抗剪和横纹抗压强度设计值是根据层板的清材小试件试验确定的，《木结构设计标准》GB50005-2017 中将胶合木采用的层板根据树种分为SZ1-SZ4 四个等级。各个等级对应的适用树种及树种组合见表12。对于进口胶合木也可根据制作胶合木的层板的树种来确定其顺纹抗剪和横纹抗压强度设计值。

表12 胶合木适用树种分级表

表13 胶合木构件顺纹抗剪强度设计值

表14 胶合木构件横纹承压强度设计值

进口胶合木构件顺纹抗剪强度设计值根据层板的树种级别按表13 确定，对于多个树种级别的层板制作的胶合木按最低树种级别确定。

进口胶合木构件承压分为局部承压和全表面承压，局部承压根据承压位置又分为端部承压和中间承压两类，表14 为不同横纹承压情况下的强度设计值。

4 结语

本文给出了确定国外进口胶合木设计指标的设计原则和方法，可以供在实际工程设计中参考使用。但是文中给出的设计指标并未考虑到国内外设计公式的差异对设计指标的影响，如尺寸调整系数、稳定计算公式等，这些问题需要更进一步地去研究解决。

参考文献

[1] 木结构设计标准：GB50005-2017[S]. 北京：中国建筑工业出版社,2017.

[2] 祝恩淳, 牛爽, 乔梁, 潘景龙. 木结构可靠度分析及木材强度设计值的确定方法[J]. 建筑结构学报,2017,38(02):28-36.

[3] 建筑结构可靠性统一设计标准：GB50068-2018[S]. 北京：中国建筑工业出版社,2018.

[4] National design specification for wood construction 2018 Edition ANSI/AWC NDS-2018[S]. American Wood Council. 2017.

[5] Timber structures - Glued laminated timber and glued solid Timber – Requirements EN 14080[S]. Brussels, Belgium: European Committee for Standardization, 2013.

作者

 中国建筑西南设计研究院有限公司木结构设计标准管理组    欧加加