CN115680177A

CN115680177A - 一种组合木结构楼板

Info

Publication number: CN115680177A
Application number: CN202211207891.9A
Authority: CN
Inventors: 王志强; 殷天啸; 孙崇咪; 朱一辛
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2023-02-03

Abstract

本发明公开了一种组合木结构楼板，属于工程木产品结构技术领域。本发明包括面板和与其连接的肋板，所述面板包括多层纵向层，每两层纵向层之间设置横向层；所述横向层包括多个实木锯材，所述实木锯材以一定距离间隔设置，所述实木锯材的纹理方向线与面板长度方向线之间形成倾斜角度α，面板中的纵向层数量大于两层，横向层数量大于一层时，相邻两横向层中的实木锯材倾斜方向相反。本发明的主要用途是综合利用不同材料物理力学性能特性，与普通CLT楼板相比，大幅降低实木木材用量，而且能够增大结构楼板的跨度，改善抗弯、隔音性能，并提升了木结构楼板的装配性。

Description

一种组合木结构楼板

技术领域

本发明涉及工程木产品结构技术领域，具体地说，涉及一种组合木结构楼板。

背景技术

现代木结构建筑在建筑节能减排和装配式方面具有不可比拟的优势。木材作为一种天然生物质材料，相比于传统建筑材料，如砖、混凝土、钢材等，木材具有固碳、可降解、可重复利用等优势。随着现代工程木产品的不断发展，木结构逐渐朝着大跨度和装配式方向发展。而国内优质、大径级木材资源短缺，但却具有丰富的竹材、速生木材及其人造板材料，国内木结构行业发展应充分利用这些材料。此外，发展预制木结构构件或组件，是装配式木结构的主要途径和形式。

正交胶合木(CLT)是一种由至少三层实木锯材或结构复合板材正交组坯，采用结构胶黏剂压制成的矩形、直线、平面板材形式的工厂预制工程木产品。全球CLT产量发展迅速，从2000年的50,000立方米到2014年的625,000立方米，预计到2025年将达到3,000,000立方米。国内CLT材料和建筑也在发展中，目前，CLT在2层和6层木结构建筑工程中都得到了应用。

对于普通CLT材料，采用实木锯材作为层板且相邻层板铺设方向正交垂直，其层板间的正交结构，一方面使得CLT具有较好的面内外强度和尺寸稳定性，常作为现代木结构建筑中的楼板、墙体和屋盖等构件使用；但是另一方面，当这种CLT作为楼板等面外受力构件时，容易发生滚动剪切变形和破坏，降低了CLT抗弯刚度和强度。目前，国内木结构行业使用的木材大部分依赖国外进口且价格较高，与轻型木结构建筑相比，普通CLT结构需要更多的实木木材，导致了更高的建造成本，阻碍了CLT材料和建筑在国内的推广和发展。另外，木结构楼盖，如轻型木结构楼盖、CLT楼盖的适用跨度小，隔音性和抗振动性较差，影响了使用舒适性。普通CLT楼板构件适用的跨度在6m以下，随着跨度增加，CLT构件厚度、木材用量和成本明显增大。为改善CLT构件抗弯性能，目前已有的技术仅对CLT材料本身进行改进，如采用滚动剪切性能较好的材料作为CLT横向层，如重组竹或者密度较大的阔叶材木材。

另外，CLT构件厚度往往较大，需要采用新型自攻螺钉(STS)将其与其它构件连接。与普通木螺钉相比，STS具有无需预钻孔、抗拉强度高、施工快捷方便等优点。经检索，中国专利CN114274282A公开了一种木钉接合的正交胶合木及其制备方法，包括正交胶合木，正交胶合木的每层均由多个层板组坯而成；上下相邻两块相互垂直的层板相交部分为一个叠交单元，木钉错开设置，钉入点位于叠交单元中心线上，同一钉入水平的木钉为一个钉层，相邻钉层的木钉在竖直方向相互错开，且相邻钉层的木钉的钉入角度相反。该专利中每层层板之间的连接采用单一的倾斜方式钉入木钉连接CLT构件。这种连接方式，不利于满足CLT 楼板构件双向受力特性和高强度、高刚度的连接要求。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明提供一种组合木结构楼板，解决普通CLT楼板易发生滚动剪切破坏，挠度变形大以及实木锯材使用量大的问题。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种组合木结构楼板，包括面板和与其连接的肋板，所述面板包括多层纵向层，每两层纵向层之间设置横向层；所述横向层包括多个实木锯材，所述实木锯材以一定距离间隔设置，所述实木锯材的纹理方向线与面板长度方向线之间形成倾斜角度α。

进一步，所述面板中的纵向层数量大于两层，横向层数量大于一层时，相邻两横向层中的实木锯材倾斜方向相反。

进一步，所述实木锯材之间的间隔内填充保温隔音棉。

进一步，所述纵向层包括第一纵向层和第二纵向层，所述第一纵向层为一体的定向刨花板或结构胶合板，所述第二纵向层的结构以及材料与第一纵向层一致；所述每个横向层与纵向层接触面之间设有隔音毡。

进一步，所述面板和肋板通过自攻螺钉和结构胶黏剂连接。

进一步，所述自攻螺钉呈排状，从纵向层表面的第一纵向层钉入，依次穿过面板的不同层板后，钉入肋板中；每一排自攻螺钉中位于中间段的垂直面板平面钉入，位于两端的自攻螺钉倾斜于面板平面钉入，两端的自攻螺钉分别与面板的表面形成第一夹角β1和第二夹角β2，所述第一夹角β1和第二夹角β2的绝对值相同。

进一步，所述自攻螺钉为多排，每奇数排自攻螺钉钉入角度一致，每偶数排自攻螺钉钉入角度一致；其中相邻的奇数排与偶数排中位于两端钉入的自攻螺钉相对于面板的表面钉入的倾斜方向相反。

进一步，所述垂直钉入和倾斜钉入的自攻螺钉数量比在0.5～1.5之间；所述自攻螺钉钉入肋板中的深度大于等于肋板高度的一半。

进一步，所述自攻螺钉的直径为d，每一排不同自攻螺钉的间距a1、相邻两排自攻螺钉间的距离a2、边缘处自攻螺钉距离肋板的端距a3和边距a4需满足：a1＞15d，a2＞7d，a3＞20d，a4＞7d。

进一步，所述面板的不同层板之间采用结构胶黏剂进行胶合粘接，采用单面施胶法进行施胶，施胶量为150～250g/m²；所述肋板与面板接触连接的连接面涂结构胶黏剂，施胶量为 150～250g/m²。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种组合木结构楼板，其面板包括多层纵向层和横向层，横向层包括多个实木锯材，实木锯材斜向间隔的放置在纵向层之间，实木锯材之间的间隔内填充保温隔音棉，实木锯材斜向放置，提高面板的抗滚动剪切能力；纵向层为一体的结构刨花板或结构胶合板，而且设有肋板与面板连接，起到加强作用，提高结构楼板的强度和刚度，每个部件相互配合，且实木锯材之间可以存在一定的间隔，可以大量减少实木锯材的使用量，节约木材资源。

(2)本发明的一种组合木结构楼板，面板每个横向层与纵向层接触面之间设有隔音毡，起到隔音作用；而且每个实木锯材的间隔内填充保温隔音棉，每个间隔的宽度可以根据保温隔音要求以及面板强度要求而变化，强度要求大，可以缩短间隔的宽度，强度要求小，进而增大间隔宽度，面板在节约木材、强度以及隔音保温的要求之间平衡其结构。

(3)本发明的一种组合木结构楼板，面板和肋板通过自攻螺钉和结构胶黏剂连接，自攻螺钉连接钉入时，与面板平面之间的钉入角度不同，中间段的垂直面板平面钉入，位于两端的自攻螺钉倾斜于面板平面钉入；自攻螺钉垂直钉入时，连接节点具有较好的延性；自攻螺钉倾斜钉入时，连接节点具有较高的刚度；面板与肋板连接的自攻螺钉同时存在垂直钉入以及倾斜钉入，提高了结构楼板的刚度和强度。

(4)本发明的一种组合木结构楼板，采用横向层采用斜向间隔设置实木锯材并填充保温隔音材料，同时面板上连接增强肋板，同时面板与肋板之间自攻螺钉连接采用不同角度钉入技术，综合利用不同材料物理力学性能特性，与普通CLT楼板相比，大幅降低实木木材用量，而且能够提高结构楼板的跨度，改善抗弯、隔音保温性能，并提升了木结构楼板的装配性。

(5)本发明的一种组合木结构楼板，自攻螺钉其自身的自攻作用，在钉入面板时，不需要预先打孔，节约了人力；面板的层板可以根据要求进行调整，其中横向层和纵向层以及隔音毡层的数量均可根据要求灵活调整，实现面板应用的灵活性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构展开状态图；

图3为本发明结构左视图；

图4为本发明横向层俯视图；

图5为本发明单排自攻螺钉俯视图；

图6为本发明双排自攻螺钉俯视图；

图7为本发明单排自攻螺钉A-A截面视图；

图8为本发明双排自攻螺钉B-B、C-C截面钉入示意图；

图9为本发明双排自攻螺钉钉入面板后示意图；

图10为本发明面板为5层结构示意图；

图11为本发明实施例一中结构楼板模拟弯曲受力图；

图12为本发明传统3层CLT模拟弯曲受力图；

图13为本发明结构楼板靠近支座处的模拟受力图。

示意图中的标号说明：1、面板；11、长度方向线；1a、第一纵向层；1b、第一隔音毡；1c、横向层；11c、实木锯材；12c、保温隔音棉；111c、纹理方向线；1d、第二隔音毡；1e、第二纵向层；2、肋板；21、连接面；3、自攻螺钉。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

如图1-3所示，本发明的一种组合木结构楼板，包括面板1和与面板1连接的肋板2，面板1和肋板2通过自攻螺钉3和结构胶黏剂连接，其中面板1包括多层纵向层和横向层，每层横向层位于每两层纵向层之间，每个横向层与纵向层接触面之间设有隔音毡。

如图4，横向层中包括多个实木锯材11c，每一层横向层中的实木锯材11c斜向间隔的放置在纵向层之间。具体地，实木锯材11c的纹理方向线111c与面板1长度方向线11之间形成倾斜角度α，α最优范围为30°～60°，但是特殊情况下也不限于这个范围。如图10，当面板 1中的纵向层数量大于两层，横向层数量大于一层时，相邻两横向层中的实木锯材11c的倾斜方向相反。

实施例1

本实施例中，如图2和图3，面板1包括三层层板，其中纵向层包括第一纵向层1a和第二纵向层1e，均为一体的定向刨花板或结构胶合板，位于两纵向层之间的为横向层1c，第一纵向层1a与横向层1c之间设有第一隔音毡1b，第二纵向层1e与横向层1c之间设有第二隔音毡1d。

横向层1c中包括多个实木锯材11c，每个实木锯材11c之间的间隔内填充保温隔音棉12c，其中每个间隔的宽度根据结构楼板强度以及保温隔音要求而定，楼板应用在不同的场合，其要求也会不同。对于楼板强度要求大的应用场合，实木锯材的间隔小，实用锯材用量多，从而提高楼板的强度；而对于强度要求小，保温或隔音要求大的场合，可以将实木锯材之间的间隔加宽，从而保温隔音材料填充两增加，从而提高楼板的保温隔音的性能。

本实施例中，纵向层的厚度可根据需要进行设计选择，包括但不限于9mm、12mm、18mm 等，斜向布置的实木锯材的厚度、排列间距可根据需要进行设计，实木锯材厚度包括但不限于20mm、30mm、35mm等。

面板1的不同层板之间采用结构胶黏剂进行胶合粘接，可采用的结构胶黏剂包括但不限于单组份聚氨酯胶黏剂等。具体地，施胶前，每个纵向层的含水率控制在8±3％，横向层中实木锯材含水率控制在12±3％。采用单面施胶法进行施胶，施胶量为150～250g/m²。施胶完成后进行冷压加压，压力为1.0～1.5MPa，加压时环境温度不低于15℃，从加压到固化的时间不超过8h。

如图5-9所示，面板1与肋板2间使用自攻螺钉3和结构胶黏剂进行连接，肋板2的材料为重组竹或者单板层积材(LVL)，肋板之间按照一定间距平行布置，肋板的截面尺寸、排列间距可根据实际需求进行设计以满足使用需求。结构胶黏剂包括但不限于单组份聚氨酯胶黏剂等。制作时，在肋板2和面板1接触的连接面21上涂胶黏剂，施胶量为150～250g/m²，组装好面板1与肋板2，使用自攻螺钉3从面板1的上表面的第一纵向层1a钉入至肋板2中。

如图5和图6，具体地，自攻螺钉3呈排状，从纵向层表面的第一纵向层1a钉入，依次穿过面板1的不同层板后，钉入肋板2中。如图7-9所示，自攻螺钉3钉入时，与面板1平面之间的钉入角度不同；每一排自攻螺钉3中位于中间段的垂直面板1平面钉入，位于两端的自攻螺钉3倾斜于面板1平面钉入，两端的自攻螺钉3分别与面板1的表面形成第一夹角β1和第二夹角β2，第一夹角β1和第二夹角β2的绝对值大小为30°～60°，而且第一夹角β1 和第二夹角β2的绝对值相同。其中垂直钉入和倾斜钉入的自攻螺钉3数量比在0.5～1.5之间；自攻螺钉3钉入肋板2中的深度大于等于肋板2高度的一半。

具体地，自攻螺钉3为多排时，每奇数排自攻螺钉3钉入角度一致，每偶数排自攻螺钉 3钉入角度一致；其中相邻的奇数排与偶数排中位于两端并倾斜钉入的自攻螺钉3，相对于面板1的表面钉入的倾斜方向相反。

本实施例中，自攻螺钉3的直径为d，可根据实际情况设计而定。自攻螺钉3在分布时，每一排不同自攻螺钉3的间距a1、相邻两排自攻螺钉3间的距离a2、边缘处自攻螺钉3距离肋板2的端距a3和边距a4需满足：a1＞15d，a2＞7d，a3＞20d，a4＞7d。在自攻螺钉3的间距、端距、边距符合上述最小距离时，应在允许范围内使用尽可能多排螺钉以提高整体结构的超静定次数，从而提高构件的结构性能。

本实施例中，自攻螺钉3与面板平面之间的钉入角度不同，中间段的垂直面板平面钉入，位于两端的自攻螺钉倾斜于面板平面钉入；自攻螺钉垂直钉入时，连接节点具有较好的延性；自攻螺钉倾斜钉入时，连接节点具有较高的刚度，面板与肋板连接的自攻螺钉同时存在垂直钉入以及倾斜钉入，提高了结构楼板的刚度和强度。而且根据楼板受力模拟情况，发现结构楼板构件在靠近支撑楼板的支座处的主要破坏模式为肋板与面板间的剪切滑移，通常该支座设置在结构楼板的两端。因此，在该区域使用斜向钉入的自攻螺钉可以充分发挥自攻螺钉的轴向强度高的优势。相比于垂直钉入的自攻螺钉，斜向钉入自攻螺钉可以有效限制肋板与面板间的初始滑移，从而提高构件的初始刚度。

本实施例的一种结构楼板，包括面板1和肋板2两大部分，面板1与肋板2间使用自攻螺钉3和结构胶黏剂进行连接，面板1中纵向层为一体的定向刨花板或者结构胶合板，横向层采用斜向间隔布置的实木锯材形成，面板1的特殊结构以及肋板2之间相辅相成，利用不同结构及材料的不同性能，可以增加面板1的跨度，而且在节约木材的情况下提高结构楼板的各个性能。

实施例2

本实施例中楼板的结构与实施例一中一致，仅在相关参数上作具体设定。

面板1的跨度为4000mm，自攻螺钉d选定为4mm，一个肋板的自攻螺钉为一排，位于肋板中间，a1为100mm，a3为100mm，a4为30mm，垂直钉入自攻螺钉数量为19个，两边倾斜钉入自攻螺钉分别为10个，自攻螺钉与面板表面的倾斜角度为45°。

面板1其他参数如下表：

表1实施例2中组合木结构楼板的参数

本实施例中，纵向层使用的定向刨花板(OSB板)，肋板使用单板层积材(LVL)，根据有限元方法及软件(ABAQUS)计算得本实施例提出的构件和传统CLT构件跨中挠度分别为w＝9.9mm和w'＝12.2mm，均小于[w]＝L/250＝16mm，[w]为《木结构设计标准》GB50005-2017中对楼盖梁构件挠度限值。本实施例中，传统CLT构件采用3层实木锯材，每层厚30mm。用挠度来表征楼板的变形能力，相比于传统3层CLT降低了近20％，实木锯材使用量降低 83％，极大地降低了实木锯材用量，减少了成本且提升了构件的力学性能。

实施例3

面板1的跨度为6000mm，自攻螺钉d选定为6mm，一个肋板的自攻螺钉为一排，位于肋板中间，a1为120mm，a3为180mm，a4为50mm，垂直钉入自攻螺钉数量为18个，两边倾斜钉入自攻螺钉分别为10个，自攻螺钉与面板表面的倾斜角度为45°。

面板1其他参数如下表：

表2实施例3中组合木结构楼板的参数

本实施例中，纵向层使用的定向刨花板(OSB板)，肋板使用单板层积材(LVL)，计算得该构件跨中挠度w＝12.8mm，相比于传统CLT挠度降低了7％，但实木锯材使用量仅为传统CLT的1/10。

本实施例中，将肋板间距由600mm调整为300mm，其余条件不变，此时实木锯材的使用量不变，构件的跨中挠度w＝6.4mm，挠度相比于传统CLT降低了54％。

本实施例中，将面板1层数设为5层，纵向层使用定向刨花板(OSB板)，厚度为15mm，实木锯材厚度为30mm，肋板LVL截面尺寸100mm×150mm，按照600mm间隔排列时，其跨中挠度为7.7mm，挠度相比于传统CLT降低了44％，实木锯材使用量降低了80％。

需要说明，在本实施例中，传统CLT均为5层，每层厚30mm。因为本实施例中，如果传统CLT采用3层结构时(每层厚度38mm)，跨中挠度w'无法满足设计标准中要求的w' ＜L/250，故需要采用5层结构。遵循结构设计原则，应在保证结构设计符合标准要求的前提下尽可能降低成本，故传统5层CLT中的每层锯材的厚度选取为30mm，以降低实木锯材使用量并满足设计要求。

实施例4

面板1的跨度为8000mm，自攻螺钉d选定为6mm，一个肋板的自攻螺钉为一排，位于肋板中间，a1为120mm，a3为160mm，a4为50mm，垂直钉入自攻螺钉数量为25个，两边倾斜钉入自攻螺钉分别为20个，自攻螺钉与面板表面的倾斜角度为45°。

面板1其他参数如下表：

表3实施例4中组合木结构楼板的参数

本实施例中，纵向层使用定向刨花板(OSB板)，肋板使用单板层积材(LVL)，计算得构件跨中挠度w＝18.4mm，挠度相比传统CLT降低了28％，实木锯材使用量降低了73％。

本实施例中，当其余条件不变，肋板材料使用重组竹时，计算得跨中挠度w＝11.8mm，挠度相比于传统CLT降低了53％。

本实施例中，传统CLT为5层，每层厚38mm。

实施例5

面板1的跨度为10000mm，自攻螺钉d选定为8mm，一个肋板的自攻螺钉为一排，位于肋板中间，a1为150mm，a3为200mm，a4为60mm，垂直钉入自攻螺钉数量为25个，两边倾斜钉入自攻螺钉分别为20个，自攻螺钉与面板表面的倾斜角度为45°。

面板1其他参数如下表：

表4实施例5中组合木结构楼板的参数

本实施例中，纵向层使用定向刨花板(OSB板)，肋板使用单板层积材(LVL)，模拟此时构件的跨中挠度w＝26mm，此时构件的实木锯材使用量相比于传统CLT降低了91％

其余条件不变，当肋板材料选取重组竹时，构件的跨中挠度下降到w＝15.3mm，在实木锯材使用量不变的情况下，挠度相比于传统CLT降低了32％。若进一步提升肋板材料截面尺寸、缩短布置间距，构件的跨中挠度会进一步下降。

需要说明，在本实施例中，传统CLT为7层，每层厚38mm。因为在本实施例中，如果传统CLT采用5层，每层厚度为38mm。计算得跨中挠度w'无法满足设计标准中要求的w' ＜L/250，故使用7层结构。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种组合木结构楼板，包括面板(1)和与其连接的肋板(2)，所述面板(1)包括多层纵向层，每两层纵向层之间设置横向层；其特征在于，所述横向层包括多个实木锯材(11c)，所述实木锯材(11c)以一定距离间隔设置，所述实木锯材(11c)的纹理方向线(111c)与面板(1)长度方向线(11)之间形成倾斜角度α。

2.根据权利要求1所述的一种组合木结构楼板，其特征在于：所述面板(1)中的纵向层数量大于两层，横向层数量大于一层时，相邻两横向层中的实木锯材倾斜方向相反。

3.根据权利要求1所述的一种组合木结构楼板，其特征在于：所述实木锯材(11c)之间的间隔内填充保温隔音棉(12c)。

4.根据权利要求3所述的一种组合木结构楼板，其特征在于：所述纵向层包括第一纵向层(1a)和第二纵向层(1e)，所述第一纵向层(1a)为一体的定向刨花板或结构胶合板，所述第二纵向层(1e)的结构以及材料与第一纵向层(1a)一致；所述每个横向层与纵向层接触面之间设有隔音毡。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种组合木结构楼板，其特征在于：所述面板(1)和肋板(2)通过自攻螺钉(3)和结构胶黏剂连接。

6.根据权利要求5所述的一种组合木结构楼板，其特征在于：所述自攻螺钉(3)呈排状，从纵向层表面的第一纵向层(1a)钉入，依次穿过面板(1)的不同层板后，钉入肋板(2)中；

每一排自攻螺钉(3)中位于中间段的垂直面板(1)平面钉入，位于两端的自攻螺钉(3)倾斜于面板(1)平面钉入，两端的自攻螺钉(3)分别与面板(1)的表面形成第一夹角β1和第二夹角β2，所述第一夹角β1和第二夹角β2的绝对值相同。

7.根据权利要求6所述的一种组合木结构楼板，其特征在于：所述自攻螺钉(3)为多排，每奇数排自攻螺钉(3)钉入角度一致，每偶数排自攻螺钉(3)钉入角度一致；

其中相邻的奇数排与偶数排中位于两端钉入的自攻螺钉(3)相对于面板(1)的表面钉入的倾斜方向相反。

8.根据权利要求6所述的一种组合木结构楼板，其特征在于：所述垂直钉入和倾斜钉入的自攻螺钉(3)数量比在0.5～1.5之间；所述自攻螺钉(3)钉入肋板(2)中的深度大于等于肋板(2)高度的一半。

9.根据权利要求8所述的一种组合木结构楼板，其特征在于：所述自攻螺钉(3)的直径为d，每一排不同自攻螺钉(3)的间距a1、相邻两排自攻螺钉(3)间的距离a2、边缘处自攻螺钉(3)距离肋板(2)的端距a3和边距a4需满足：a1＞15d，a2＞7d，a3＞20d，a4＞7d。

10.根据权利要求9所述的一种组合木结构楼板，其特征在于：所述面板(1)的不同层板之间采用结构胶黏剂进行胶合粘接，采用单面施胶法进行施胶，施胶量为150～250g/m²；所述肋板(2)与面板(1)接触连接的连接面(21)涂结构胶黏剂，施胶量为150～250g/m²。