鋼—竹組合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀與前景分析★

張秀華 鄂 婧 盧 佳 馮耀恒

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

鋼—竹組合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀與前景分析★

張秀華 鄂 婧 盧 佳 馮耀恒

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

分別對(duì)重組竹、冷彎薄壁型鋼、鋼—竹組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，分析了三者的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，指出在提倡發(fā)展綠色節(jié)能建筑的背景下，綠色生態(tài)的鋼—竹組合結(jié)構(gòu)具有一定的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

鋼—竹組合結(jié)構(gòu)，冷彎薄壁型鋼，特點(diǎn)，綠色建筑

1 重組竹的研究與發(fā)展

重組竹以重組木制造工藝為基礎(chǔ)，通過對(duì)原材料竹的加工而成。重組竹，即是先將竹基材通過重組形成通長(zhǎng)的、交錯(cuò)排列的纖維狀材料，再通過干燥、加膠、熱壓而成，主要為板狀形式的材料[1]。

1.1 重組竹的特點(diǎn)

重組竹作為建筑材料有其他材料不能比擬的特點(diǎn)[2，3]：

1)重組竹具有輕質(zhì)高彈、韌性好等特點(diǎn)，故其具有良好的抗震性能。2)重組竹消除竹子的內(nèi)在構(gòu)造影響，加強(qiáng)其機(jī)械性能。重組竹較之于竹材利用率更高。3)相較于竹材、木材，重組竹的材質(zhì)均勻且其抗拉強(qiáng)度高。4)竹子的生長(zhǎng)周期短，因此其具有成材早、產(chǎn)量高的特點(diǎn)，在我國(guó)有大面積栽植。5)竹材作為綠色環(huán)保建筑材料，可回收再利用。相對(duì)于混凝土、鋼材，能耗低，污染小。6)自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化加工工廠，可在工廠完成大部分試件工作，提高施工進(jìn)度與質(zhì)量。7)重組竹傳承中華文化，將古人筆下的“寧可食無(wú)肉，不可居無(wú)竹”實(shí)現(xiàn)于現(xiàn)代建筑中。

1.2 重組竹的應(yīng)用和發(fā)展

在可持續(xù)發(fā)展觀帶動(dòng)下的建筑用木材需求量遞增，而木材的產(chǎn)量有限導(dǎo)致其供應(yīng)量不足、銷售價(jià)頗高，以此為基礎(chǔ)，重組竹在建筑產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。近年來重組竹的研究應(yīng)用方向主要有：由重組竹良好的外觀性能，制成裝飾裝修用材、家具用材，比如竹地板、竹制桌椅、高檔仿紅木家具；由重組竹優(yōu)良的力學(xué)性能，可制成梁、柱等承重構(gòu)件及外墻、屋面板等以及一些圍護(hù)構(gòu)件；由重組竹經(jīng)高溫?zé)崽幚矶哂辛己玫哪透g性，廣泛應(yīng)用于包裝材料。

重組竹的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例就是桐廬竹楠木，在2010年的上海世博會(huì)上，竹楠木房屋憑借其綠色環(huán)保優(yōu)勢(shì)亮相，并受到大眾廣泛肯定。以竹楠木為原材料打造的重組竹房，擺脫傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而自成一派，其房屋不僅外觀美觀、內(nèi)部的配套措施齊全，更是能夠通過自動(dòng)調(diào)節(jié)溫濕度從而達(dá)到冬暖夏涼的效果。

2 冷彎薄壁型鋼的研究與發(fā)展

從1889年迄今，鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各國(guó)的建筑、工業(yè)建設(shè)之中，近年來，冷彎薄壁型鋼作為一種具有特殊截面形式、高效經(jīng)濟(jì)的材料而備受關(guān)注，冷彎薄壁型鋼是制作輕型鋼結(jié)構(gòu)的主要材料，它主要是用普通碳素鋼板或帶鋼在冷狀態(tài)下(室溫條件下)經(jīng)輥壓或沖壓成型的各種截面形狀的型材[4]。

2.1 冷彎薄壁型鋼的特點(diǎn)

冷彎薄壁型鋼具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)截面形式靈活，并能在保持材料用量基礎(chǔ)上，其截面形式被優(yōu)化，故被稱之為高效鋼材。2)輕質(zhì)高強(qiáng)、剛度大，具有良好的抗震性能。3)材料經(jīng)濟(jì)，成本低。4)利于生產(chǎn)與施工。冷彎薄壁型鋼作為預(yù)制構(gòu)件，能按要求進(jìn)行批量生產(chǎn)。5)保溫、隔熱性好。6)使用后可回收利用。

2.2 冷彎薄壁型鋼的應(yīng)用和發(fā)展

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)冷彎薄壁型鋼進(jìn)行深入研究與生產(chǎn)應(yīng)用，冷彎薄壁型鋼有如下的兩個(gè)發(fā)展方向：由冷彎薄壁型鋼做主要承重構(gòu)件，比如：梁、柱、框架、鋼架、桁架等，主要應(yīng)用于單層、多層住宅、輕鋼別墅、工業(yè)廠房、加工車間、大型庫(kù)房等；由冷彎薄壁型鋼做次要受力構(gòu)件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)，主要出現(xiàn)在我國(guó)南方地區(qū)的多層民用建筑。

冷彎型鋼在我國(guó)始于20世紀(jì)50年代中期，并主要以農(nóng)機(jī)業(yè)使用為主；60年代，上海等地興建冷彎型鋼結(jié)構(gòu)房屋的試點(diǎn)工程；70年代，采用冷彎型鋼屋架；在80年代，冷彎型鋼進(jìn)入繁榮發(fā)展時(shí)期，建成18 m跨倉(cāng)庫(kù)及36.8 m跨設(shè)備層；90年代后期，壓型鋼板在我國(guó)普遍使用。如今，我國(guó)香港亦陸續(xù)建成多棟冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的多層住宅，而由于我國(guó)的市場(chǎng)的供需關(guān)系、國(guó)家的調(diào)控政策影響，可以說此體系在我國(guó)的內(nèi)陸地區(qū)也穩(wěn)步應(yīng)用中。

3 鋼—竹組合結(jié)構(gòu)

鋼—竹組合結(jié)構(gòu)是將冷彎薄壁型鋼與重組竹/人造竹板通過有效界面結(jié)合形成的新型高性能組合結(jié)構(gòu)，其結(jié)合方式有：高強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行粘結(jié)，自攻螺釘/燕尾釘進(jìn)行釘接。

3.1 鋼—竹組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

此組合結(jié)構(gòu)可發(fā)揮鋼、竹兩者優(yōu)勢(shì)，并使其協(xié)同工作，其組合特點(diǎn)如下：

1)截面形式靈活。工廠可依據(jù)需要進(jìn)行構(gòu)件的加工，二者可采用不同截面形式以滿足不同構(gòu)件需要。2)承載力高。此組合結(jié)構(gòu)將冷彎薄壁型鋼作為骨架，重組竹作為面板，兩者結(jié)合構(gòu)件有更高的承載力。3)變形性能好、延性好。具有良好的抗震性能。4)協(xié)同工作。有效解決鋼材在使用時(shí)易失穩(wěn)、重組竹本身承載力相對(duì)不足，且目前二者造價(jià)過高的缺陷，二者結(jié)合整體性好。5)工廠化程度高，保證施工質(zhì)量、進(jìn)度，并減少施工過程造成的各種污染。6)節(jié)約材料，經(jīng)濟(jì)性好。7)可回收再利用。鋼、竹二者均是綠色材料，且其回收利用率高。

3.2 鋼—竹組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，我國(guó)各大科研院校對(duì)鋼—竹組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，試驗(yàn)研究取得的成果如下：

1)鋼—竹組合樓板。目前研究有以下兩種形式[5-7]：壓型鋼板—竹膠板組合樓板、冷彎薄壁C型鋼—竹膠板組合樓板，如圖1所示。分別有單純膠結(jié)型、膠結(jié)螺栓復(fù)合型、側(cè)板加強(qiáng)膠結(jié)螺栓復(fù)合型，抗彎試驗(yàn)結(jié)果表明，螺栓的使用可防止局部脫膠，而側(cè)板起到骨架作用。組合樓板均表現(xiàn)出較高的承載力和剛度、整體性好，鋼、竹二者在正常使用階段處于彈性階段，可以滿足建筑對(duì)樓板使用要求。

2)鋼—竹組合柱。類型有[8-10]：冷彎薄壁C型鋼—竹板組合柱、薄壁方鋼管—竹膠板組合柱，如圖2所示。通過對(duì)組合柱的軸心受壓試驗(yàn)分析，破壞形式有外圍竹板破壞、膠結(jié)面開膠破壞、整體失穩(wěn)破壞三種，得到軸壓比對(duì)組合柱的極限承載力、延性起決定性作用。鋼、竹二者可良好協(xié)同工作，整體性能好，承載力可滿足建筑對(duì)柱子的要求。

3)鋼—竹組合梁。類型有[11-13]：冷彎薄壁槽鋼—竹膠板組合梁、方鋼管—竹膠板組合梁，如圖3所示。通過彎曲性能試驗(yàn)表明，兩種材料共同參與工作，組合效應(yīng)突出，整體性好，其破壞類型為延性破壞。通過變化組合，得到可應(yīng)用于工程的承載力、剛度表現(xiàn)良好的鋼—竹組合梁。

4 結(jié)語(yǔ)

相比較于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑，綠色生態(tài)是鋼—竹組合結(jié)構(gòu)在建筑發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。然而鋼—竹組合結(jié)構(gòu)的研究尚有許多空白，關(guān)于鋼—竹組合結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形、截面形式優(yōu)化、組合方式都需要進(jìn)一步探索，且目前研究范圍僅停留在樓板、梁、柱這些構(gòu)件上，并沒有鋼—竹組合體系的理論擴(kuò)展，這些都是亟待解決的關(guān)鍵問題。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的提高及公眾對(duì)綠色建筑、居住舒適度的更高要求，鋼—竹組合結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)勢(shì)必進(jìn)入其發(fā)展的新階段。

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The research status and prospects of steel-bamboo combined structure★

Zhang Xiuhua E Jing Lu Jia Feng Yaoheng

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The paper introduces the features for the re-combined bamboo timber, thin-walled cold-formed steel and steel-bamboo combined structure, analyzes their development and application status, and points out the green steel-bamboo combined structure has its advantages under the background of advocating the green and energy-saving architecture.

steel-bamboo combined structure, thin-walled cold-formed steel, feature, green architecture

2015-06-30★：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目

張秀華(1970- )，女，博士，碩士生導(dǎo)師，副教授； 鄂 婧(1990- )，女，在讀碩士； 盧 佳(1995- )，女，在讀本科生； 馮耀恒(1993- )，男，在讀本科生

1009-6825(2015)25-0030-02

TU398

A