淺談鋼木組合結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

白潤(rùn)山 江卓林

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075024)

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淺談鋼木組合結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

白潤(rùn)山 江卓林

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075024)

分析了鋼材與木材兩種材料的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，論述了鋼木組合構(gòu)件及結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)越性，這種組合結(jié)構(gòu)可以充分體現(xiàn)出其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，并且在承載力上也較原體系有著較大程度上的加強(qiáng).作者全面綜述了鋼木組合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，并指出這種組合結(jié)構(gòu)存在著材料物理性能顯著差異，存在著組合構(gòu)造、溫度下協(xié)調(diào)性等問(wèn)題亟需研究解決.

鋼木組合結(jié)構(gòu);新型結(jié)構(gòu)體系;綠色環(huán)保

木質(zhì)結(jié)構(gòu)的修建在我國(guó)已經(jīng)歷史悠久，在幾千年前，古人便開(kāi)始成熟的運(yùn)用榫卯結(jié)構(gòu)了.宋代李誡所著的《營(yíng)造法式》，系統(tǒng)地梳理了傳統(tǒng)木質(zhì)結(jié)構(gòu)的建筑構(gòu)造、施工，因此木質(zhì)結(jié)構(gòu)的建筑體系迎來(lái)了發(fā)展的高峰.隨著歐洲的現(xiàn)代建筑科技的傳入，傳統(tǒng)的木制建筑產(chǎn)生了變化，慢慢有了磚墻為主體結(jié)構(gòu)，屋架為木質(zhì)桁架的建筑結(jié)構(gòu).近代以來(lái)，由于木材的減少或出于環(huán)保的考慮，純木結(jié)構(gòu)已經(jīng)越來(lái)越少，取而代之的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，甚至于一些古建筑物的修復(fù)大都采用鋼筋混凝土仿造，木結(jié)構(gòu)所包含的文化內(nèi)涵也漸漸消失，結(jié)構(gòu)體系也與現(xiàn)代框架體系不大相符.最近幾年，鋼木組合結(jié)構(gòu)體系漸漸被人們接受，通過(guò)兩種材料的結(jié)合，形成了材料間的互補(bǔ)，提高了結(jié)構(gòu)承載力等，從而越來(lái)越多的應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中去.

木材具有輕質(zhì)，高強(qiáng)，易加工等優(yōu)點(diǎn).因此自古以來(lái)就受到人們偏愛(ài).從古代中國(guó)的廟宇，到中世紀(jì)西歐的木質(zhì)結(jié)構(gòu)大教堂，都證明木結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性.現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在全球應(yīng)用的也較為普遍.在北美，木結(jié)構(gòu)住宅處于市場(chǎng)主導(dǎo)地位，在美國(guó)的獨(dú)戶別墅中，其中90%采用木結(jié)構(gòu)，在33.8萬(wàn)幢多層住宅中，大多數(shù)也采用木結(jié)構(gòu).木結(jié)構(gòu)還經(jīng)常應(yīng)用于民用建筑，例如旅店，宿舍，廠房，車(chē)站等.在北美地區(qū)，尤其是加拿大，生產(chǎn)木材成為了重要的國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)，與其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化，工業(yè)化及其安裝技術(shù)特別成熟.亞洲地區(qū)以日本為例，木材在住宅建造上得到了廣泛的應(yīng)用，除此之外，還應(yīng)用了膠合木板，水泥刨花板等復(fù)合材料.即使日本作為人口稠密的國(guó)家，也一直在積極應(yīng)用.

1 鋼材與木材的特點(diǎn)

1.1 木材的特點(diǎn)

木材作為傳統(tǒng)的建筑材料，有很多優(yōu)點(diǎn)，第一，木材作為一種純天然材料，在建筑中常用的鋼、木、水泥、塑料四大主材中，木材直接取自天然，因而木材具有生產(chǎn)成本低、耗能小、無(wú)毒害、無(wú)污染等特點(diǎn).并且，木材在作為一種可再生材料，相比較混凝土，水泥等生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生的廢棄物，在其再生過(guò)程中，是不斷美化環(huán)境的過(guò)程，符合了國(guó)家關(guān)于建筑節(jié)能，綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略.第二，木材的強(qiáng)度較高，特別是順紋理方向的抗壓與抗拉強(qiáng)度，可以超過(guò)某些金屬.可看做一種輕質(zhì)高強(qiáng)的材料.第三，木材本身作為一種極佳的保溫材料，對(duì)于建筑住宅的保溫性能可以大大提升，特別是將木材作為墻板承重構(gòu)件應(yīng)用到結(jié)構(gòu)體系中去，可以實(shí)現(xiàn)墻體保溫一體化.第四，木材的耐火性能強(qiáng)，在很多人常識(shí)中，木材是一種易燃物質(zhì)，但在實(shí)際工程中，當(dāng)木材被火燃燒時(shí)，其表面首先碳化一層物質(zhì)，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度依然很高，建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中能夠相對(duì)保持較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，在同樣的火災(zāi)環(huán)境下，其整體結(jié)構(gòu)的支撐時(shí)間比鋼結(jié)構(gòu)住宅長(zhǎng).木材的缺點(diǎn)除了易燃、易朽、不耐蟲(chóng)蛀、干縮濕漲等，還有其受力各異向性特點(diǎn)十分明顯，特別是木材順著截面紋理方向的強(qiáng)度與垂直截面紋理的強(qiáng)度差異顯著.

1.2 鋼材的特點(diǎn)

鋼材具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、延性好等優(yōu)點(diǎn)，在如今國(guó)家的政策支持下鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展越來(lái)越迅速.但是，相較于其他的建筑材料，在相同的條件下，鋼材構(gòu)件的截面尺寸小、長(zhǎng)細(xì)比大且板件薄弱，對(duì)于局部變形表現(xiàn)敏感.因此，鋼材在受力下容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，包括整體和局部失穩(wěn)，使得單個(gè)構(gòu)件或整體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大形變從而提前喪失承載力.可見(jiàn)，由于鋼材的材料屬性所限制，使得穩(wěn)定性較弱這個(gè)問(wèn)題制約著鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展.

2 鋼木組合的優(yōu)越性

2.1 構(gòu)件性能

鋼木組合結(jié)構(gòu)作為一種新型組合結(jié)構(gòu)體系，其意義在于同時(shí)發(fā)揮鋼材與木材的優(yōu)點(diǎn)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短.木材作為一種側(cè)向支撐構(gòu)件，加強(qiáng)組合構(gòu)件的剛度，防止鋼材因失穩(wěn)導(dǎo)致提前破壞.這樣構(gòu)件較純鋼材料或純木材料的強(qiáng)度有了顯著的提高.同時(shí)鋼木組合構(gòu)件還能達(dá)到免裝修的效果，盡可能的節(jié)省了人力，時(shí)間，材料等.因此鋼木組合構(gòu)件既有良好的受力性能，又有較大的實(shí)際工程意義.

2.2 抗震性能

鋼木組合結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)處有許多連接點(diǎn)，在地震時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間可以將荷載相互承擔(dān).并且木材本身具有韌性，能夠更好的抵抗周期性荷載和沖擊性荷載.木結(jié)構(gòu)本身的完整性可以彌補(bǔ)鋼材的材料缺陷.鋼木結(jié)構(gòu)一般為小斷面密布的柔性結(jié)構(gòu)，有一定范圍的變形能力以及很大的結(jié)構(gòu)冗余度，再加之鋼木框架體系采用釘接節(jié)點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生了更強(qiáng)的柔性，從而結(jié)構(gòu)可以通過(guò)自身的變形來(lái)消耗能量，提高整體安全性.

2.3 綠色環(huán)保

木材是一種保溫性能好的建筑材料.從居住角度來(lái)看，冬暖夏涼，十分適宜.并且木材是天然綠色材料，無(wú)污染，對(duì)人體也無(wú)害.其透氣性能較強(qiáng)，可以維持室內(nèi)外的濕度.最重要的是木材再生產(chǎn)的過(guò)程也是一個(gè)綠色過(guò)程.通過(guò)不斷的植樹(shù)來(lái)培育更多的木材，在培育的過(guò)程中綠化了環(huán)境，清新了空氣.整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)綠色可持續(xù)過(guò)程.

3 鋼木組合結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

3.1 國(guó)內(nèi)研究

同濟(jì)大學(xué)的何敏娟，馬仲，馬人樂(lè)等學(xué)者對(duì)鋼木組合構(gòu)件做了一定程度的研究，這里介紹他們研究的一種鋼木組合樓蓋在水平荷載下的轉(zhuǎn)動(dòng)性能.

圖1 鋼木樓板布置圖

這是一種在輕鋼柵欄上鋪設(shè)方木規(guī)格材的樓板，在鋼筋網(wǎng)與規(guī)格木材中加設(shè)騎馬釘，使其錯(cuò)列布置，穿過(guò)C型鋼柵欄釘于規(guī)格材上，再在表面鋪設(shè)φ4@100的雙向鋼筋網(wǎng)，最后澆筑水泥砂漿增強(qiáng)結(jié)構(gòu)一體性.由于鋪設(shè)木材的原因，樓蓋的側(cè)向剛度增強(qiáng).使得原本為半剛性的樓板因?yàn)橛辛四静牡膫?cè)向加固使得樓板的剛性進(jìn)一步提高，樓板的各項(xiàng)受力協(xié)調(diào)性改善.

東南大學(xué)的潘福婷對(duì)于鋼木組合構(gòu)件的受力性能也做了初步的探討，她設(shè)計(jì)的鋼木組合構(gòu)件主要是以鋼材為主要受力構(gòu)件，木板與鋼材用螺栓相連接.再通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量與有限元分析，得出木材能夠較好的提高鋼材的剛度結(jié)論.

圖2 樓板整體示意圖

3.2 國(guó)外工程實(shí)例

目前在國(guó)外將鋼木結(jié)構(gòu)有兩種應(yīng)用體系，一種是將鋼木組合作為一種構(gòu)件，將此組合構(gòu)件應(yīng)用于實(shí)際工程，提高結(jié)構(gòu)體系的承載力.日本鬼石多功能廳，屋頂中的腹板使用木材，在在木材外貼鋼材使其變成鋼-木翼緣梁.這是在木結(jié)構(gòu)構(gòu)件中局部采用鋼結(jié)構(gòu)替代的經(jīng)典案例.

另一種鋼木組合形式是鋼木分離式，用木材代替了結(jié)構(gòu)中的一部分鋼材，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.日本的AIRA綜合運(yùn)動(dòng)公園體育館的屋頂采用不完整桁架，用木殼代替?zhèn)鹘y(tǒng)桁架中的上弦桿，實(shí)現(xiàn)了木殼結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的組合.

在溫哥華冬奧會(huì)的場(chǎng)館中，在速滑項(xiàng)目的場(chǎng)館里，這種橢圓場(chǎng)館采用了經(jīng)典的鋼木設(shè)計(jì).這種設(shè)計(jì)擁有全球最大的鋼木組合的屋頂結(jié)構(gòu).因?yàn)檫@種獨(dú)特大膽的設(shè)計(jì)使得該場(chǎng)館獲得了世界最佳運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所設(shè)計(jì)獎(jiǎng).除此之外.日本的川崎市穹頂，瑞士特拉弗西娜橋等建筑都在體現(xiàn)著國(guó)外在建筑結(jié)構(gòu)中將鋼木組合技術(shù)的純熟應(yīng)用.

圖3 日本鬼石多功能廳 圖4 日本AIRA綜合運(yùn)動(dòng)公園體育館

4 鋼木組合體系亟需解決的問(wèn)題

4.1 在溫度作用下材料差異顯著

相比較鋼筋和素混凝土的熱膨脹系數(shù)較為接近，鋼材與木材在溫度下的膨脹系數(shù)差異顯著，全干木材的膨脹系數(shù)為3～4.5×10-8/℃，而鋼材的膨脹系數(shù)8.31～14.68×10-6/℃.所以在溫度作用下，組合結(jié)構(gòu)中兩者易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力對(duì)于組合結(jié)構(gòu)中的材料結(jié)合是不利的.但在實(shí)際工程中，又不得不考慮其因素，尤其是在嚴(yán)寒地帶，對(duì)于在溫度下鋼木組合之間的協(xié)調(diào)性變得更加重要，因此對(duì)于溫度作用下，鋼材與木材兩種材料的結(jié)合協(xié)調(diào)性能研究有著深遠(yuǎn)的意義.

4.2 組合構(gòu)件連接構(gòu)造問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)的對(duì)于鋼木組合結(jié)構(gòu)的研究大多停留在對(duì)于單個(gè)構(gòu)件的受力性能研究層面.而構(gòu)件的選擇與構(gòu)造大多是以鋼材為夾芯板，兩邊放上木材與鋼材螺栓連接或鉚釘連接為核心板提供側(cè)向支撐.構(gòu)造形式也較為單一，無(wú)充分發(fā)揮鋼木材料的優(yōu)點(diǎn).

4.3 結(jié)構(gòu)體系研究尚未成熟

鋼木組合結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵點(diǎn)便是節(jié)點(diǎn)處的連接構(gòu)造，這類問(wèn)題國(guó)內(nèi)研究尚未成熟，節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造對(duì)于抗震性能，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的有著巨大的影響.目前節(jié)點(diǎn)的連接構(gòu)造主要還是參照輕型木結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，用各式各樣的型鋼的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，連接的方式也大多數(shù)為螺栓連接和鉚釘連接.

5 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼木組合結(jié)構(gòu)的研究還處于起步階段，相關(guān)的配套體系尚未成熟，對(duì)于鋼木的材料協(xié)調(diào)性，構(gòu)造連接，鋼木體系的抗震性能等問(wèn)題仍需要不斷的探索來(lái)進(jìn)行優(yōu)化.如何將鋼木體系的整個(gè)生產(chǎn)鏈變成一種綠色可持續(xù)發(fā)展，是發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題所在.隨著人們對(duì)于居住要求的不斷提高，鋼木組合結(jié)構(gòu)的研究必將得到更多的推廣及應(yīng)用.

[1]王小盾,陳志華,白晶晶,陳姍姍,安琦.鋼木組合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[C].全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2011,10:654～657

[2]王婉婉,徐偉晨,高嫻君.論鋼木結(jié)構(gòu)發(fā)展[J].-軟件(教育現(xiàn)代化)(電子版)2014,9:309～310

[3]費(fèi)本華,王戈,任海青,余雁.我國(guó)發(fā)展木結(jié)構(gòu)房屋的前景分析[J].-木材工業(yè),2002,5:6～9

[4]潘福婷.鋼—木組合構(gòu)件試驗(yàn)研究及有限元分析[D].-碩士.2008

[5]姚侃,趙鴻鐵,葛鴻鵬.古建木結(jié)構(gòu)榫卯連接特性的試驗(yàn)研究[J].-工程力學(xué).2006,10:168～173[6]何敏娟,馬仲,馬人樂(lè),李征.輕型鋼木混合樓蓋水平荷載轉(zhuǎn)移性能[J].-同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2014，7,1038～1043

Research on Steel-wood Composite Structure

BAIRun-shan,JIANGZhuo-lin

(Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075024)

In this paper,the advantage and disadvantage of steel and wood are firstly analyzed.Then,the advantage of steel-wood composite structure component and system of structure is discussed,which can give full expression to its advantages of energy conservation and environmental protection.Compared with the original system,its bearing capacity has enhanced largely.At last,the author comprehensively summarizes the present research status of steel-wood composite structure and its existing problems,such as significantly different physical properties,need-to-be-coordinated features under different temperature,and so on.

steel-wood composite structure;new-type structural system;environmental protection

2016-03-20

白潤(rùn)山(1965-)，男，教授，主要從事鋼結(jié)構(gòu)、新型結(jié)構(gòu)體系及材料、建筑產(chǎn)業(yè)化研究.

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