鋼木組合結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

廖靜　郝勇　王立軍　賈吉龍　李家安

摘 要：鋼木組合結(jié)構(gòu)作為一種新型的組合方式，綜合了鋼材的可循環(huán)利用性和木材的可生性，同時(shí)它們的結(jié)合還能充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的不足。本文分析了鋼材和木材組合的優(yōu)勢(shì)，對(duì)現(xiàn)有的鋼木組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，分析了目前鋼木組合的不足之處并從大方向上提出了一些解決方法。

關(guān)鍵詞：鋼木組合結(jié)構(gòu);研究現(xiàn)狀;連接方式

中圖分類(lèi)號(hào)：TU755.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）14-0085-03

Research Status of Steel-wood Composite Structure

LIAO Jing1，2 HAO Yong1，2 WANG Lijun1，2 JIA Jilong1，2 LI Jiaan1，2

（1. Hebei University of Architecture，Zhangjiakou Hebei 075000;2. Green Building Materials and Architectural Application Technology R & D Center of Hebei Province，Zhangjiakou Hebei 075000）

Abstract： As a new type of combination， the steel-wood combined structure includes the recyclability of steel and the viability of wood， at the same time， the combination of them can also give full play to the advantages of the two materials and make up for their deficiencies. This paper analyzed the advantages of steel and wood combination， expounded the existing steel-wood combination structure， analyzed the shortcomings of the current steel-wood combination and proposed some solutions in the general direction.

Keywords： steel-wood composite structure;research status;connection method

混凝土具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，在建筑市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，國(guó)內(nèi)混凝土的生產(chǎn)量和消耗量都居于世界第一，但混凝土屬于不可再生資源，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量污染，二次利用率僅為10%。隨著大氣、土壤、水體等污染的出現(xiàn)，國(guó)家大力推行綠色、環(huán)保、節(jié)能減排等政策，人們的環(huán)保意識(shí)逐步提高，越來(lái)越追求綠色的生活環(huán)境，回歸自然。發(fā)展綠色環(huán)保材料不僅能彌補(bǔ)傳統(tǒng)材料的缺點(diǎn)，還符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。鋼木結(jié)構(gòu)是一種新型的組合結(jié)構(gòu)，將鋼材和木材通過(guò)不同的方式組合起來(lái)，能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)兩種材料的缺陷。

1 木材和鋼材組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

木材是一種可再生的、可自然降解的天然材料。木結(jié)構(gòu)在我國(guó)具有悠遠(yuǎn)的歷史，其取材方便、靈活多變。20世紀(jì)70年代末，我國(guó)將木材大量運(yùn)用于工業(yè)，造成木材短缺，木結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展受到制約。近10年以來(lái)，木結(jié)構(gòu)才得到可喜的發(fā)展[1]。但木材是各向異性材料，受材料本身的影響，力學(xué)性能較差。

鋼材具有良好的物理化學(xué)特征，被廣泛地運(yùn)用于大跨度結(jié)構(gòu)房屋、廠(chǎng)房以及橋梁工程中。鋼材質(zhì)輕，方便吊裝，施工安裝方便，符合我國(guó)裝配式發(fā)展的方向;鋼材具有很好的可塑性，形狀靈活多變;鋼材強(qiáng)度高，具有很好的抗震性能。但是，與其他建材相比，在相同的承載力下，鋼結(jié)構(gòu)的截面更小，容易發(fā)生失穩(wěn)。我國(guó)大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)事故發(fā)生的原因都是失穩(wěn)破壞。鋼結(jié)構(gòu)易被腐蝕，耐火性能差，后期維護(hù)和保養(yǎng)的成本較高，而且鋼材給人一種冷冰冰的感覺(jué)[2]。

木材能提高鋼材的穩(wěn)定承載力。用鋼材作為主要的受壓構(gòu)件，同時(shí)用木材將鋼材包裹起來(lái)，能有效防止鋼材銹蝕，為鋼材提供一定的側(cè)向支撐，還能給人一種親近大自然的感覺(jué)。現(xiàn)在很多裝修都采用木材，用木包鋼還能省去后期裝修。

2 鋼木組合結(jié)構(gòu)受力性能研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外對(duì)鋼木組合結(jié)構(gòu)研究最多的是日本。對(duì)于鋼木組合結(jié)構(gòu)，日本通常采用鋼材作為連接件，將木構(gòu)件組合在一起。國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼木組合結(jié)構(gòu)的研究也有一些進(jìn)展，但大多都停留在鋼木組合的構(gòu)件上，如鋼木組合梁、鋼木組合柱、鋼木組合樓蓋、鋼木組合剪力墻等。

2.1 鋼木組合梁的研究現(xiàn)狀

2016年，李登輝[3]利用H型鋼為骨架、在其上下翼緣粘貼樟子松板，分別用試驗(yàn)以及有限元的方式分析其彎曲性能。試驗(yàn)表明，木材和H型鋼的整體協(xié)調(diào)性較好，木材能有效地為H型鋼提供抗側(cè)移能力，提高其穩(wěn)定性，使鋼材強(qiáng)度得到充分提高。

2017年，羅佳鈺等[4]對(duì)鋼木組合梁進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，采用耦合的方式將C型鋼的一側(cè)與木板相連，再采用三點(diǎn)加載制度研究了鋼木梁的抗彎性能，梁破壞時(shí)屬于塑性破壞，其抗彎承載力比尺寸相同的木梁提高28%～85%，跨中極限變形提高了76%～146%。

2017年，姚雪峰[5]總結(jié)了現(xiàn)有的組合梁抗彎計(jì)算理論，測(cè)試了不同木板的寬度對(duì)鋼木組合梁的抗彎性能和剛度的影響，木梁的寬度對(duì)鋼木組合梁的承載力影響不大，由于螺栓連接組合梁為部分剪力連接組合梁，木板和鋼梁會(huì)產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，所以不符合平截面假定。

2018年，鄒偉[6]以鋼木組合梁為研究對(duì)象，將木板用膠接和機(jī)械連接相結(jié)合的方式固定在H型鋼的上下翼緣和腹板兩側(cè)，以木板厚度、螺栓間距、型鋼厚度為試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置了13組對(duì)比試驗(yàn)和一根純木梁構(gòu)件作為對(duì)照組，進(jìn)行了梁的抗彎試驗(yàn)研究和有限元分析，對(duì)比分析了各個(gè)參數(shù)對(duì)構(gòu)件破壞產(chǎn)生的影響。鋼木組合梁較純木梁的承載力和延性來(lái)說(shuō)有了很大的提高，但由于連接方式存在一些問(wèn)題，膠接處和機(jī)械連接處先后破壞，最后鋼材屈曲，木板發(fā)生脆性破壞。

2018年，金許奇等[7]利用螺栓間距、螺栓大小和木板厚度這三個(gè)參數(shù)對(duì)鋼木梁進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，螺栓間距對(duì)鋼木梁力學(xué)性能影響較小，其余兩個(gè)變量影響較大，螺栓直徑越大，鋼木梁的承載力越高。木板對(duì)鋼梁能起到很好的約束作用，減小鋼梁的變形。

2018年，張海燕[8]通過(guò)輕型薄壁鋼包矩形木的方式設(shè)計(jì)了一種鋼木組合梁，鋼木梁的協(xié)調(diào)工作性能較好，抗彎承載力、抗彎剛度和延性均優(yōu)于純木梁和純鋼梁。

綜上所述，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了幾種鋼木組合梁，并分別開(kāi)展了相關(guān)的試驗(yàn)、數(shù)值模擬分析，或采用兩種方式相結(jié)合的方式研究了鋼木組合梁的抗彎性能。但是，研究表明，鋼木組合梁還存在一些不足之處：需要采用良好的連接方式，避免鋼板和木材的相對(duì)滑移;研究清楚鋼木組合梁的破壞機(jī)理，針對(duì)不同的組合形式和連接方式給出理論的計(jì)算公式;數(shù)值模擬過(guò)程中的節(jié)點(diǎn)、滑移等的模擬方式需要進(jìn)一步準(zhǔn)確建立。

2.2 鋼木組合柱的研究現(xiàn)狀

2016年，對(duì)于一個(gè)十字形鋼柱和一個(gè)使用螺栓連接的鋼木組合柱，潘福婷等[9]通過(guò)數(shù)值模擬的方式對(duì)比分析了該構(gòu)件的力學(xué)性能。鋼柱發(fā)生失穩(wěn)破壞，破壞時(shí)其破壞強(qiáng)度還未達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度的一半，而鋼木柱破壞強(qiáng)度超過(guò)其屈服強(qiáng)度，說(shuō)明木板可以有效提高鋼材的穩(wěn)定性。

2018年，趙東拂等[10]對(duì)鋼木組合柱設(shè)置了三組對(duì)照試驗(yàn)，主要用有限元模擬的方式選擇合適的鋼筋綴件細(xì)部尺寸，再通過(guò)改變鋼片的尺寸和綴件是否與木梁接觸這兩個(gè)變量的方式進(jìn)行鋼木組合柱抗震性能試驗(yàn)研究和有限元分析。三組試驗(yàn)結(jié)果得到的滯回曲線(xiàn)相差較大，證明這三個(gè)變量對(duì)此組合柱的抗側(cè)移性能有較大的影響。

2019年，王俊人等[11]將落葉松木用膠接的方式粘貼在H型鋼的翼緣上，采用正交試驗(yàn)的方式設(shè)計(jì)了四組鋼木組合柱構(gòu)件，并對(duì)其進(jìn)行偏壓試驗(yàn)，結(jié)果木板和鋼材膠接部分開(kāi)裂，鋼材發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2019年，李建春等[12]以螺栓間距、長(zhǎng)細(xì)比、鋼板厚度和預(yù)應(yīng)力度為參數(shù)，對(duì)13根預(yù)應(yīng)力鋼-木組合柱和1根純木柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，研究了其受力性能，給出了最優(yōu)的組合方式。

國(guó)內(nèi)鋼木組合柱的組合方式有兩種，一種以木材為主要的受力構(gòu)件，鋼材包裹在其外或鋼綴件作為連接件，以增大木柱的軸心受壓強(qiáng)度，主要的研究方式是通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式;另一種以鋼材作為主要骨架，木材包裹在其外，通過(guò)試驗(yàn)或數(shù)值模擬的方式研究柱的穩(wěn)定性。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)鋼木組合柱的研究較少，存在很多缺陷：需要采用良好的連接方式來(lái)保證鋼材和木材的協(xié)調(diào)工作性;合理利用鋼材的強(qiáng)度高、木材能為鋼材提供良好的側(cè)向支撐這一優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)合理的截面形式;在數(shù)值模擬過(guò)程中，鋼材和木材的連接以及滑移應(yīng)采用最佳約束方式;沒(méi)有準(zhǔn)確確定鋼木組合柱承載力的計(jì)算公式，要根據(jù)鋼木組合柱的連接方式、組合形式和不同的受力階段來(lái)確定其計(jì)算公式。

2.3 鋼木組合其他構(gòu)件的研究現(xiàn)狀

2014年，何敏娟等[13]研究了鋼木組合樓蓋在彈性狀態(tài)下的平面內(nèi)剛度和水平荷載的分配方式，分別對(duì)無(wú)樓蓋、鋼木組合樓蓋及在鋼木組合樓蓋上澆筑水泥砂漿的兩跨木柱鋼梁框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水平加載試驗(yàn)，通過(guò)量化樓蓋平面剛度的方式研究了平面內(nèi)剛度對(duì)分配水平荷載的影響。

2014年，馬仲等[14]又對(duì)分別平行和垂直于擱柵加載時(shí)的鋼木組合樓蓋的抗側(cè)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種擱柵加載均為剪切破壞，無(wú)論是哪種加載方式，其延性系數(shù)都高于美國(guó)有關(guān)規(guī)范的建議值，但垂直于擱柵加載時(shí)，其耗能能力是大于平行加載的。

2015年，方超[15]研究了膠接和螺栓連接對(duì)鋼木組合構(gòu)件靜力力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，無(wú)論是膠粘連接還是將兩種方式相結(jié)合連接的構(gòu)件均為脆性破壞，破壞均由粘膠控制。

2017年，劉洋等[16]針對(duì)鋼木組合剪力墻的抗側(cè)性能，對(duì)一個(gè)鋼框架進(jìn)行了單調(diào)加載試驗(yàn)，并針對(duì)兩組OSB板不同厚度的剪力墻做了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)墻體的滯回性能、抗側(cè)性能、耗能能力、延性等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于鋼框架來(lái)說(shuō)，OSB木板的加入能有效增加墻體的抗側(cè)性，木板厚度越大，抗側(cè)性就越好，但鋼木組合剪力墻的耗能能力并未達(dá)到理想狀態(tài)。由于自攻螺釘?shù)娜毕荩诩袅ζ茐臅r(shí)，自攻螺釘發(fā)生嚴(yán)重的滑移和翹曲，但鋼板損壞木板完整，說(shuō)明木板和鋼框架的協(xié)同工作能力較差。

我國(guó)對(duì)于鋼木組合其他構(gòu)件研究較多的是鋼木組合樓蓋和剪力墻的抗側(cè)性能，同時(shí)還對(duì)鋼木組合連接節(jié)點(diǎn)有所涉及，這些研究均是基于試驗(yàn)研究的。樓蓋最重要的特征是平面內(nèi)剛度，影響因素較少，研究效果較好。剪力墻存在的主要問(wèn)題是連接問(wèn)題，鋼材和木材不能很好地協(xié)同工作，試驗(yàn)結(jié)果不能達(dá)到預(yù)期效果。

3 待解決的問(wèn)題

3.1 鋼木組合結(jié)構(gòu)的推廣

目前，鋼材的產(chǎn)量豐富，市場(chǎng)供大于求，造成鋼材價(jià)格低廉，同時(shí)人們過(guò)于依賴(lài)鋼筋混凝土，不易接受其他建材，認(rèn)為木材價(jià)格高昂，不經(jīng)濟(jì)，力學(xué)性能差，所以如何推廣鋼木組合結(jié)構(gòu)就成了一個(gè)問(wèn)題。

3.2 鋼木組合結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性

鋼材和木材的彈性模量和線(xiàn)膨脹系數(shù)相差較大，這就造成如果沒(méi)有合理連接和組合方式，鋼材和木材就不會(huì)協(xié)調(diào)工作。所以，要充分研究鋼木組合結(jié)構(gòu)連接處的受力性能、破壞機(jī)理，設(shè)計(jì)出可靠的連接和組合方式，以保證鋼材和木材協(xié)調(diào)工作。

3.3 鋼木組合結(jié)構(gòu)的耐火性

木材具有可燃性，燃燒過(guò)程中會(huì)釋放大量熱量，火場(chǎng)中心溫度可達(dá)1 200 ℃，火勢(shì)蔓延非常迅速[17]。雖然木材在燃燒的過(guò)程中會(huì)被炭化，形成一層保護(hù)膜，但是保護(hù)膜發(fā)揮作用的時(shí)間很短，很快就會(huì)被完全燒毀。鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限值僅為15 min。鋼材和木材的耐火性能都較差，給鋼木組合結(jié)構(gòu)做好防火措施是結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

鋼木組合作為一種綠色的新型組合形式，應(yīng)該被大力推廣來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的建造模式，是我國(guó)打造綠色建材和裝配式建筑的一種有效手段。我國(guó)目前對(duì)于鋼木組合結(jié)構(gòu)的研究還處于初步階段，還需要不斷地攻克難題，探索鋼材和木材最合理的組合形式（包括截面形式和鋼材與木材的用量），研究?jī)煞N材料最佳的連接方式，使組合結(jié)構(gòu)避免滑移，協(xié)同工作。解決這些問(wèn)題是我國(guó)發(fā)展鋼木組合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

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