木結構橋梁的發(fā)展和應用

姚曉榮 葉蘭洲

摘 要：本文針對木結構橋梁的特點，對木結構橋梁的先進技術進行了介紹，使大家對木結構橋梁有全新的認識。同時，本文對木結構橋梁在國外的發(fā)展和應用進行了系統介紹，希望能為相關學者提供參考。

關鍵詞：木結構橋梁;發(fā)展;應用

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.08.075

1 木結構橋梁的特點

橋梁是人與自然溝通的重要媒介，在人類文明進化史中起到了舉足輕重的作用，尤其是在自然環(huán)境中人們更愿意在木結構中駐足停歇欣賞。在對橋梁進行設計時，人們也更希望可以將其外形、使用功能和視覺效果與自然環(huán)境很好的融為一體。近100多年以來國外，如美國、加拿大、澳大利亞、日本、瑞典、挪威等國家在木結構橋梁設計和應用上開展了深入而系統的研究，在規(guī)范標準、木材加工、構件連接、木材防腐等方面都取得了諸多成果和進步。

現代木結構橋梁在原始木結構橋梁基礎上引入現代木結構加工、連接以及防腐等技術。因此，現代木結構橋梁除了擁有普通木結構橋梁的優(yōu)點外還具有其特有的特點：（1）先進的加工技術，降低木材固有缺陷的影響，提高木構件尺寸穩(wěn)定性且擴大其適用范圍;（2）構件連接技術先進，如指節(jié)和鋼球節(jié)點連接等使得木構件擺脫了尺寸限制;（3）先進的防腐技術，目前真空加壓防腐技術的進步使得木結構的使用壽命大大延長，使用環(huán)境也越來越廣泛，而且改變了人們對傳統木結構的認識。

1.1 木構件加工技術

木材是由于是一種天然的建筑材料，其本身的強度和外觀受其生長過程中產生的如木節(jié)、蟲蛀、扭曲以及腐蝕等影響。而且由于受當時木結構加工技術限制，早期的木結構橋梁大都采用原木或者鋸木，所以早期木結構橋梁耐久性較差，而且其使用性能受木材固有缺陷制約和天然尺寸影響特別明顯。20世紀70年代開始，先進的木結構加工技術在國外逐漸興起，其中應用最為廣泛和成熟的是層狀膠合技術，它能按木構件不同部位的應力要求配置不同等級的木材，將木材缺陷剔除或勻至各層，構件的長度和截面尺寸可按需制作而不受木材天然尺寸的限制，并能膠合成受力合理的工字形截面、箱型截面，乃至按設計要求膠合成各種曲線形構件，木構件實現了工廠化生產，使木結構獲得了更加多樣化、均質化的構件來源。

此外，為了提高木結構間的整體性，預應力技術逐漸被應用到木結構中，其中應用最廣泛的是應力疊合橋面板。預應力的引入不但提高了木結構橋梁使用性能，而且加強了木構件間聯系，使之整體受力，提高木結構橋梁整體受力性能。

木材是一種各向異性材料，為了提高木構件的雙向力學性能，交錯疊合（cross laminated）技術已經在國外興起。目前該技術已經被澳大利亞和美國成功在木結構橋梁上進行使用。

現代的木材加工技術使得木結構橋梁產生了較快的發(fā)展，這種促進作用主要表現在如下幾方面：（1）木材受固有缺陷的影響越來越小;（2）受力性能得到提高，如整體性和雙向力學性能;（3）增大木結構尺寸，克服木結構尺寸受樹木尺寸限制的缺陷。

1.2 連接技術

受木材天然尺寸的限制或結構受力構造的要求，木結構橋梁常需要拼合、接長和節(jié)點連接等連接方法。連接是木結構橋梁的關鍵部位，設計和施工要求應嚴格，傳力應明確，韌性和緊密型應良好，構造、制作和質量檢查應方便。以前在對木構件進行連接時，用到的主要連接方式有齒接、榫接以及螺栓和釘連接。隨著現代木結構橋梁的發(fā)展，橋梁跨徑不斷增長，對木構件之間的連接也提出了更高的要求，更多新型的適應現代木結構連接方式的連接形式被應用到木結構橋梁上。指接技術的出現實現了木結構的無縫連接。木結構節(jié)點連接承載板連接實現了木結構多構件間連接，安全可靠。此外一些新型鋼—木連接件逐漸興起，推動鋼-木組合結構橋梁的發(fā)展，擴展現代木結構橋梁適用跨徑。

1.3 防腐技術

木材的防腐技術近些年取得了很大的進步，處理工藝越來越先進，木材的防腐已經不再是限制木材在橋梁結構中應用的主要因素。木材在經過防腐處理以后，木構件的質量得到提高，木材的使用來源也原來越廣泛，從而使得木結構橋梁的變得更經濟，從防腐木材在木結構橋梁的應用效果上來看是非常不錯的。而且隨著防腐木的使用，木結構橋梁的結構的使用壽命得到了延長，使用環(huán)境也產生了很大變化。目前對木材進行防腐處理采用的最科學、最常用的方法是加壓浸注處理法。此外，外國防腐規(guī)范也逐漸完善，美國AWPA協會制定的防腐標準中，當木材進行防腐處理時都對相應的處理工藝，不同木材品種、不同的使用條件下的防腐劑該如何進行使用，每次使用后該用多少量，最終在木材中保留多少等都有著明確的要求。在其他國家，如加拿大、日本、澳大利亞、歐洲等一些國家也都相應的出臺規(guī)范。

2 木結構橋梁在國外的發(fā)展

在國外，木結構橋梁近些年取得了較快的發(fā)展，從結構形式上來看，木結構橋梁的從傳統的鋸木梁橋發(fā)展到應用了膠合技術的木T梁、工字梁以及應用了預應力技術的預應力板梁橋;從結構形式上來看木結構橋梁從從簡支梁橋發(fā)展到桁架橋、桁架拱橋、斜拉橋和異型橋;橋面板從鋸木板、螺釘疊合木橋面板發(fā)展到應力疊合木橋面板、交錯疊合木橋面板、鋼—木組合橋面板、FRP木橋面組合結構等多種形式的橋面板。美國的AASHTO，加拿大的CSA以及歐洲規(guī)范對木結構的設計、材料的選用、荷載組合形式、撓度計算、木構件的連接、橋面鋪裝的設計以及橋梁結構的耐久性都進行了相應的規(guī)定，在木結構橋梁設計中起到了相當重要的作用。

上世紀八十年代，木橋有如下發(fā)展：應力疊合技術與如單板層積材之類的新型木產品的聯合使用，組合成一些富有創(chuàng)新的結構體系如T梁組合橋面板和箱形組合橋面板，以及后張應力疊合木橋面板的發(fā)展，它使橋面板從由連接不緊密的獨立板變成一個剛性連續(xù)結構。隨著這些發(fā)展，木材作為橋梁建筑材料在公路中的應用等級逐步提高。目前，由于木結構性能的提高以及應力疊合木橋面板使用壽命變長等原因，木材已經應用到了交通量較大的高等級公路中。

國外關于木橋的建造，從歷史的角度看，大致也經歷了一個由簡入繁的發(fā)展過程。只是與國內不同的是，十八世紀以后，木桁架橋以及桁架拱在國外建造較多。例如，美國在開國之初，也就是十八世紀中葉后的一百年間，因為美洲大陸森林很多，木材資源豐富，所以建造了很多木橋。美國早期木橋多半是拱橋，后來是拱加勁的梁和桁架。

3 木結構橋梁在國外的應用

隨著防腐技術、連接技術和制作加工工藝的發(fā)展以及森林資源的豐富，木結構橋梁得到迅速發(fā)展，結構形式也實現了多樣化，出現了如拱橋、桁架橋、斜拉橋、懸索橋以及異形結構木橋等復雜形式，使得木結構橋梁擺脫了傳統思想的禁錮，開啟了現代木結構橋梁發(fā)展的新里程。

現代木結構橋梁主要結構形式有：梁橋、拱橋、桁架橋、廊橋以及造型各異的異型橋等。所用木梁和橋面板的形式也從原始的鋸木發(fā)展到了現代螺釘疊合木、層板膠合木以及應力疊合木等集成材。

（1）木結構梁橋。木結構梁橋是木橋中應用最普遍的一種結構形式，其自重輕、結構形式簡單，對運輸和吊裝設備要求低，制作安裝方便，施工迅速。

（2）木結構拱橋。拱橋由于其造型優(yōu)美，因此受到了各國工程師的青睞，事實上正是由于大量木拱橋的修建，將古代木橋帶入一個鼎盛的時期?，F代木拱橋采用與一般拱橋的結構形式，拓展了木拱橋的使用形式，簡化了其施工工藝。出現了三鉸拱等結構形式，如伊格爾里弗大橋和奧爾頓紀念大橋。

（3）木結構桁架橋。桁架的好處是結構比拱簡單，對橋墩不產生推力，應用了三角形不易變形的原理拼搭而成，最終脫離了拱，形成另外一種獨立的結構，即桁架結構，并且由木桁架逐步發(fā)展到鋼桁架。木桁架橋常用交叉腹桿式桁架，即豪氏桁架做主梁，其弦桿和斜桿用木制，豎向腹桿可用圓鋼。

（4）木結構廊橋。木廊橋是一種橋上建廊的木結構橋梁形式，由于廊橋上的房屋狀結構即能作為橋梁的支撐結構又可以保護橋梁免受環(huán)境的影響，而且造型非常美觀，因此非常受歡迎，在我國有2000多年歷史。國內外現存的主要是十九世紀修建的廊橋，如盧塞恩的卡貝爾橋、美國摩根橋、松格羅夫廊橋等。

4 結語

我國木結構橋梁曾經有這輝煌的歷史，近些年發(fā)展較國外有些滯后，但是隨著近幾年相關學者研究的深入木結構橋梁發(fā)展開始回暖，希望通過此文介紹能給相關讀者以借鑒。

參考文獻

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