大跨度膠合木結(jié)構設計探索

馮 遠，龍衛(wèi)國，歐加加，張 彥，廖理安，王立維，楊 文，陳 迪

(中國建筑西南設計研究院有限公司，成都 610042)

0 引言

膠合木是用膠將木層板沿木材順紋方向加壓膠合而成的工程木產(chǎn)品，通常是由四層或四層以上的木層板疊層膠合而成，可被加工成不同的形狀，如變截面構件、弧形或自由曲線形構件等，克服了傳統(tǒng)木構件截面尺寸、長度和形狀受原木的影響。因制作膠合木層板剔除了大的木材缺陷，膠合木缺陷分布更加均勻，因此其強度較鋸材強度有較大提升，實現(xiàn)了木材資源小材大用，極大地提高了木材資源的利用率[1-2]。

膠合木最早起源于歐洲，至今已有100多年應用歷史，在歐洲和北美地區(qū)被廣泛用于大跨結(jié)構，已有諸多實際工程案例，例如：美國塔科馬穹頂體育館，直徑162m，穹頂最高處45.7m；日本小國町民體育館，最大跨度56m；挪威哈馬爾奧林匹克圓形競技場，最大跨度70m；加拿大列治文奧林匹克橢圓速滑館，最大跨度100m[3]。

自20世紀六七十年代，大跨膠合木結(jié)構開始逐漸在我國的一些工程中得到應用。1989年，北京亞運村康樂宮嬉水樂園的60m跨度屋蓋采用了膠合木結(jié)構；同年，四川省江油電廠88m跨度干煤棚也采用了膠合木結(jié)構。近幾年，在國內(nèi)大空間公共建筑采用大跨木結(jié)構的項目更是日漸增多，如已投入使用的長春市民中心游泳館、天津華僑城歡樂谷演藝中心木結(jié)構網(wǎng)殼、太原植物園木結(jié)構、云南太平湖國際會議中心等項目都采用了木結(jié)構屋蓋。

1 大跨度木結(jié)構類型

大跨木結(jié)構的分類方法有很多，根據(jù)使用材料可分為大跨純木結(jié)構、大跨鋼木混合結(jié)構；根據(jù)受力單元可分為桿單元結(jié)構、梁單元結(jié)構、板殼單元結(jié)構；根據(jù)受力方式可分為大跨平面木結(jié)構體系、大跨空間木結(jié)構體系。下文介紹幾種常見的大跨度木結(jié)構類型。

1.1 木桁架結(jié)構

木桁架結(jié)構是由木桿件組成的一種格構式體系，節(jié)點多為鉸接，在外力作用下，桁架中的木桿件以承受軸向力為主。木桁架在新中國成立初期建造的工業(yè)廠房中被廣泛用于屋蓋。根據(jù)桁架下弦所用的材料，木桁架可分為純木桁架和鋼木桁架，其中鋼木桁架通常應用在跨度較大的屋蓋中，通常將下弦桿用圓鋼或型鋼替代，由于木材受拉破壞屬于脆性破壞，且鋼材的強度和彈性模量遠高于木材，采用鋼木桁架可提高桁架的剛度，減小變形，從而實現(xiàn)較大跨度的跨越。木桁架根據(jù)構件的空間布置可以分為空間木桁架和平面木桁架，其中平面木桁架在工程中應用較多，根據(jù)其外形分為三角形、矩形、梯形以及多邊形等類型，具體外形根據(jù)屋面構造、跨度、造型等因素確定。圖1為上海某工程采用的大跨膠合木桁架作為屋蓋承重構件。

圖1 木桁架屋蓋

1.2 木網(wǎng)架結(jié)構

木網(wǎng)架結(jié)構與鋼網(wǎng)架結(jié)構一樣，是由多根木桿按照一定規(guī)律組合而成的空間網(wǎng)格桿系結(jié)構。在節(jié)點處一般使用鋼連接件連接木桿，常見的連接方式有螺栓連接和植筋套筒連接等。木網(wǎng)架結(jié)構具有空間剛度大、構件規(guī)格統(tǒng)一等特點，多用于公共建筑中。木網(wǎng)架結(jié)構桿件以受軸向力為主，材料性能發(fā)揮比較充分[2]。日本小國町民體育館即采用了木網(wǎng)架結(jié)構，1988年建造完成，最大跨度達56m，見圖2。

圖2 日本小國町民體育館木網(wǎng)架

1.3 木網(wǎng)殼結(jié)構

木網(wǎng)殼結(jié)構是指將木構件沿球面或柱面有規(guī)律布置而形成的空間結(jié)構體系，其受力特點與薄殼結(jié)構類似，大部分荷載由網(wǎng)殼桿件軸力承受[1]。木桿可以為直線形，也可以為曲線形來接近球面或柱面的效果。球面網(wǎng)殼的造型美觀、受力合理、跨度大，非常適合運動場等大型公共建筑，是大跨度空間木結(jié)構的理想形式[4]。美國塔科馬穹頂采用了球面木網(wǎng)殼結(jié)構，直徑達162m，建筑物最高處達45.7m，由三角形木網(wǎng)格組成，主要構件采用彎曲形，通過鋼夾板節(jié)點連接，用木檁條支撐屋面，于1980年建成，為目前全球最大的單層膠合木網(wǎng)殼結(jié)構，見圖3。

圖3 塔科馬穹頂木網(wǎng)殼

1.4 木拱結(jié)構

木拱結(jié)構是一種主要承受軸向壓力并由兩端推力維持平衡的曲線形平面結(jié)構，是實現(xiàn)大跨度較為經(jīng)濟的結(jié)構體系。木拱結(jié)構可以充分發(fā)揮材料性能。水平推力的存在有效地降低了構件彎矩，從而使木拱能夠充分發(fā)揮木材受壓的性能。同時，構件截面內(nèi)的豎向壓力分量平衡了結(jié)構的整體剪力，使結(jié)構內(nèi)部剪應力減小，應力分布均勻，因而木拱結(jié)構同樣是大跨度木結(jié)構的理想形式。膠合木是制作木拱結(jié)構的理想材料，可以實現(xiàn)大跨度木拱所需要的較大截面，同時，膠合木可以方便地制作成曲線形構件，滿足幾何形狀要求。圖4為四川省江油電廠干煤棚膠合木拱結(jié)構，膠合木拱結(jié)構跨度為88m，拱高為27m，拱截面寬為230mm、高為1.625m，由兩塊寬為115mm的弧形膠合木構件用螺栓拼合而成。從拱頂分為兩個半拱作為吊裝施工單元，然后用鋼板和螺栓進行安裝連接。拱腳置于約6m高的鋼筋混凝土支墩上。

圖4 四川省江油電廠干煤棚膠合木拱結(jié)構

1.5 木張弦結(jié)構

木張弦結(jié)構由剛度較大的剛性木構件、柔性鋼索以及鋼撐桿或木撐桿組成。木張弦梁是較為常見的木張拉結(jié)構，它主要由三部分組成，分別是剛性木梁、柔性索和撐桿。剛性木梁也可為木拱或木桁架，撐桿可以由鋼桿或木桿制成。柔性索一般為鋼索，張弦結(jié)構中鋼拉索參與工作，使木張弦構件剛度大于單純剛性構件的剛度，同時調(diào)整了木構件的內(nèi)力分布，可以使木材強度得到充分發(fā)揮。木張弦結(jié)構為自平衡受力體系，需要鋼弦在木構件端部可靠錨固[5-6]。木張弦結(jié)構也被廣泛應用于大跨度的體育場館、會議廳、展館等建筑。圖5為長春全民健身中心游泳館木張弦結(jié)構。

圖5 長春全民健身中心游泳館木張弦結(jié)構

2 工程應用探索

2.1 青島膠東國際機場航站樓指廊屋蓋膠合木結(jié)構選型設計

青島膠東國際機場航站樓由大廳和5個指廊組成，指廊屋蓋面積約9.4萬m2，見圖6。指廊中A，B區(qū)指廊長360.1m，寬22.9～38.6m；C，D，E區(qū)指廊長395.0m，寬40.3～55.4m。原始建筑方案指廊屋蓋擬采用膠合木結(jié)構。

圖6 青島膠東國際機場航站平面圖

結(jié)合建筑美觀及經(jīng)濟性對指廊膠合木屋蓋進行了交叉網(wǎng)格和平行弦兩大類共6個方案的比較分析(圖7)，見表1。同時對每個膠合木方案還進行了相同布置的鋼結(jié)構對比分析。各方案的結(jié)構變形、內(nèi)力、構件尺寸以及材料用量詳見表2和表3。

圖7 指廊膠合木屋蓋方案

根據(jù)上述結(jié)構分析，結(jié)合建筑造型要求，選擇方案1膠合木屋蓋作為實施方案，圖8為方案1膠合木屋蓋效果圖。但最終因各種原因，指廊屋蓋采用方案1鋼結(jié)構屋蓋替代了膠合木方案。

圖8 方案1膠合木屋蓋效果圖

2.2 鄭州奧體中心游泳館屋蓋膠合木結(jié)構設計

鄭州奧體中心游泳館平面尺寸為220m×102m，包括訓練區(qū)、比賽區(qū)和觀眾休息區(qū)三個部分，見圖9。根據(jù)不同分區(qū)的使用環(huán)境和跨度，采用了不同的屋蓋結(jié)構形式?？紤]游泳區(qū)受氯離子水氣影響，比賽區(qū)和訓練區(qū)屋蓋采用膠合木屋蓋。訓練區(qū)屋蓋跨度34.500m，采用膠合木密肋梁；觀眾休息區(qū)屬于干燥區(qū)，采用鋼結(jié)構屋蓋。

不同方案的膠合木屋蓋結(jié)構布置 表1

采用膠合木屋蓋結(jié)構計算結(jié)果 表2

采用鋼結(jié)構屋蓋結(jié)構計算結(jié)果 表3

圖9 游泳館屋蓋結(jié)構平面示意圖

比賽區(qū)屋蓋的跨度最大，達64.750m，且兩端支座標高不一致。針對屋蓋特點，提出了一種新型的交叉張弦膠合木網(wǎng)格屋蓋結(jié)構，由膠合木桁架上弦、下弦、豎腹桿、鋼拉桿及鋼拉索等組成，詳見圖9～11。

圖10 游泳館比賽區(qū)交叉張弦膠合木網(wǎng)格屋蓋效果圖

該屋蓋的膠合木桁架上弦交叉布置，提供了較好的面內(nèi)剛度(圖12(a))；膠合木桁架下弦陣列平行布置，空中有兩點與上弦相交(圖12(b))；桁架斜置豎腹桿采用膠合木或鋼桿，連接上下弦，形成空間桁架結(jié)構(圖12(c))；兩端部的斜向鋼拉桿和中部下弦索提高結(jié)構的抗剪能力、豎向剛度及承載力(圖12(d))。

圖12 交叉張弦膠合木網(wǎng)格構成圖

游泳館比賽區(qū)屋蓋選型時，對三種不同的結(jié)構方案進行了分析比較。其中方案A為上述實施的屋蓋體系；方案B為鋼結(jié)構，布置與方案1相同；方案C將方案1中部的鋼拉索取消。同時對膠合木方案，考慮構件運輸長度不超過17m，桁架下弦現(xiàn)場拼接點按剛接節(jié)點和鉸接節(jié)點進行計算。三種方案的結(jié)構參數(shù)見表4，力學性能分析對比見表5。

由計算分析可知，三個結(jié)構模型都是可行的，所有指標均滿足規(guī)范要求；取消中部鋼拉索的結(jié)構豎向剛度損失較多，需要較大幅度地加大構件截面。

不同屋蓋結(jié)構方案參數(shù) 表4

不同屋蓋結(jié)構方案計算結(jié)果 表5

2.3 四川航空基地活動中心屋蓋膠合木結(jié)構設計

四川航空基地活動中心(簡稱川航活動中心)主要用途為籃球、羽毛球和乒乓球場。川航活動中心屋蓋平面投影為橢圓形，長軸82.4m，短軸48.4m，采用交叉張弦膠合木拱結(jié)構,交叉木拱最大矢高為4.05m，最小矢高1.4m，下弦索垂度2m，最大矢跨比約為1/12，見圖13～15。

圖13 屋蓋俯視圖

圖14 屋蓋側(cè)視圖

圖15 交叉張弦膠合木拱結(jié)構

川航活動中心木拱采用花旗松膠合木，強度等級為TCT32，截面為240mm×750mm，鋼拉索為φ48的1 670MPa級高釩索，鋼撐桿截面為φ133×4，鋼系桿截面為φ133×4。結(jié)構靜力分析結(jié)果見表6。木拱最大應力比為0.44。

川航活動中心屋蓋結(jié)構計算結(jié)果 表6

對屋蓋結(jié)構進行整體穩(wěn)定屈曲分析，考慮結(jié)構初始缺陷的雙非線性屈曲荷載系數(shù)為3.25，屈曲模態(tài)為中間榀木拱的面外屈曲。圖16為建成實景圖。

圖16 川航活動中心屋蓋建成實景圖

2.4 新疆石河子體育公園游泳館屋蓋膠合木結(jié)構設計

新疆石河子體育公園游泳館及附屬配套總建筑面積為14 333m2，為乙級中型游泳館，包括比賽池、熱身池、大小戲水池等。游泳館平面呈梭形，主體結(jié)構平面尺寸約為230.5m×88.2m。地下兩層，地上兩層，屋蓋結(jié)構最高點約22.610m。游泳館屋蓋分為南北側(cè)：北側(cè)為主門廳，屋蓋采用鋼結(jié)構；南側(cè)為水上功能區(qū)(圖17)，屋蓋采用膠合木斜柱張弦梁三鉸拱架結(jié)構(圖18)。南側(cè)膠合木屋蓋跨度為38.5～69.8m，其中膠合木張弦梁跨度為32.0～57.5m。膠合木強度等級為TCT32，張弦梁上弦為雙拼膠合木梁，截面為400×1 000～400×1 400，鋼拉索為1 670MPa級密封鋼絲繩，截面采用φ66和φ72兩種規(guī)格。膠合木斜柱也為雙拼，截面為400×1 200～400×1 400。

圖17 南側(cè)膠合木屋蓋

計算分析結(jié)果為：膠合木梁最大應力比0.77，膠合木柱最大應力比為0.60；考慮結(jié)構初始缺陷的雙非線性極限荷載系數(shù)大于2.5。滿足設計要求。

3 大跨度木結(jié)構設計需要完善的幾點問題

3.1 結(jié)構用木材本構模型

木材是一種天然生長的纖維束非均質(zhì)材料，其材料的力學性能離散性大，且各向異性。木材的力學特性與諸多因素有關，如樹種類型、木材含水率、構件尺寸大小等，確定合理的本構模型是大跨木結(jié)構有限元分析的關鍵。木材在順紋受拉時的破壞表現(xiàn)為脆性斷裂，其應力-應變呈線性變化，可視其存在線性的本構關系；但在順紋受壓時的應力-應變曲線表現(xiàn)為非線性，存在軟化階段；橫紋受壓時，木材又會被壓密導致硬化，總體來看，木材的受壓性能本構關系較受拉復雜，呈非線性關系[7]。要正確認識木材各向異性，抗拉、抗壓強度不等，受拉或受剪時發(fā)生脆性破壞，受壓時發(fā)生塑性變形等特性。針對不同問題，研究人員提出了單軸和多軸受力狀態(tài)下，考慮彈塑性、粘彈性、機械吸濕、損傷等多種因素的本構模型[8]，但目前還未有公認的統(tǒng)一木材本構模型。在工程實踐中，將結(jié)構構件的應力水平控制在彈性階段，當對大跨木結(jié)構進行整體分析時，可采取木材的單向本構模型，選取理想彈塑性模型，該模型纖維單元對木結(jié)構受彎的模擬比較準確。但在進行節(jié)點分析時，為了模擬木材的屈服和破壞，還需要采用三向本構模型。因三向本構模型復雜，需要針對所分析的構件尺寸和選用材料，通過試驗去獲得，參數(shù)眾多，成本較高。因此研究一種簡化且統(tǒng)一的木材本構模型，是亟待需要解決的問題，可使計算結(jié)果在保證精度的前提下，設計工作更加高效和易用。

3.2 節(jié)點力學性能研究

節(jié)點連接設計是木結(jié)構設計的關鍵部分。對大跨木結(jié)構建筑，通常木構件長度較大，會受到道路運輸限制，需要在工廠對構件進行分段，然后運輸至現(xiàn)場進行連接，連接節(jié)點就尤為重要。大跨木結(jié)構的節(jié)點形式主要有鋼插板(夾板)螺栓(銷)節(jié)點、植筋節(jié)點、長自攻螺釘節(jié)點等。這些節(jié)點通常都為半剛性節(jié)點[9]。關于節(jié)點的力學性能，國內(nèi)學者已開展了大量的試驗和理論研究，研究主要集中在節(jié)點的破壞模式、彎矩-轉(zhuǎn)角關系等方面，并對特定的節(jié)點形式提出了承載力和剛度計算方法[10-11]。由于木材自身材性復雜，節(jié)點的力學性能受構件木材密度、尺寸、構造等諸多因素的影響，所以節(jié)點的通用性還有待進一步研究。

3.3 蠕變和濕度的影響研究

木材的力學性能會隨時間發(fā)生變化，尤其是在高應力水平的持續(xù)作用下，木結(jié)構會發(fā)生蠕變。設計時，需選取合適的結(jié)構體系以減少蠕變對結(jié)構整體性能的影響，同時采取相應的構造措施減少蠕變的影響[12-13]。另外木材材性會受環(huán)境影響,尤其是濕度影響。環(huán)境濕度的變化會導致木結(jié)構幾何尺寸發(fā)生細微變化，可能會使結(jié)構和結(jié)構受力有變化[14]。因為木材不受氯離子的影響，所以游泳館中使用木結(jié)構作為大跨屋蓋具有優(yōu)勢，但因木材干縮濕漲的特性，游泳館采用木結(jié)構時應考慮濕度對結(jié)構受力性能的影響。膠合木蠕變和干縮濕漲問題需要進一步研究。

3.4 整體穩(wěn)定屈曲分析

目前，國內(nèi)尚未有針對大跨木結(jié)構整體穩(wěn)定屈曲分析的相關規(guī)范。結(jié)構設計時，一般參照行業(yè)標準《空間網(wǎng)格結(jié)構技術規(guī)程》(JGJ 7—2010)[15]中大跨鋼結(jié)構的計算方法，對大跨木結(jié)構進行整體穩(wěn)定屈曲分析，其彈塑性屈曲安全系數(shù)K取為2.0。該方法及取值是否合理，還需開展進一步研究工作。

4 結(jié)語

木材作為一種低碳、溫暖、有生命力的建筑材料，可為建筑師提供更多的創(chuàng)作空間。在國家“3060目標”雙碳背景下，木結(jié)構因其綠色低碳的特點，也受到越來越多建筑師的關注，如東京奧運會的多個體育場館采用了大跨度膠合木結(jié)構建造，國內(nèi)近幾年也有越來越多的大跨度膠合木結(jié)構在公共建筑項目中落地實施。與此同時，大跨木結(jié)構結(jié)構設計理論和技術完善是支撐現(xiàn)代大跨木結(jié)構發(fā)展的基礎，國內(nèi)需要開展更多的研究工作來推動大跨度膠合木結(jié)構的發(fā)展。