膠合木空間網格結構研究進展與展望

劉紅波，趙敬賢，邱 燦，趙仕興，楊姝恒，何 飛，陳志華

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2.河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038;3.四川省建筑設計研究院有限公司，四川 成都 610000)

2020年9月22日，習近平總書記在聯(lián)合國大會一般性辯論上鄭重宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放量力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”[1]，以“低能耗、低排放、低污染”為基本特征的低碳經濟逐漸成為各行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。在當前，建筑能耗已成為與工業(yè)能耗、交通能耗并列的三大能耗之一，木材這種綠色建材以其低碳價值得到了越來越多的關注。近年來，隨著木材產業(yè)工業(yè)化程度的提高和制造技術的成熟，各類工程木產品的出現破除了木材尺寸的限制，為大跨度木結構的發(fā)展奠定了基礎，其中，膠合木以其材性規(guī)格化、尺寸自由化等優(yōu)勢在實際工程中得到了廣泛應用。膠合木是以厚度為20～45 mm的板材，沿順紋方向疊層膠合而成的木制品[2]，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。因制作膠合木層板的過程中通過目測分等或機械分等剔除了大的木材缺陷，使得膠合木缺陷分布更加均勻，因此其強度較原木、方木、鋸材等的強度有較大提升，極大地提高了木材資源的利用率。

本文結合工程實例，對膠合木空間網格結構進行分類總結，分析了不同結構類型的受力特點。作為膠合木空間網格結構的關鍵組成部分，銷式節(jié)點和植筋式節(jié)點是應用最廣泛的兩種節(jié)點，本文對不同節(jié)點的受力機理和關鍵性能進行了總結，并對膠合木空間網格結構整體力學性能研究中存在的關鍵問題進行了探討。

1 膠合木空間網格結構

膠合木空間網格結構是指按照一定規(guī)律布置的桿件、構件通過節(jié)點連接而構成的空間結構，包括網架結構、網殼結構、后成形空間網格結構、互承式結構等。

1.1 網架結構

木網架結構的定義和鋼網架結構類似，是指按照一定規(guī)律布置的桿件通過節(jié)點連接形成的平板型或微曲面型空間桿系結構，主要承受整體彎曲內力[3]。節(jié)點處一般使用鋼連接件，常見的連接方式包括螺栓連接、植筋連接等。木網架結構具有空間剛度大、構件規(guī)格統(tǒng)一等特點，多用于公共建筑中。日本小國町民體育館[4]采用了木網架結構，1988年建造完成，最大跨度達56 m，見圖1(a)。

1.2 網殼結構

木網殼結構是指按一定規(guī)律布置的桿件通過節(jié)點連接而形成的曲面狀空間桿系或梁系結構，主要承受整體薄膜內力[3]。大部分荷載由網殼桿件軸力承受，桿件可以為直線形，也可以為曲線形。網殼造型美觀、受力合理，是大跨度木結構的理想形式。美國塔科馬穹頂[5]采用了球面木網殼結構，直徑達162 m，為目前全球最大的單層膠合木網殼結構，見圖1(b)。

1.3 后成形空間網格結構

后成形空間網格結構可以利用平面網格通過推拉或提升等手段形成空間圍合，又可以細分為兩種方式，一種是可展結構，即通過平面均勻網格提升或推拉成形，解除約束后可以恢復平面形式；一種是不可展結構，同樣也是用板條彎曲成形，但是在空間中組裝，網格尺寸不統(tǒng)一且不可展。曼海姆多功能廳[6]是Frei Otto的代表作，如圖1(c)所示，跨度超過60 m。

1.4 互承式結構

互承式結構的特點是每根構件都被相鄰的構件支承，同時又支承著相鄰的構件，因此互承結構在幾何上和結構上均無主次層次可言，從而形成了一種獨特的建筑美感。在互承結構中，桿件相互搭接，避免了多個桿件交匯于一點，從而簡化了節(jié)點的構造，再加上互承結構是通過桿件之間的相互支撐解決彎矩傳遞的問題，可以利用小尺寸構件實現大跨度結構，因此特別適用于木結構(圖1(d))。

2 膠合木節(jié)點

在膠合木空間網格結構中，節(jié)點通常是結構設計的關鍵因素。按照連接不同方式分類，節(jié)點可以分為銷式連接節(jié)點、植筋連接節(jié)點、榫卯連接節(jié)點、膠連接節(jié)點、齒連接節(jié)點等?？紤]到膠合木空間網格結構對節(jié)點傳力明確、受力可靠、安裝便捷的要求，銷式連接節(jié)點(圖2(a)(b))和植筋連接節(jié)點(圖2(c))是目前應用最廣泛的兩種節(jié)點。

2.1 銷式節(jié)點

銷類連接件包括螺栓、螺釘、銷等細長的桿狀連接件，它們承受的荷載與連接件長度方向垂直，故稱為抗剪連接。銷的抗剪是基于銷的彎曲和銷槽木材的受壓，因此具有良好的韌性，其中，螺栓連接和螺釘連接具有連接緊密、韌性好、制作簡單、安全可靠的優(yōu)點，是目前應用最廣泛的連接形式。

銷連接的失效模式是建立銷式連接節(jié)點承載能力計算理論的基礎，目前國際上廣泛采用的是Johansen提出的屈服模式[8]，表1列出了典型單剪連接和雙剪連接的失效模式，包括銷槽承壓破壞(Im、Is、II)和銷屈服(IIIm、IIIs、IV)。

圖1 膠合木空間網格結構工程實例Fig.1 Practical engineering of glulam space frame structures

圖2 典型膠合木節(jié)點Fig.2 Typical glulam connection

表1 銷式緊固件的失效模式Tab.1 Failure modes of fasteners

2.1.1 螺栓連接節(jié)點

對于螺栓連接，木材銷槽承壓強度與木材一般的抗壓強度不同，瞬間荷載作用與長期荷載作用也不同，有學者對單個螺栓受力性能及銷槽承壓強度進行了研究[9-11]，歐洲規(guī)范[12]、美國規(guī)范[13]和中國規(guī)范[2]也綜合考慮上述復雜因素，提出了膠合木中銷軸類緊固件連接的承載力設計值。

在實際工程中，考慮到桿件通常承擔軸力、彎矩和剪力的復合作用，因此關鍵節(jié)點連接通常采用螺栓群的布置形式，對于此類節(jié)點，每個螺栓承擔的荷載并不完全相同，有學者針對膠合木螺栓連接節(jié)點的靜力性能[14-17]和動力性能[17-18]進行了研究，發(fā)現螺栓連接的承載能力和失效模式與初始裂紋[14,18]、加載方向[15]、螺栓布置[16-17]和幾何尺寸[16]有關。使用小直徑螺栓可以實現相對較大的耗能性能和延性，在螺栓連接的膠合木節(jié)點中首選細長螺栓以避免脆性破壞[17]。轉動中心的選取是膠合木螺栓連接節(jié)點理論計算中的關鍵問題，在加載過程中，膠合木梁段并不是繞某一固定的中心轉動，這個轉動中心會隨著荷載的增加而改變，祝恩淳等[19]提出瞬時轉動中心法能準確計算螺栓節(jié)點的受彎承載力，但是瞬時轉動中心的位置需要經過迭代計算確定，有學者提出簡化考慮方法，假設旋轉中心在接觸面與擠壓區(qū)側外排螺栓水平線交界處，采取折減系數來考慮由此帶來的偏大影響[18]。

現有膠合木空間網格結構中的節(jié)點主要以鋼板-螺栓連接為主，而隨著結構跨度的增加，桿件軸力顯著增加，節(jié)點可能因木材銷槽承壓剛度有限發(fā)生明顯變形，甚至發(fā)生木材開裂現象，且軸力和剪力對節(jié)點的剛度存在一定的耦合效應，也會影響節(jié)點的半剛性特征，從而對網殼的整體穩(wěn)定性產生影響，因此對此類半剛性節(jié)點的研究具有重要意義。劉志周[20]設計了一種木構件-鋼夾板螺栓連接節(jié)點并進行了軸力荷載作用下的抗彎試驗(圖3(a))，提出了三參數冪函數模型，李牧原[21]針對現代木網殼節(jié)點中鋼材外露、鋼連接件過重的問題設計了一種異型銷式連接節(jié)點(圖3(b))，舒展等[22]考慮了網殼中桿件角度不同，對膠合木螺栓連接節(jié)點進行了研究(圖3(c))，并提出了四折線計算模型。Harada等[23]對節(jié)點的平面內和平面外受力性能進行了試驗研究(圖3(d))，并提出了計算公式。

圖3 螺栓連接節(jié)點受力性能研究Fig.3 Investigation of the mechanical behavior of bolted connections

對于螺栓連接，雖然希望根據規(guī)范要求控制螺栓最小端距、邊距和間距來避免木材的脆性劈裂，但是實際上脆性劈裂現象時有發(fā)生，難以充分發(fā)揮螺栓和鋼板的強度，因此研究人員提出了一系列改進措施。最常用的方法之一就是通過貼層加固螺栓周圍的木材，有多位學者對不同的加固材料進行了研究，包括加密的木基材料(Densified Veneer Wood，DVW)[24]、纖維材料[25]、釘板[26]、高強鋼帶[27]等，發(fā)現貼層加固一方面提升了螺栓周圍木材的承壓能力，另一方面也降低了木材發(fā)生順紋劈裂和列剪切破壞發(fā)生的可能性，從而使得節(jié)點的強度和延性都得以有所提升。將自攻螺釘打入木材，可以傳遞橫紋拉應力和順紋剪應力，有效避免木材開裂，與貼層加固相比，自攻螺釘加固簡單易行，且不會影響結構外觀，研究發(fā)現，加固后節(jié)點的抗彎承載力得到很大提高，但是節(jié)點剛度和耗能能力并未得到明顯改善[28]。除此之外，還有空心銷連接[29]、預應力套管連接[30]等改進措施。

2.1.2 自攻螺釘連接節(jié)點

隨著金屬連接件制作工藝的進步，以及人們對節(jié)點美觀性及施工便利性的追求，自攻螺釘作為一種連接件在現代木結構節(jié)點中的應用獲得了更多的關注，自攻螺釘節(jié)點在保證木結構節(jié)點美觀的同時擁有良好的力學性能，同時自攻螺釘可加強木材橫紋方向受力，減小木材開裂的概率。已有學者對自攻螺釘應用于木-木連接[31-35]、鋼-木連接[35-37]和混凝土-木連接[38]進行了廣泛深入的研究，研究主要集中于自攻螺釘釘入不同材料時的抗剪和抗拔性能，分析了螺釘連接模型界面的破壞模式。

考慮到不同的木材類型[31-34]、螺釘類型[32]、釘入角度[31-33,35-36]和自攻螺釘尺寸[31,33-34,36]，國內外學者對自攻螺釘的拉拔性能進行了廣泛深入的研究，如圖4所示。研究發(fā)現木材種類的變化對節(jié)點的受力性能有一定的影響，但是螺釘類型、釘入角度和嵌入長度等改變顯著影響節(jié)點的破壞模式，提出在垂直于木紋的軸拉和軸壓荷載下，自攻螺釘應垂直于木紋方向設置；當用于受到高剪切應力區(qū)域的加固時，自攻螺釘的軸線方向應盡量與木紋方向呈45°角設置；當用于剪應力和拉應力復合區(qū)域的加固時，自攻螺釘建議垂直于木紋方向設置。

自攻螺釘在木材中的錨固性能是影響木結構中自攻螺釘連接節(jié)點的重要因素，建立合理且適用的自攻螺釘抗拔承載力計算公式是設計該連接的前提，歐洲規(guī)范EC5根據螺釘釘入深度(lef)、螺釘公稱直徑(d)、木材密度(ρk)和螺釘與木材紋理所成的角度(α)等參數來計算“木-螺釘”復合模型中的抗拔力(fαx,k)。大跨度膠合木結構不僅對連接的強度，更是對連接的剛度有了更嚴格的要求，而歐洲規(guī)范EC5中并未給出軸向受力螺釘拔出剛度的計算公式，但一些相關的技術許可文件[39-40]中給出了拔出剛度計算公式，但是現有公式并未考慮自攻螺釘與木紋方向夾角的影響，且難以準確反映不同錨固長度的螺釘拔出剛度。

圖4 不同參數對自攻螺釘連接性能的影響Fig.4 Influence of different parameters on the performance of self-tapping screws

2.2 植筋節(jié)點

作為另外一種在膠合木空間網格結構中常見的連接形式，植筋連接節(jié)點具有承載力和剛度較大、外觀優(yōu)美的優(yōu)點。植筋連接是將帶肋鋼筋插入木材上的預鉆孔中，并注入膠結劑，以傳遞構件間的拉力和剪力的連接方式。為了增強鋼筋和膠之間的機械咬合力，保證節(jié)點承載力和剛度，植入木材中的鋼筋建議采用刻痕鋼筋或螺紋鋼筋。

膠合木的植筋連接是不同材料的復合連接，材料的性能決定了連接破壞的模式，如表2所示，植筋連接節(jié)點存在5種可能的破壞模式：(1)沿桿的剪切破壞；(2)木材的拉伸破壞；(3)木材開裂破壞；(4)植筋桿屈服破壞；(5)塊的剪切破壞(多桿連接)。其中，木材的拉伸和開裂破壞可以采用合理的邊距、端距和間距避免，膠層破壞一般是由于錨固長度過短或植筋材料使用了光圓鋼桿造成的，也可以通過合理的設計避免。植筋在受拉時較為普遍的破壞形式是植筋孔周圍木材沿桿的剪切破壞和植筋桿屈服破壞，因此可以通過增加錨固長度、減小植筋直徑的措施，提高節(jié)點承載力。

目前關于植筋連接，現有研究主要集中在植筋節(jié)點的極限承載力、破壞模式及影響因素的試驗研究，理論分析還不夠系統(tǒng)和完善。總結過去學者完成的有關植筋連接的研究，大多數學者將研究重點集中在單植筋受拉試驗，單根植筋的軸向拉拔強度取決于各種參數，例如錨固長度[41-45]、膠層厚度[41-42]、植筋直徑[43-44]、受力角度[45]、粘合劑類型[46]、植筋類型[46]和工程木類型[46-47]。對于多植筋節(jié)點[48-49]，除了上述失效模式外，還可以觀察到塊剪切失效的破壞模式。許多學者提出了植筋節(jié)點承載力計算的經驗公式，但由于植筋連接試件的制作目前尚未有統(tǒng)一的技術標準，而且木材、膠粘劑、植筋類型等選擇不同，導致各個學者的研究結果并不一致，且木材與膠層和膠層與植筋之間的應力不均勻分布也導致這種復合節(jié)點的承載力和剛度難以被一套公式準確預估。

表2 植筋節(jié)點失效模式Tab.2 Failure modes of glued-in rod connections

圖5 膠合木空間網格結構中的植筋連接節(jié)點Fig.5 Glued-in rode connection in the glulam spaceframe structures

木結構植筋連接節(jié)點在歐洲、澳大利亞和日本等地應用較多。2000年悉尼奧運會會展大樓采用膠合木穹頂結構，跨度為97 m，木構件最大截面尺寸為230 mm×800 mm，木構件之間的連接均為植筋連接。2012年5月，瑞士Rheinsalinen AG公司新的儲鹽大樓Saldome2[50]正式啟用，跨度為120 m，高度為31.6 m,節(jié)點部位均采用植筋連接，如圖5所示。有學者對膠合木植筋連接節(jié)點進行了試驗研究，并研究了此類節(jié)點半剛性對空間網格結構整體力學性能的影響[51-52]。

3 膠合木空間網格結構的力學性能

3.1 靜力穩(wěn)定性和抗震性能

失穩(wěn)破壞是空間網格結構的主要破壞形式，因此穩(wěn)定性分析是膠合木空間網格結構研究中的關鍵問題之一，目前對膠合木空間網格結構穩(wěn)定性的研究主要集中在穩(wěn)定性影響因素和節(jié)點半剛性研究兩個方面。有學者采用有限元的方法，考慮材料非線性和幾何非線性，研究了網殼跨度和矢跨比、桿件截面尺寸、初始幾何缺陷和荷載分布形式的影響[53-54]。See等在研究中發(fā)現，采用半剛性節(jié)點和鉸接節(jié)點的網殼結構，其力學性能與剛接節(jié)點的網殼結構有顯著不同[55]。在鋼空間網格結構和鋁合金空間網格結構領域，有學者對螺栓球節(jié)點單層網殼[56]、焊接空心球節(jié)點單層網殼[57-58]、鋁合金板式節(jié)點單層網殼[59-60]、圓鋼管相貫節(jié)點單層柱面網殼[61]等結構進行了研究，提出了多種彈簧組合模型。目前應用于膠合木網殼的節(jié)點轉動剛度介于剛接節(jié)點和鉸接節(jié)點之間，因此研究節(jié)點半剛性對膠合木網殼穩(wěn)定性能的影響至關重要?，F有研究大多基于節(jié)點試驗結果得到節(jié)點彎矩-轉角曲線，將相應參數輸入有限元分析軟件中，建立考慮節(jié)點半剛性的有限元模型[62-65]，研究發(fā)現，含半剛性節(jié)點的膠合木網殼的整體穩(wěn)定承載力會隨著矢跨比、節(jié)點剛度的增大而提高，隨著初始幾何缺陷和半跨活荷載比例的增大而降低，但是目前尚未提出統(tǒng)一的半剛性節(jié)點彎矩-轉角曲線計算方法。根據《空間網格技術規(guī)程》[66]，鋼空間網格結構塑性穩(wěn)定安全系數為2，彈性穩(wěn)定安全系數為4.2，但是對于木空間網格結構的彈性穩(wěn)定安全系數和塑性穩(wěn)定安全系數尚未有明確的結論。

膠合木材料輕質高強，抗震性能良好，但是膠合木空間網格結構的質量分布特征及阻尼特性都與鋼結構不同，由于所受地震力相對較小，對抗震設防的要求也有所不同，基于性能的抗震目標有待確定，這些需要進一步的理論和試驗研究。目前對膠合木空間網格結構動力特性的研究比較缺乏，現有研究大多采用數值模擬的手段進行分析[66-68]。

為了進一步研究木空間網格結構的靜力穩(wěn)定性和抗震性能，有學者對整體結構進行了一系列靜力試驗[69-73]和動力試驗[73-74]，如圖6所示，研究發(fā)現，全跨荷載作用下，網殼頂點位移最大，且最易發(fā)生整體失穩(wěn)，半跨加載對網殼承載力不利，易發(fā)生局部失穩(wěn)，節(jié)點抗彎剛度的增加有利于提高木網殼的穩(wěn)定臨界荷載。

圖6 木空間網格結構試驗研究Fig.6 Experimental investigation of timber space frame structures

3.2 蠕變特性

在持久應力作用下，材料的應變隨著時間增加而逐漸增大的特性稱為蠕變。木材作為一種天然多孔性高分子聚合物，其蠕變和松弛是在自身復雜的特性和多種環(huán)境條件制約下發(fā)生的現象。對木材蠕變性能的研究可以追溯至20世紀40年代，1947年，Wood首次進行了清材小試件蠕變試驗，總結了強度與時間的關系，即著名的Madison曲線，具體形式為木材發(fā)生蠕變斷裂的應力率與時間的對數成線性關系[75-76]。此后，國內外學者針對荷載模式[77-78]、濕度[79-80]、溫度[81]對蠕變的性能進行了大量的試驗研究。通過對木材的蠕變試驗數據進行總結，Hunt提出了通過短期蠕變試驗數據預測木材長期蠕變的方法，并用8年的蠕變試驗數據對該方法進行了驗證[82]。

蠕變屈曲是指承受壓應力的結構由于蠕變變形的增長導致結構喪失穩(wěn)定的現象，也稱為延遲失穩(wěn)。蠕變屈曲主要是研究結構的變形與時間的關系，以及蠕變屈曲荷載與臨界時間的關系。關于蠕變屈曲的研究根據研究對象可以分為木梁的蠕變屈曲[83-84]、木拱的蠕變屈曲[85-86]、網殼的蠕變屈曲[86-87]、弦支穹頂的蠕變屈曲[88]，以及木-混凝土組合結構[89-90]的蠕變屈曲。有學者在2001—2013年期間對木屋頂進行了長期測量(圖7(a))，發(fā)現變形的實際值很小，結構模型與理論變形模型很好地吻合[91]。有學者提出了能預測單層網殼長期性能的有限元模型(圖7(b))，通過分析揭示了網殼蠕變屈曲載荷與時間的關系，提出了網殼在使用期間的抗蠕變屈曲荷載[92]。

圖7 木空間網格結構蠕變特征Fig.7 Creep characteristics of timber space frame structures

4 結論

本文回顧了膠合木空間網格結構的研究進展和工程實踐，系統(tǒng)介紹了膠合木空間結構中應用的主要節(jié)點的性能和研究現狀，提出了空間網格結構研究應注意的幾個問題，如整體穩(wěn)定性、抗震性能和蠕變特性。但是，仍有如下課題值得研究：

1)木材在建筑行業(yè)的應用不僅迎合國家對低碳發(fā)展的迫切需要，也為大跨度建筑結構的發(fā)展提供了新思路、新契機，但目前我國膠合木材的制備主要依靠國外進口樹種及配套技術進行加工，而對國產樹種，尤其是國產速生木材，制備工藝和物理力學性能的研究，特別是材料疲勞性能、荷載持續(xù)作用效應、蠕變效應等復雜力學性能的研究較少，同時，如何在保證膠合木產品質量的前提下，優(yōu)化膠合木生產工藝，提高材料利用率，降低生產成本，成為一個行業(yè)內關注的熱點問題，對膠合板加工生產、安裝組裝、維護修復工藝等進行升級改造，對于膠合木材這種綠色建材在整個建筑行業(yè)的應用和推廣具有重要的現實意義。

2)鋼-木結構、鋁-木結構等新型組合結構體系的出現和發(fā)展進一步拓寬了木材在建筑工程領域的應用，將不同材料與木材裝配在一起，充分發(fā)揮材料各自的優(yōu)勢，不僅符合我國倡導綠色建筑的理念，可以緩解建筑業(yè)的減碳壓力，而且在鋼、鋁等協(xié)同作用下大大加強了結構整體強度和剛度，在抗震、節(jié)能、防災和裝配式建筑等方面均有很大優(yōu)勢，作為一種新型組合結構，預應力膠合木結構既繼承了節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，又具備輕質高強的結構性能，預應力的引入不僅減少了木材用量，還使得結構更適應大跨度結構的承載需求，因此，對組合結構體系及對應連接件和預應力膠合木結構體系等新型結構體系受力性能的研究具有廣闊的發(fā)展前景。

3)隨著技術發(fā)展和社會進步，木結構建筑向更大跨度、更大高度的發(fā)展是大勢所趨，這也對木結構及其連接節(jié)點的力學性能提出了更高的要求。為避免建筑結構在災害作用下發(fā)生損傷甚至倒塌，導致較大的人員傷亡和經濟損失，推動膠合木在空間結構中的進一步發(fā)展和應用，應當對膠合木空間網格結構的耐久性、抗風、抗火、抗震性能及相應防災減災技術進行深入研究，為膠合木在大跨度空間結構中的應用提供技術支撐，作為結構中的關鍵組成部分，節(jié)點的力學性能至關重要，而針對膠合木節(jié)點疲勞性能、蠕變性能、抗火性能等力學性能的研究尚不完善，此外，膠合木結構中新型減震耗能節(jié)點的研究尚處于起步階段，有待進一步研究。