鋼木組合結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用與發(fā)展

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（安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230088）

1 概 述

在眾多建材中，木材是惟一可再生且能夠多次循環(huán)利用的天然材料。木材除了給人舒適、溫暖、具有親和力的感受之外，同時(shí)還給人帶來(lái)健康的生活環(huán)境。同時(shí)，木材作為一種建筑材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能好、易加工等特點(diǎn)，相比較鋼材，其在高溫下的強(qiáng)度損失較小，因而木結(jié)構(gòu)建筑在世界上許多國(guó)家應(yīng)用已很普遍。尤其伴隨著現(xiàn)代科技和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，木結(jié)構(gòu)從取材、加工、設(shè)計(jì)、安裝均已融入了科技成分，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑已成為傳統(tǒng)營(yíng)造概念和現(xiàn)代科技的完美結(jié)合物[1-2]。雖然木材的優(yōu)點(diǎn)很多，但也有易變形、質(zhì)地不均勻、明顯的各向異性等天然缺陷。木材在順其生長(zhǎng)方向上的纖維長(zhǎng)度及強(qiáng)度較徑向大得多。這決定了木材特別適合單向承受順紋方向的拉、壓及彎矩。

鋼材是一種輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，材質(zhì)較為均勻。鋼材的塑性及韌性非常好，可焊性也非常好。除此之外，還可以采用螺栓連接、鉚接等多種方式，使不同構(gòu)件之間及與其他材料之間的連接更為方便，這是其他材料所不能比擬的。鋼結(jié)構(gòu)是一種高效、快速、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保型建筑結(jié)構(gòu)，不僅可以大大節(jié)約施工時(shí)間且施工不受季節(jié)影響，同時(shí)還增大了住宅空間使用面積，節(jié)能效果好，抗震性能好，可避免鋼筋混凝土濕式施工所造成的環(huán)境污染和噪聲污染，便于拆卸回收和循環(huán)利用。

通過(guò)不同材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)形式組合，最大限度地發(fā)揮材料各自的屬性，彌補(bǔ)各自的力學(xué)缺陷，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)能效的優(yōu)化，基于這種結(jié)構(gòu)體系的建筑即為組合結(jié)構(gòu)[3]。木結(jié)構(gòu)中輔以鋼材使整個(gè)結(jié)構(gòu)具備了較強(qiáng)的拉、壓、彎能力，許多新型高效的結(jié)構(gòu)同樣可以采用木結(jié)構(gòu)，而鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也極大的簡(jiǎn)化了構(gòu)件的連接，易形成簡(jiǎn)潔的形象；鋼結(jié)構(gòu)中輔以木材，不僅可以提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、耐火性，還可以使整個(gè)建筑富有暖意，不再給人冰冷的感覺(jué)。

圖1 站房屋頂結(jié)構(gòu)

圖2 公園休息長(zhǎng)廊

圖3 鋼木組合橋面

圖4 鋼木組合梁

鋼木組合結(jié)構(gòu)是指運(yùn)用鋼材和木材相互組合的方式建造的構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)體系。這種組合結(jié)構(gòu)體系比傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)體系更加堅(jiān)固耐用，又比現(xiàn)代的純鋼結(jié)構(gòu)更豐富多彩，被廣泛地運(yùn)用于多種建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中。鋼材和木材這兩種材料進(jìn)行組合，為設(shè)計(jì)師帶來(lái)了與以往不同的設(shè)計(jì)感受：鋼材作為極富現(xiàn)代氣息的材料與木材這種自然又充滿(mǎn)暖意的材料相互結(jié)合，使得運(yùn)用鋼木組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造的建筑物很容易被賦予一種獨(dú)有的氣質(zhì)，既具有時(shí)代氣息又不失親和力。鋼木組合結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)在于兩種材料的性能互補(bǔ)、協(xié)同作用，既有利于各自材料性能的高效發(fā)揮，同時(shí)也能夠使結(jié)構(gòu)抵抗各種拉、壓、彎、剪等應(yīng)力作用。基于不同力學(xué)承載機(jī)制的結(jié)構(gòu)形態(tài)被引入現(xiàn)代鋼木組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，其結(jié)構(gòu)類(lèi)型與建筑的表現(xiàn)形式也日益豐富。鋼木組合結(jié)構(gòu)形式不僅能創(chuàng)造木質(zhì)空間的效果，而且能夠大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度，可以廣泛應(yīng)用在各種公共建筑中，尤其是體育館、展覽館等大跨度建筑。與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)相比，大有崛起追趕之勢(shì)，而木質(zhì)空間的效果及材料的生態(tài)可持續(xù)性則是其突出的優(yōu)勢(shì)。

2 鋼木組合結(jié)構(gòu)的形式、特點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 分離式組合結(jié)構(gòu)

2.1.1 鋼木桁架

木材與鋼材相分離，分別組成結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件。由于木材的強(qiáng)度相對(duì)其他建材較低，這樣往往導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)建筑的跨度和高度都不大，限制了木結(jié)構(gòu)在大跨建筑中的使用。如果將鋼材運(yùn)用到木結(jié)構(gòu)中去，形成鋼木桁架，木結(jié)構(gòu)建筑有了局部的鋼結(jié)構(gòu)輔助，就能有效地放開(kāi)建筑本身的結(jié)構(gòu)形式。在這種類(lèi)型的建筑結(jié)構(gòu)中，往往是木構(gòu)件或木結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用，常常決定著建筑的整體結(jié)構(gòu)和空間造型；鋼構(gòu)件或局部鋼結(jié)構(gòu)僅僅作為輔助結(jié)構(gòu)穿插于木結(jié)構(gòu)建筑體系中，這樣容易形成更加高效合理的結(jié)構(gòu)新形式，如展覽館、多功能廳、體育館和站房的屋蓋結(jié)構(gòu)等（如圖1）。

這種鋼木組合結(jié)構(gòu)形式的建筑是對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的有益擴(kuò)展。它不失木結(jié)構(gòu)建筑溫暖自然具有人情味的空間特質(zhì)，同時(shí)合理有效的鋼木構(gòu)成充分發(fā)揮了材料各自的力學(xué)特性，建筑的表現(xiàn)形式也具有強(qiáng)烈的時(shí)代特征。不論在設(shè)計(jì)的可能性、結(jié)構(gòu)的功能性及材料的多樣性上，都能符合現(xiàn)代建筑的藝術(shù)及技術(shù)要求。

2.1.2 景觀(guān)建筑

景觀(guān)構(gòu)筑物往往會(huì)成為人們生活中的一個(gè)視覺(jué)焦點(diǎn)，一個(gè)兼具實(shí)用性和觀(guān)賞性的構(gòu)筑物。在當(dāng)代的風(fēng)景園林設(shè)計(jì)中，我們總能發(fā)現(xiàn)大量運(yùn)用鋼木組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造的景觀(guān)構(gòu)筑物，如景觀(guān)碼頭、餐廳茶室、觀(guān)景塔樓、休息平臺(tái)、棧道、橋梁等[4]（如圖2）。

現(xiàn)代鋼木組合結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新表現(xiàn)在靈活運(yùn)用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)理論成果，以及基于不同的承載體系的組合，綜合各種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的混合和空間結(jié)構(gòu)等等。此外，由于采用了新型的節(jié)點(diǎn)，許多傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)整體性能得到顯著提高，在當(dāng)代建筑創(chuàng)作中也不斷推陳出新。這些結(jié)構(gòu)形式不僅可以解決眾多傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)面臨的跨度問(wèn)題，而且還帶來(lái)了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)豐富的表現(xiàn)形式。

2.1.3 鋼框架木屋蓋住宅

鋼框架木樓蓋住宅[5]是一種新型的住宅結(jié)構(gòu)體系。在傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)住宅中引入木樓蓋，具有承載力高、自重輕、工業(yè)化程度高、施工速度快、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，避免了混凝土樓蓋濕作業(yè)和自重大的缺點(diǎn)，使得鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)更趨向于綠色環(huán)保、循環(huán)利用的可持續(xù)發(fā)展。

2.1.4 鋼木組合樓梯

這種組合樓梯的特點(diǎn)是輕盈，線(xiàn)條感性，大都耐用，不需任何維護(hù)，所以鋼木組合樓梯比較受業(yè)主的喜愛(ài)，也是市面上最暢銷(xiāo)的產(chǎn)品。其綜合了鋼木兩種樓梯的優(yōu)點(diǎn)，多用鋼制透空主梁（單梁及雙梁）實(shí)木踏板，欄桿采用不銹鋼與玻璃組合，扶手則采用與踏板配套的木制扶手。它既有木樓梯的溫馨感也有鋼梯的輕盈大方，且最為堅(jiān)固免于樓梯的維護(hù)。

2.2 一體式組合結(jié)構(gòu)

2.2.1 鋼木組合橋面系

鋼木組合橋面系是利用剪力連接件把縱向疊合橋面板與鋼梁組合起來(lái)（如圖3）。橋面木板在上，主要抵抗荷載作用下引起的壓應(yīng)力；鋼梁在下，主要抵抗荷載作用下引起的拉應(yīng)力。長(zhǎng)安大學(xué)高詣民[6]對(duì)這種橋面系結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了分析，分析表明這種橋面結(jié)構(gòu)可以大大降低橋梁的自重，提高橋梁的跨越能力，橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性也將隨之增強(qiáng)。鋼木組合橋面系在以下橋梁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景：中小跨徑，尤其是在云南等森林資源豐富的地區(qū)將具有更大的經(jīng)濟(jì)效益；抗災(zāi)搶險(xiǎn)、戰(zhàn)備橋梁等快速安裝的裝配式橋梁以及便攜式橋梁；城市人行天橋，木橋造型美觀(guān)、與環(huán)境相協(xié)調(diào)，風(fēng)景區(qū)景觀(guān)橋梁建設(shè)中將具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；舊橋維修加固，具有良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。如果使用預(yù)制木橋面板替換混凝土橋面板，由于自重上的減少可以大大提高活載的比例，同時(shí)也可以減少施工安裝的復(fù)雜性，大大縮短施工周期，從而降低維修成本，而且橋面板的使用壽面能達(dá)到50年。

2.2.2 幾字形鋼木組合梁

木與鋼合為一體組成結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件。這種組合梁（如圖4）是由較薄的熱鍍鋅鋼板軋制成的“幾”字形外殼，中空填充木方（防止鋼制外殼被壓屈），再用螺栓連接而成的。這種組合梁一般作為混凝土結(jié)構(gòu)模板的主、次龍骨，其優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定、可工廠(chǎng)自動(dòng)化加工、質(zhì)量可靠、周轉(zhuǎn)次數(shù)多、重量較輕、易于人工操作。

3 鋼木組合構(gòu)件的發(fā)展前景及待解決的問(wèn)題

3.1 發(fā)展前景

相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)建筑，綠色生態(tài)可謂是現(xiàn)代鋼木組合結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的最大優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)代鋼木組合結(jié)構(gòu)建筑中，建筑師和結(jié)構(gòu)師從不同的層面上理解建筑的生態(tài)意義，并進(jìn)行積極的探索與實(shí)踐。鋼木組合結(jié)構(gòu)建筑以木材自然溫馨的物質(zhì)屬性建立建筑與自然、與人聯(lián)系的紐帶。因此，隨著鋼材和木材的供應(yīng)充足、設(shè)計(jì)理論的不斷成熟、人們觀(guān)念的不斷轉(zhuǎn)變，鋼木組合結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑、橋梁、構(gòu)筑物等方面均會(huì)有很好的發(fā)展前景和空間。

3.2 需要解決的問(wèn)題

3.2.1 鋼木組合結(jié)構(gòu)在溫度作用下的協(xié)調(diào)性

木材的線(xiàn)膨脹系數(shù)大約是鋼材線(xiàn)膨脹系數(shù)的1/300，因此，在相同的溫度作用下兩者的變形不協(xié)調(diào)，在鋼木組合設(shè)計(jì)中應(yīng)該要考慮由此產(chǎn)生的次內(nèi)力影響。

3.2.2 鋼木組合結(jié)構(gòu)的連接件

鋼材與木材這兩種特性截然不同的材料要進(jìn)行不同形式的組合，就需要在組合交接的時(shí)候關(guān)注節(jié)點(diǎn)細(xì)部設(shè)計(jì)。對(duì)于連接處的受力性能、破壞機(jī)理尚需要進(jìn)行充分的分析和研究，以確保結(jié)構(gòu)的安全。

3.2.3 鋼木組合結(jié)構(gòu)的推廣

目前，很多歐美國(guó)家不斷向我國(guó)出口原木、鋸材等，且國(guó)內(nèi)也建設(shè)了大面積的速豐林基地，木材完全可以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求；鋼材的產(chǎn)量更是充足，甚至于市場(chǎng)上出現(xiàn)了供大于求的現(xiàn)象。因此，如何逐漸改變?nèi)藗儗?duì)傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的信任和依賴(lài)，逐步推廣鋼木組合結(jié)構(gòu)成為了迫在眉睫的事情。

[1]楊子江.木結(jié)構(gòu)——綠色節(jié)能建筑結(jié)構(gòu)[J].房材與應(yīng)用,2005(3).

[2]陳恩靈，費(fèi)本華，王曉歡.我國(guó)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑研究現(xiàn)狀[J].林產(chǎn)工業(yè),2008(4).

[3]聶建國(guó),樊健生.廣義組合結(jié)構(gòu)及其發(fā)展展望[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2006(6).

[4]林箐，郁蔥.鋼木結(jié)構(gòu)景觀(guān)構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)細(xì)部形式探討[J].風(fēng)景園林工程,2013(8).

[5]陸榮喜.鋼框架、木樓蓋住宅結(jié)構(gòu)性能研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué),2009.

[6]高詣民.CLT鋼木組合橋面系研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2010.