鋼木裝配式住宅的探討與應用

孫亞楠，張輝，田超，李鵬飛

(1.山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250100；2.淄博市建筑設計研究院，山東 淄博 255000）

關鍵字：鋼木組合住宅；裝配式；節點連接構造；木剪力墻

0 引言

鋼結構具有輕質高強、抗震性能優越、工業化裝配化程度較高、生產的過程中對環境污染程度小等優點，較適用于現場的預制與安裝和綠色施工；木結構相比于其他材料有質量輕的優點，并且綠色環保，裝配程度較高。將鋼木結構進行組合，可以充分發揮各自的優勢，形成裝配程度較高、綠色環保的建筑物。在現代的建筑結構中，不斷的追求高度以及跨度的創新與突破，僅憑傳統的木結構形式并不能完全滿足建筑物中高度與跨度的需求，而木結構與鋼結構的巧妙結合形成了全新的鋼木組合裝配式新型結構形式。我們通過對鋼木組合裝配式結構分析可知，將鋼材與木材結合在一起有許多的優越性，劉洋、陳志華等人對輕型鋼木組合剪力墻抗側性能試驗進行研究，設計一個輕型的鋼框架對比的試件，進行單調加載實驗，兩個輕型鋼木組合剪力墻試件，進行低周反復實驗，考察有無OSB板及板厚對輕型鋼木組合剪力墻抗側性能的影響，研究表明可以提高其抗震性能；經過王希珺等人的研究對多層鋼木混合結構提出了抗震設計方法。由此可見鋼木裝配式組合結構無論是對構件性能的提升還是抗震性能的提升均有很好的效果，并且響應了國家綠色環保的大趨勢。當前的國內外建筑物中采用鋼木組合結構的使用性能僅局限于大型旅游、觀光等作用，可以試想是否可以將其大量推廣于住宅中使用，現如今經過文獻的查證，已經可以證實鋼木組合裝配式結構是可以使用在高層以及多層的住宅中使用的，并且住宅中的剪力墻結構可以采用木結構代替[4]，鋼木組合加之以裝配式，不僅節約材料又能方便施工。

1 概況

1.1 國內研究

近年來，何敏娟等人對鋼木裝配式結構進行研究表明鋼木混合式結構樓蓋在水平力作用下具有良好的轉動性能[3]。

該樓板結構較為特殊，其結構組成采用輕鋼柵欄以及方木形樓板組合而成，使用騎馬釘將鋼筋與木材進行可靠連接，將其錯位搭接，貫穿鋼柵欄固定于木材上，為保證其穩定性，再鋪設一層雙向鋼筋網，最后為了確保結構的整體性對其澆筑水泥砂漿。樓蓋鋪設木材，提高了其側向的變形性能，并且大大的改善了樓板的受力性能。潘福婷對鋼木裝配式結構研究其受力性能，最終得出結論其主要承重構件仍是鋼筋，用螺栓的連接方式進行搭接。采用數值模擬與實驗對比的方式，木材與鋼結構結合可以提高整體結構的剛度性[3]。

圖1 鋼木樓板布置圖

圖2 樓板整體示意圖

圖3日本鬼石多功能廳

圖4日本AIRA綜合運動公園體育館

1.2 國外工程實例

日本鬼石多功能廳，將木材運用到屋頂的腹板構件中，木材的邊緣粘貼鋼材，鋼筋與木材的組合作為結構中的一部分應用于各大建筑物中，結構的承載性能有了很大的提高。鋼木裝配式結構體系局部區域采用了鋼木組合構件[4]。

日本的AIRA綜合運動公園體育館采用獨特的設計方案使木材與鋼材各自發揮優越性，部分的木材取代了鋼材發揮作用，其屋頂采用特殊結構-不完整桁架體系，桁架的上弦桿處采用木材取而代之。

2 鋼木組合體系亟需解決的問題

2.1 在溫度作用下材料性能差異顯著

當兩種材料的溫度熱膨脹系數相接近時，兩種材料才可以在不同溫度下協同工作，而鋼材與木材兩種材料的膨脹系數相差深遠，全干木材的膨脹系數為3～4.5×10－8／℃，而鋼材的膨脹系數8.31～14.68×10－6／℃。因此二者組合結構處于溫度的作用下時易產生結構內應力，這種內應力對結構是不利的。若溫度較低時，二者的協調變形能力下降幅度更加的顯著。

2.2 組合構件連接構造問題

目前，對于二者復合結構的研究與探討停留在單個構件的性能分析。結構組成形式大多數為鋼材作為板構件，木材結構置于兩邊通過螺栓或者鉚釘與鋼構件連接發揮支撐的性能。

2.3 結構體系研究尚未成熟

二者復合結構主要難題是對于節點的研究，目前該問題的研究并不成熟，節點問題重要性在于節點對于整個結構抗震性能以及整體穩定性的提升。國內的建筑節點的構造大多還是沿用木結構的構造方式，螺栓連接和鉚釘連接[5]。

3 發展與展望

鋼木裝配式結構的受力性能分析停留在初步階段，潘福婷等人對該復合結構進行試驗分析[10],經過試驗與分析出二者復合結構的荷載與應變以及荷載與變形的關系曲線,后期又采用了數值模擬的分析方式與實驗結果進行擬合，定性的對復合結構進行了分析。然而,相比于各類鋼結構構件而言,鋼木裝配式結構的發展還不夠完善,普通的構造形式的適用范圍以及適用性值得研究，大多數鋼板為主要受力構件、木材發揮支撐性能，沒有將各自的性能發揮到最大化，近幾年的鋼木裝配式結構組成方式主要由鋼框架、內填輕型木剪力墻以及鋼木混合樓板組成。對其研究分析還僅局限于單個構件,對于整體結構的性能并沒有得到很好的研究與分析，比如可以對組合梁、組合柱采用對比的方法進行分析。近幾年潘福婷等人對鋼木組合柱采用對比試驗研究的方式對其力學性能進行分析，定性的推導出鋼木復合結構的計算公式。

4 結 語

鋼木裝配式結構在工廠中進行材料的預制生產加工為建筑構件，然后運輸至施工現場進行裝配的過程。預制裝配是在其施工中最主要的特征。木材、鋼材均是進行工廠預制加工、現場施工安裝，金屬構件進行節點處的連接構造處理，而這些金屬構件均是工廠中預制生產、現場使用安裝。采用裝配式施工方式大大降低了對環境的污染程度，并且縮短了施工工期也同時降低了施工的預算與造價。鋼材與木材發揮其各自的優越性并且符合二者置換的要求。鋼木組合裝配式結構在現代社會中主要用于一些展覽性、觀光旅游性質的建筑物中，在我們的住宅中并沒有得到廣泛的應用，鋼木復合結構無論廣泛應用于多層中或者高層中將來均有可能實現，目前已有文獻中說明鋼木組合結構可以廣泛應用于多層以及高層住宅中，并且可以采用木剪力墻結構代替傳統的剪力墻結構，為了響應綠色節能高效的大趨勢，鋼木組合裝配式住宅是可以被國家廣泛推廣使用的。