鋼木組合結(jié)構(gòu)研究綜述★

張如玉 楊寶磊 李國(guó)東 郝丹青

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)理念的不斷深入，鋼木組合結(jié)構(gòu)成為我國(guó)建筑發(fā)展的潮流和趨勢(shì)，極具發(fā)展前景。鋼木組合結(jié)構(gòu)將鋼材和木材的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮鋼材與木材的優(yōu)越性，彌補(bǔ)了鋼板截面薄、板件局部屈曲和畸變屈曲導(dǎo)致的構(gòu)件承載力不高，以及木材脆性大、抗彎能力不足等力學(xué)缺陷，進(jìn)而達(dá)到結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化。

1 鋼結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)[1]是一種重要的工程結(jié)構(gòu)類型，在建筑工程、橋梁工程及其他各類工程中都有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。與其他結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：鋼材強(qiáng)度高。雖然鋼材的密度較大，但其密度與強(qiáng)度的比值較小，因此結(jié)構(gòu)相對(duì)較輕。在相同的跨度并承受相同的荷載的情況下，鋼筋混凝土屋架的重量約為普通鋼屋架重量3倍～4倍，為冷彎薄壁型鋼屋架重量的10倍。鋼材擁有較高的塑性和韌性，以至于在破壞前可以產(chǎn)生較大的塑性變形，進(jìn)而吸收和消耗能量，破壞易于被發(fā)現(xiàn)，可以及時(shí)采取補(bǔ)救措施，一般不會(huì)因偶然超載而突然斷裂。適宜在動(dòng)力荷載下工作，抗震性能好。鋼材的材質(zhì)均勻，工作可靠性高。與磚石和混凝土相比，鋼材屬于單一材料，且接近各向同性。鋼結(jié)構(gòu)所用材料均為各種型材，而且鋼材具有良好的加工性能和焊接性能，使鋼材制作比較簡(jiǎn)單且適用于機(jī)械化加工，施工周期短。鋼結(jié)構(gòu)的密閉性能好，可以滿足有密閉要求的結(jié)構(gòu)。采用鋼結(jié)構(gòu)還有利于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源。除此之外，鋼結(jié)構(gòu)也存在一些弊端，如鋼材耐熱但不耐火，在高溫狀態(tài)下鋼材容易進(jìn)入熱塑性狀態(tài)，完全喪失承載能力；鋼材在潮濕的環(huán)境中易于銹蝕，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的承載能力；在低溫下鋼材還有脆性破壞的傾向，應(yīng)引起足夠的重視。

1.2 木結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

首先，木結(jié)構(gòu)[2]是節(jié)能、環(huán)保的綠色建筑材料，與鋼材和混凝土材料相比，木結(jié)構(gòu)建筑的耗能、二氧化碳排放量、空氣污染指數(shù)、生態(tài)資源耗用指數(shù)和水污染指數(shù)等均較小。因此，木結(jié)構(gòu)的整體性能較鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)要好。其次，相比較混凝土材料和鋼材，木材的可再生具有更大的優(yōu)勢(shì)，一般的樹(shù)木生長(zhǎng)周期為50年～100年，速生樹(shù)種周期可縮短為20年～30年。通過(guò)合理采伐和科學(xué)種植，可以做到采伐和生長(zhǎng)量平衡。第三，木結(jié)構(gòu)建筑安全可靠，最適合人居。木結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)，密度與強(qiáng)度之比更小，抗震性能好，事實(shí)上，在一些大的地震中木結(jié)構(gòu)建筑造成的傷亡與損失要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他建筑，例如在日本，木結(jié)構(gòu)就被廣泛地運(yùn)用于各種建筑。而且，木結(jié)構(gòu)還是良好的隔熱、隔聲材料，木結(jié)構(gòu)建筑供熱、空調(diào)耗能較低，加之木材的天然紋理，給人以親近、回歸自然的感覺(jué)，居所溫馨而舒適。最后，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)基本實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，制作加工方便。與鋼結(jié)構(gòu)類似，木結(jié)構(gòu)有優(yōu)點(diǎn)也有缺陷，其最主要的缺陷在于木材的天然缺陷如節(jié)子、孔洞等的存在會(huì)嚴(yán)重影響木材的受力性能，而且木材不同于鋼材，無(wú)法焊接，其連接方式比較局限。

2 鋼木組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

作為一種新型的組合結(jié)構(gòu)體系，鋼木組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在可以充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高整體結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力。而且，鋼木組合結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)鏈接多設(shè)置為鉸接，鉸接的好處在于可以讓整個(gè)結(jié)構(gòu)體系具有較大的柔度，且木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)本身均為韌性好的材料，在地震時(shí)，可以消耗相當(dāng)一部分的能量，提高結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。

3 膠合木及鋼木組合結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

3.1 膠合木研究進(jìn)展

膠合木是一種以厚度不大的膠合木層板疊加膠合而成的工程木制品，相比較原木材來(lái)說(shuō)，膠合木具有很多優(yōu)點(diǎn)，膠合木的缺陷較少，并且較分散，因而強(qiáng)度有所提高；膠合木可以有不同的組坯方式，將性能較好的層板放到最外面，充分利用了材料；膠合木可以實(shí)現(xiàn)大尺寸構(gòu)件生產(chǎn)，不受原木材規(guī)格的限制且穩(wěn)定性較好；膠合木可以加工成多種形狀，進(jìn)而更好的滿足建筑的需要。目前，國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者對(duì)膠合木進(jìn)行了較為廣泛的理論分析、試驗(yàn)研究及有限元分析。

周華樟、祝恩淳等[3]通過(guò)對(duì)膠合木曲梁進(jìn)行多次加載試驗(yàn)，對(duì)膠合木曲梁的極限承載力及破壞性能進(jìn)行研究與分析，得出結(jié)論：距中性軸距離越近，膠合木曲梁純彎曲區(qū)橫紋應(yīng)力越大，反之越小，且以膠縫為分界線，呈鋸齒狀分布；并建立了相應(yīng)的膠合木開(kāi)裂損傷本構(gòu)模型，通過(guò)有限元分析成功預(yù)測(cè)了膠合木曲梁的橫紋開(kāi)裂、極限承載力以及開(kāi)裂前后的剛度狀況。

孫小鸞，劉偉慶等[4]通過(guò)對(duì)8榀張弦膠合木梁以及2榀普通木梁進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，得出結(jié)論：張弦膠合木梁較普通膠合木梁具有更高的極限承載力，受壓性能得到充分的發(fā)揮，且表現(xiàn)出明顯的塑性特性；張弦膠合木梁跨高比越大，其受彎極限承載力和剛度均有所降低；增加垂跨比可以使張弦梁的受彎承載力顯著提高；適當(dāng)增加腹桿數(shù)量可以使張弦梁的受彎承載力、彎曲剛度以及延性顯著提高。

陳旭、祝恩淳等[5]通過(guò)對(duì)層板膠合木梁中因環(huán)境變化而產(chǎn)生的橫紋濕熱應(yīng)力進(jìn)行有限元模型分析計(jì)算，得出結(jié)論：濕度變化產(chǎn)生的橫紋應(yīng)力對(duì)梁的不利影響顯著，在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)此予以考慮，溫度變化產(chǎn)生的橫紋應(yīng)力較小，在一定條件下可以忽略。

3.2 鋼木組合結(jié)構(gòu)受力性能研究現(xiàn)狀

潘福婷、王艷華等[6]通過(guò)對(duì)截面尺寸相同、約束情況不相同的鋼柱與鋼木組合柱進(jìn)行受壓承載力試驗(yàn)，并運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)比了兩種柱的變形和強(qiáng)度，得出結(jié)論：鋼木組合柱由于外側(cè)木板提供了側(cè)向剛度，在軸向壓力作用下，其側(cè)向變形較小，承載力更高。

周緒紅、李喆、王瑞成等[7]，通過(guò)對(duì)螺釘間距不同其他構(gòu)造均相同的兩塊足尺構(gòu)件進(jìn)行單調(diào)靜載試驗(yàn)，利用有限元分析的方法比較分析了螺釘間距對(duì)組合樓蓋受彎承載力的影響，得出結(jié)論：螺釘間距減小，組合樓蓋的受彎承載力及變形能力均有所提高。

趙東拂等[8]通過(guò)對(duì)三組鋼筋彎折形式不同，其他條件相同的鋼木組合柱進(jìn)行受壓承載力試驗(yàn)，并進(jìn)行有限元分析對(duì)比，結(jié)果表明，三組鋼筋彎折形式不同的鋼木組合柱的滯回曲線有較大差異，鋼筋彎折形式的改變對(duì)鋼木組合柱的受力性能有較大的影響。

劉洋,陳志華,安琦等[9]通過(guò)對(duì)兩組輕型鋼木組合剪力墻和一組輕型鋼框架試件的承載力對(duì)比試驗(yàn)，得出結(jié)論，輕型鋼木組合剪力墻的承載力較高，有無(wú)OSB板和板厚對(duì)輕型鋼木組合剪力墻的承載力有所影響，板厚增加，承載力提高。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼木組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性顯著，但由于我國(guó)木材資源相對(duì)匱乏，森林人均面積僅為世界人均面積的1/3，很多木材、木制品依靠進(jìn)口，而且鋼木結(jié)構(gòu)之間的連接以及使兩種材料更好地協(xié)調(diào)變形、共同受力，進(jìn)一步提高鋼木組合結(jié)構(gòu)的整體承載能力仍是有待解決的問(wèn)題，因此到目前為止，鋼木組合結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)并未得到廣泛應(yīng)用。不過(guò)鋼木組合結(jié)構(gòu)的前途是光明的，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的完善，人民生活水平的進(jìn)一步提高，鋼木組合結(jié)構(gòu)建筑特別是木結(jié)構(gòu)建筑的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將會(huì)逐漸顯露出來(lái)。