鋼-木組合形式及研究進(jìn)展

王乃毅,劉 朋,韓欣桐

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870)

0 前 言

鋼木組合結(jié)構(gòu)是一種可以有效地同時(shí)發(fā)揮材料性能和構(gòu)件優(yōu)勢的結(jié)構(gòu),因而得到了廣泛的應(yīng)用。目前,鋼木組合是一種十分新穎的組合結(jié)構(gòu)形式。我國自古以來對木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有著悠久的歷史,木材環(huán)保、美觀、易加工等優(yōu)點(diǎn)；鋼材強(qiáng)度高、構(gòu)件之間連接靈活等優(yōu)點(diǎn),因此，將鋼木兩種材料組合優(yōu)點(diǎn)結(jié)合,充分發(fā)揮兩種材料優(yōu)點(diǎn)。

1 鋼木組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

鋼木組合結(jié)構(gòu)是一種新式的組合式結(jié)構(gòu)[1]。它能夠分別利用木材和鋼材這兩種建筑材料的力學(xué)性能優(yōu)點(diǎn),使其達(dá)到最好的利用效果。

鋼木組合結(jié)構(gòu)是運(yùn)用鋼材和木材組合在一起的方式建造的構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)體系。與傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)體系相比，鋼木組合結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固耐用,比現(xiàn)代的單純的鋼結(jié)構(gòu)更多樣豐富,在眾多的建筑結(jié)構(gòu)中得到推廣與應(yīng)用。

鋼木組合結(jié)構(gòu)最大的兩個(gè)優(yōu)勢分別是兩種材料的協(xié)同作用和性能上的互補(bǔ)作用。這樣可以有利于高效發(fā)揮各自材料的性能,同時(shí)也能夠使結(jié)構(gòu)抵抗各種不同的應(yīng)力作用。鋼木組合結(jié)構(gòu)形式不僅能夠創(chuàng)造木質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間效果,還使整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度得到較大的提高，可以應(yīng)用在多種的建筑結(jié)構(gòu)中,尤其是體育館、博物館等大跨度建筑。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,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。

1.1 鋼木結(jié)構(gòu)形式一體式

木與鋼為一體組成結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件,并將此組合構(gòu)件應(yīng)用于實(shí)際工程,提高結(jié)構(gòu)體系的承載力。木材有很好的力學(xué)性質(zhì),順紋方向的抗拉和抗壓強(qiáng)度均較高,可以作為壓彎構(gòu)件。鋼材受拉強(qiáng)度大,是天然的柔性索,二者更容易形成張拉結(jié)構(gòu)。其中最具代表性的是張弦梁結(jié)構(gòu)。

張弦梁結(jié)構(gòu)是一種由柔性拉索、剛性構(gòu)件上弦、中間通過撐桿連接形成的混合結(jié)構(gòu)體系[2]。木梁(拱)或桁架作為壓彎構(gòu)件,高強(qiáng)的鋼索作為張拉弦,支撐桿則可為木或鋼構(gòu)件,張弦梁結(jié)構(gòu)形式多元、結(jié)構(gòu)體系方便、受力明確,能夠充分發(fā)揮了剛?cè)醿煞N材料的優(yōu)良特性。

剛性桁架與鋼索的結(jié)合不僅充分發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn)而且相互限制了彼此的弱點(diǎn),并且制造、運(yùn)輸、施工簡捷方便,因此，具有良好的應(yīng)用前景。

1.2 鋼木結(jié)構(gòu)形式分離式

分離式組成基本構(gòu)件的組合式是利用鋼材基本構(gòu)件強(qiáng)度高、輕質(zhì)、延性好等優(yōu)點(diǎn)來作為組合結(jié)構(gòu)中受拉、受剪破壞嚴(yán)重之處的構(gòu)件[5]。

鋼木析架是組合式鋼木組合結(jié)構(gòu)的經(jīng)典構(gòu)件。鋼木析架將木析架中的下弦桿用圓鋼或者型鋼代替,顯著提高了析架的可靠性,對提高析架的剛度和減小結(jié)構(gòu)的非彈性變形特別有益。

日本的IARA綜合體育館的屋頂采用了部分的析架。它的上弦桿用木殼代替普通析架中的上弦桿,從而完成了鋼結(jié)構(gòu)和木殼結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合。

2 鋼木組合結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

當(dāng)前,我國對于鋼木組合結(jié)構(gòu)的研究還在開始的階段,在一些結(jié)構(gòu)層面依然不成熟。對于鋼木體系的抗震性能和鋼木的材料協(xié)調(diào)性等問題仍然要在實(shí)踐中不斷地改善。如今的研究方向主要是如何使鋼木變的綠色可持續(xù)[3]。

3 結(jié) 語

我國在鋼木組合結(jié)構(gòu)的探索中,依然有許多沒有研究到的問題需要去解決[4]。例如在溫度荷載作用下,鋼木組合結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)問題；在動(dòng)力荷載作用下,鋼木組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上的性能研究、鋼木組合構(gòu)件的截面樣式研究、鋼木組合結(jié)構(gòu)的施工工藝以及鋼木組合結(jié)構(gòu)在大跨度結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用。這些都是發(fā)展我國鋼木組合結(jié)構(gòu)建筑的關(guān)鍵。在我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與人民生活水平不斷提高的大環(huán)境下,建筑物通過鋼木組合結(jié)構(gòu)來呈現(xiàn)必將進(jìn)人一個(gè)新的階段。

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