鋼木組合結構研究現狀

廖靜　郝勇　王立軍　賈吉龍　李家安

摘 要：鋼木組合結構作為一種新型的組合方式，綜合了鋼材的可循環利用性和木材的可生性，同時它們的結合還能充分發揮兩種材料的優勢，彌補各自的不足。本文分析了鋼材和木材組合的優勢，對現有的鋼木組合結構進行了闡述，分析了目前鋼木組合的不足之處并從大方向上提出了一些解決方法。

關鍵詞：鋼木組合結構;研究現狀;連接方式

中圖分類號：TU755.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）14-0085-03

Research Status of Steel-wood Composite Structure

LIAO Jing1，2 HAO Yong1，2 WANG Lijun1，2 JIA Jilong1，2 LI Jiaan1，2

（1. Hebei University of Architecture，Zhangjiakou Hebei 075000;2. Green Building Materials and Architectural Application Technology R & D Center of Hebei Province，Zhangjiakou Hebei 075000）

Abstract： As a new type of combination， the steel-wood combined structure includes the recyclability of steel and the viability of wood， at the same time， the combination of them can also give full play to the advantages of the two materials and make up for their deficiencies. This paper analyzed the advantages of steel and wood combination， expounded the existing steel-wood combination structure， analyzed the shortcomings of the current steel-wood combination and proposed some solutions in the general direction.

Keywords： steel-wood composite structure;research status;connection method

混凝土具有強度高、耐久性好等優點，在建筑市場占據主導地位。目前，國內混凝土的生產量和消耗量都居于世界第一，但混凝土屬于不可再生資源，在生產過程中會產生大量污染，二次利用率僅為10%。隨著大氣、土壤、水體等污染的出現，國家大力推行綠色、環保、節能減排等政策，人們的環保意識逐步提高，越來越追求綠色的生活環境，回歸自然。發展綠色環保材料不僅能彌補傳統材料的缺點，還符合我國可持續發展戰略。鋼木結構是一種新型的組合結構，將鋼材和木材通過不同的方式組合起來，能充分發揮兩者的優勢，彌補兩種材料的缺陷。

1 木材和鋼材組合結構的優勢

木材是一種可再生的、可自然降解的天然材料。木結構在我國具有悠遠的歷史，其取材方便、靈活多變。20世紀70年代末，我國將木材大量運用于工業，造成木材短缺，木結構在我國的發展受到制約。近10年以來，木結構才得到可喜的發展[1]。但木材是各向異性材料，受材料本身的影響，力學性能較差。

鋼材具有良好的物理化學特征，被廣泛地運用于大跨度結構房屋、廠房以及橋梁工程中。鋼材質輕，方便吊裝，施工安裝方便，符合我國裝配式發展的方向;鋼材具有很好的可塑性，形狀靈活多變;鋼材強度高，具有很好的抗震性能。但是，與其他建材相比，在相同的承載力下，鋼結構的截面更小，容易發生失穩。我國大多數鋼結構事故發生的原因都是失穩破壞。鋼結構易被腐蝕，耐火性能差，后期維護和保養的成本較高，而且鋼材給人一種冷冰冰的感覺[2]。

木材能提高鋼材的穩定承載力。用鋼材作為主要的受壓構件，同時用木材將鋼材包裹起來，能有效防止鋼材銹蝕，為鋼材提供一定的側向支撐，還能給人一種親近大自然的感覺?，F在很多裝修都采用木材，用木包鋼還能省去后期裝修。

2 鋼木組合結構受力性能研究現狀

目前，國外對鋼木組合結構研究最多的是日本。對于鋼木組合結構，日本通常采用鋼材作為連接件，將木構件組合在一起。國內對于鋼木組合結構的研究也有一些進展，但大多都停留在鋼木組合的構件上，如鋼木組合梁、鋼木組合柱、鋼木組合樓蓋、鋼木組合剪力墻等。

2.1 鋼木組合梁的研究現狀

2016年，李登輝[3]利用H型鋼為骨架、在其上下翼緣粘貼樟子松板，分別用試驗以及有限元的方式分析其彎曲性能。試驗表明，木材和H型鋼的整體協調性較好，木材能有效地為H型鋼提供抗側移能力，提高其穩定性，使鋼材強度得到充分提高。

2017年，羅佳鈺等[4]對鋼木組合梁進行了數值模擬分析，采用耦合的方式將C型鋼的一側與木板相連，再采用三點加載制度研究了鋼木梁的抗彎性能，梁破壞時屬于塑性破壞，其抗彎承載力比尺寸相同的木梁提高28%～85%，跨中極限變形提高了76%～146%。

2017年，姚雪峰[5]總結了現有的組合梁抗彎計算理論，測試了不同木板的寬度對鋼木組合梁的抗彎性能和剛度的影響，木梁的寬度對鋼木組合梁的承載力影響不大，由于螺栓連接組合梁為部分剪力連接組合梁，木板和鋼梁會產生滑移現象，所以不符合平截面假定。

2018年，鄒偉[6]以鋼木組合梁為研究對象，將木板用膠接和機械連接相結合的方式固定在H型鋼的上下翼緣和腹板兩側，以木板厚度、螺栓間距、型鋼厚度為試驗參數設置了13組對比試驗和一根純木梁構件作為對照組，進行了梁的抗彎試驗研究和有限元分析，對比分析了各個參數對構件破壞產生的影響。鋼木組合梁較純木梁的承載力和延性來說有了很大的提高，但由于連接方式存在一些問題，膠接處和機械連接處先后破壞，最后鋼材屈曲，木板發生脆性破壞。

2018年，金許奇等[7]利用螺栓間距、螺栓大小和木板厚度這三個參數對鋼木梁進行了有限元分析。結果發現，螺栓間距對鋼木梁力學性能影響較小，其余兩個變量影響較大，螺栓直徑越大，鋼木梁的承載力越高。木板對鋼梁能起到很好的約束作用，減小鋼梁的變形。

2018年，張海燕[8]通過輕型薄壁鋼包矩形木的方式設計了一種鋼木組合梁，鋼木梁的協調工作性能較好，抗彎承載力、抗彎剛度和延性均優于純木梁和純鋼梁。

綜上所述，國內學者提出了幾種鋼木組合梁，并分別開展了相關的試驗、數值模擬分析，或采用兩種方式相結合的方式研究了鋼木組合梁的抗彎性能。但是，研究表明，鋼木組合梁還存在一些不足之處：需要采用良好的連接方式，避免鋼板和木材的相對滑移;研究清楚鋼木組合梁的破壞機理，針對不同的組合形式和連接方式給出理論的計算公式;數值模擬過程中的節點、滑移等的模擬方式需要進一步準確建立。

2.2 鋼木組合柱的研究現狀

2016年，對于一個十字形鋼柱和一個使用螺栓連接的鋼木組合柱，潘福婷等[9]通過數值模擬的方式對比分析了該構件的力學性能。鋼柱發生失穩破壞，破壞時其破壞強度還未達到鋼材屈服強度的一半，而鋼木柱破壞強度超過其屈服強度，說明木板可以有效提高鋼材的穩定性。

2018年，趙東拂等[10]對鋼木組合柱設置了三組對照試驗，主要用有限元模擬的方式選擇合適的鋼筋綴件細部尺寸，再通過改變鋼片的尺寸和綴件是否與木梁接觸這兩個變量的方式進行鋼木組合柱抗震性能試驗研究和有限元分析。三組試驗結果得到的滯回曲線相差較大，證明這三個變量對此組合柱的抗側移性能有較大的影響。

2019年，王俊人等[11]將落葉松木用膠接的方式粘貼在H型鋼的翼緣上，采用正交試驗的方式設計了四組鋼木組合柱構件，并對其進行偏壓試驗，結果木板和鋼材膠接部分開裂，鋼材發生失穩破壞。

2019年，李建春等[12]以螺栓間距、長細比、鋼板厚度和預應力度為參數，對13根預應力鋼-木組合柱和1根純木柱進行軸壓試驗和數值模擬分析，研究了其受力性能，給出了最優的組合方式。

國內鋼木組合柱的組合方式有兩種，一種以木材為主要的受力構件，鋼材包裹在其外或鋼綴件作為連接件，以增大木柱的軸心受壓強度，主要的研究方式是通過試驗與數值模擬相結合的方式;另一種以鋼材作為主要骨架，木材包裹在其外，通過試驗或數值模擬的方式研究柱的穩定性。目前，國內對鋼木組合柱的研究較少，存在很多缺陷：需要采用良好的連接方式來保證鋼材和木材的協調工作性;合理利用鋼材的強度高、木材能為鋼材提供良好的側向支撐這一優勢，設計合理的截面形式;在數值模擬過程中，鋼材和木材的連接以及滑移應采用最佳約束方式;沒有準確確定鋼木組合柱承載力的計算公式，要根據鋼木組合柱的連接方式、組合形式和不同的受力階段來確定其計算公式。

2.3 鋼木組合其他構件的研究現狀

2014年，何敏娟等[13]研究了鋼木組合樓蓋在彈性狀態下的平面內剛度和水平荷載的分配方式，分別對無樓蓋、鋼木組合樓蓋及在鋼木組合樓蓋上澆筑水泥砂漿的兩跨木柱鋼梁框架結構進行了水平加載試驗，通過量化樓蓋平面剛度的方式研究了平面內剛度對分配水平荷載的影響。

2014年，馬仲等[14]又對分別平行和垂直于擱柵加載時的鋼木組合樓蓋的抗側性能進行了試驗研究。試驗結果表明，兩種擱柵加載均為剪切破壞，無論是哪種加載方式，其延性系數都高于美國有關規范的建議值，但垂直于擱柵加載時，其耗能能力是大于平行加載的。

2015年，方超[15]研究了膠接和螺栓連接對鋼木組合構件靜力力學性能的影響。結果顯示，無論是膠粘連接還是將兩種方式相結合連接的構件均為脆性破壞，破壞均由粘膠控制。

2017年，劉洋等[16]針對鋼木組合剪力墻的抗側性能，對一個鋼框架進行了單調加載試驗，并針對兩組OSB板不同厚度的剪力墻做了低周反復荷載試驗，通過對墻體的滯回性能、抗側性能、耗能能力、延性等試驗數據的分析，發現相對于鋼框架來說，OSB木板的加入能有效增加墻體的抗側性，木板厚度越大，抗側性就越好，但鋼木組合剪力墻的耗能能力并未達到理想狀態。由于自攻螺釘的缺陷，在剪力墻破壞時，自攻螺釘發生嚴重的滑移和翹曲，但鋼板損壞木板完整，說明木板和鋼框架的協同工作能力較差。

我國對于鋼木組合其他構件研究較多的是鋼木組合樓蓋和剪力墻的抗側性能，同時還對鋼木組合連接節點有所涉及，這些研究均是基于試驗研究的。樓蓋最重要的特征是平面內剛度，影響因素較少，研究效果較好。剪力墻存在的主要問題是連接問題，鋼材和木材不能很好地協同工作，試驗結果不能達到預期效果。

3 待解決的問題

3.1 鋼木組合結構的推廣

目前，鋼材的產量豐富，市場供大于求，造成鋼材價格低廉，同時人們過于依賴鋼筋混凝土，不易接受其他建材，認為木材價格高昂，不經濟，力學性能差，所以如何推廣鋼木組合結構就成了一個問題。

3.2 鋼木組合結構的協調性

鋼材和木材的彈性模量和線膨脹系數相差較大，這就造成如果沒有合理連接和組合方式，鋼材和木材就不會協調工作。所以，要充分研究鋼木組合結構連接處的受力性能、破壞機理，設計出可靠的連接和組合方式，以保證鋼材和木材協調工作。

3.3 鋼木組合結構的耐火性

木材具有可燃性，燃燒過程中會釋放大量熱量，火場中心溫度可達1 200 ℃，火勢蔓延非常迅速[17]。雖然木材在燃燒的過程中會被炭化，形成一層保護膜，但是保護膜發揮作用的時間很短，很快就會被完全燒毀。鋼結構的耐火極限值僅為15 min。鋼材和木材的耐火性能都較差，給鋼木組合結構做好防火措施是結構安全的關鍵。

4 結論

鋼木組合作為一種綠色的新型組合形式，應該被大力推廣來代替傳統的建造模式，是我國打造綠色建材和裝配式建筑的一種有效手段。我國目前對于鋼木組合結構的研究還處于初步階段，還需要不斷地攻克難題，探索鋼材和木材最合理的組合形式（包括截面形式和鋼材與木材的用量），研究兩種材料最佳的連接方式，使組合結構避免滑移，協同工作。解決這些問題是我國發展鋼木組合結構的關鍵。

參考文獻：

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[4]羅佳鈺，李響，鄧瑞澤.新型鋼-木組合梁抗彎性能數值分析[J].低溫建筑技術，2017（2）：46-48.

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[6]鄒偉.薄壁H型鋼-木組合梁受彎承載力計算分析研究[D].綿陽：西南科技大學，2018.

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[10]趙東拂，王磊，孟穎.鋼-木組合柱抗側力性能試驗研究及有限元分析[J].振動與沖擊，2018（11）：61-70.

[11]王俊人，段紹偉.鋼-木組合柱偏心受壓力學性能試驗分析[J].建筑技術開發，2019（9）：16-17.

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[14]馬仲，何敏娟，馬人樂.輕型鋼木混合樓蓋水平抗側性能試驗[J].振動與沖擊，2014（18）：90-95.

[15]方超.鋼-木組合連接靜力性能研究[D].北京：北京交通大學，2015.

[16]劉洋，陳志華，安琦，等.輕型鋼木組合剪力墻抗側性能試驗研究[J].天津大學學報，2017（1）：78-83.

[17]苗豐，梁國艷，王江平，等.木結構建筑全生命周期內防火研究與消防管理[J].施工技術，2018（9）：136-137.