薄壁型鋼—木組合柱承載力研究綜述

黃春曉，潘福婷，王穎

（1.建筑結構安徽省普通高校重點實驗室（安徽新華學院），安徽 合肥 230088；2.安徽新華學院 城市建設學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

從國家可持續發展戰略考慮，選用綠色環保的建筑材料和結構形式已經成為了行業發展的趨勢。2017年發布的《關于加快發展裝配式建筑的實施意見》中提出要加快裝配式建筑的產業化，積極推廣鋼結構、預制裝配式混凝土結構和混合結構，特別是在地震多發地區積極發展鋼結構和木結構建筑。薄壁型鋼-木組合截面柱是一種新型的組合構件，由薄壁型鋼、木板（方木）以及結構膠粘層（自攻螺釘連接件）三部分組合而成，常見的截面形式見圖1。組合柱可以充分發揮兩種材料的優勢，彌補兩者的缺陷，在工程領域有良好的應用前景。

圖1 組合柱常見截面形式

2 鋼木組合結構的形式、特點及應用

2.1 組合結構形式

鋼木組合結構的形式有分離式和一體式兩種。分離式組合結構中鋼材和木材相分離，各自組成基本構件再連接形成結構，在鋼木桁架、景觀建筑、鋼框架木結構住宅和鋼木組合樓梯中應用廣泛。一體式組合結構則是將木與鋼合為一體組成基本構件，提高結構體系的承載力，常見的有鋼芯材-膠合木面層的組合結構形式。

2.2 組合結構特點

木結構作為傳統結構形式具有很多優點。首先，木材作為一種可再生資源，通過科學種植與采伐，能夠做到可持續使用。其次，與鋼結構和混凝土相比，木結構可以減少耗能，對環境的污染指數較小，符合國家關于節能環保的可持續發展戰略。第三，木材作為一種輕質高強材料，特別是順紋理抗壓抗拉強度甚至超過某些金屬。同時，木結構也有一些缺點，例如木材受力各向異性特點明顯、干縮濕漲、易燃易朽、不耐蟲蛀、連接形式受局限等。

鋼結構擁有輕質高強、抗震性能好、可工廠化預制生產、施工周期短，可回收再利用等優勢，在大跨建筑、高層高聳建筑以及橋梁工程中應用廣泛。然而，失穩問題包括整體失穩和局部失穩，使得鋼構件容易發生較大形變而喪失承載力，鋼材不耐火、不耐腐蝕，同時制約著鋼結構的發展。

鋼木組合結構同時發揮兩種材料的優勢，取長補短，形成裝配程度高、綠色環保的新型建筑形式。以鋼木組合柱為例，鋼材作為主要受壓構件，木材能提供一定的側向支撐，有效防止鋼構件的局部屈曲，提高構件的剛度和穩定承載力；另外，面層木材對核芯鋼材的包裹作用不但能有效防止鋼材的銹蝕，還能作為后期木包鋼的前期裝修。

2.3 國內外工程應用

美國林肯公園動物園南池（圖2）作為當地有名的旅游景點之一，選用的木結構屋面殼體為花瓣造型，使得該場地擁有了戶外教學的功能，展示了自然與城市環境的共存。所有構件均為弧形，極富韻律感，下端采用鋼結構銷軸節點與基礎相連，形成完美的過渡。

圖2 美國林肯公園動物園南池

被譽為“上海最美游泳館”的崇明體育訓練中心游泳館（圖3）端部兩跨布置為鋼結構，上部的木結構拱殼屋蓋選用交叉菱形網格殼體方案，屋蓋與下弦拉索結合橫向布置，形成鋼木混合張弦殼體結構體系。木結構在游泳館項目中的應用可以有效利用其保溫和耐腐蝕的優勢，減少冷熱橋，防止結露，更耐游泳池含氯水汽腐蝕；鋼構件和結構木構件在工廠預制鉆孔開槽后到現場拼裝，大大縮短了施工周期。

圖3 崇明體育訓練中心游泳館

3 薄壁型鋼-木組合柱研究現狀

3.1 薄壁型鋼柱受力性能研究

薄壁型鋼屬于輕質高強材料的一種，廣泛用于別墅、低層住宅和輕鋼廠房中。寬厚比較大的薄壁型鋼構件被稱為薄柔構件，容易發生局部屈曲，降低結構的延性和承載力。目前我國規范中主要通過限制板件寬厚比和受壓構件的長細比來控制局部屈曲和整體失穩，當薄壁型鋼柱腹板高厚比不滿足條件時，往往利用有效寬度法加以處理，雖然簡化了計算，但是并不經濟，學者們針對這一問題進行了試驗和理論研究。

2004年，趙靜以翼緣寬厚比、腹板高厚比和柱軸壓比為參數，對薄柔H型鋼柱進行了試驗研究和有限元分析，發現柱的破壞均由局部屈曲引起。

2006年，陳以一分別用試驗和有限元模擬的方式，進行了10個薄柔高頻焊接H鋼柱試件的單調和反復加載試驗研究和系統的數值分析。結果表明，在一般低多層框架結構的長細比范圍內，翼緣和腹板的寬（高）厚比以及柱的軸壓比嚴重影響柱的受力性能，并提出了罕遇地震作用下如何控制鋼柱的承載力下降的設計原則。

2011年，姚行友歸納總結了各國規范方法，并采用有限元數值模擬的方法，針對薄腹工字型截面軸壓柱，采用不同腹板寬厚比和柱軸壓比作為參數，進行有效面積的計算和分析。根據模擬結果，建議采用《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》（GB50018-2002）相關規定進行計算。

2016年，張愛林綜述了國內外鋼結構設計規范中關于薄柔截面構件的穩定承載力計算相關內容，比較了有效寬度法、直接強度法和有效截面法各自的優缺點，并對相關構件的屈曲問題提出了深入研究的建議。

3.2 木結構柱受力性能研究

由于傳統木結構在受力上的缺陷，例如孔洞對構件強度的較大影響，現代木結構設計中對木結構柱的研究主要集中在普通木構件中增配鋼筋或鋼絲或配置纖維增強材料上，研究結果表明，增強后的木構件剛度和承載力有所增加，但仍存在短期變形較大等問題。

2016年，顧迅杰系統地闡述了徽州傳統建筑中木柱的破壞形式及修繕加固辦法，并建立有限元模型進行分析和驗證。結果表明巴掌榫在垂直榫面的方向變形最大。

2018年，高潮建立了木柱分析模型，研究了水平地震作用下木柱在四種可能的運動方式下的響應特征，以及木柱對地震能量的轉化和耗散。

2019年，陳松軍結合工程實例，從建筑施工技術的角度對碳纖維加固技術在木結構柱中的作用進行了具體分析。

3.3 薄壁型鋼-木組合柱受力性能研究

薄壁型鋼-木組合柱將鋼材與木材的材料性能進行整體考慮，以最有效的方式發揮兩種材料的優勢。

2016年，潘福婷運用ANSYS軟件建立軸壓荷載下鋼柱和鋼木組合柱的有限元模型，考慮了幾何非線性和材料非線性。對比結果表明，組合柱核芯鋼板的強度在破壞前得到了充分利用，承載力顯著提高，并提出了鋼木組合柱的設計方法。

2017年，孟穎通過試驗和數值模擬的辦法，研究一種適用于裝配式結構的抗側力鋼木組合柱結構形式的力學性能，明確了其抗震耗能機理，印證了鋼木組合柱的抗側力性能以及耗能能力。

2018年，趙東拂對三組鋼木組合柱進行擬靜力足尺試驗，研究鋼筋彎折形式對組合柱抗震性能指標的影響。試驗結果表明鋼木組合柱有良好的耗能能力。建立ABAQUS有限元模型，進行低周反復荷載作用下的數值模擬，結果與試驗數據吻合良好。

2020年，李家安以偏心距、螺栓直徑和間距為參數，進行了偏壓荷載作用下六組螺栓連接的鋼木組合異形柱的試驗研究。結果表明，組合柱符合平面假定，兩種材料協同作用良好，破壞呈現延性特征。另外，提出了鋼木組合異形柱的優化設計方案以及節點連接方式。

2020年，劉朋進行了12個鋼木組合柱的軸心受壓試驗，研究了鋼材厚度、柱長細比、螺栓間距對軸壓承載力的影響。研究表明，組合柱中鋼骨主要承受軸壓荷載，外圍方木提供一定的屈曲約束。

目前針對鋼木組合柱的研究，主要是從靜力分析層面，證明了組合柱的受力性能比純薄壁型鋼和純木結構具有更大優勢。型鋼承受外荷載，木材作為面層材料能夠提供足夠的側向剛度，抑制鋼材的局部屈曲。但是針對鋼木組合柱的抗震性能的試驗研究以及數值模擬分析較少，也缺乏考慮連接方式、組合形式以及不同受力階段的柱承載力的設計計算公式。

4 發展前景及待解決問題

4.1 發展前景

當今世界科技高速發展，相比于傳統的結構形式，新型組合結構具有更明顯的受力和應用優勢，在建筑領域倡導節能環保、綠色可持續發展的大形勢下擁有更大的發展潛力。鋼木組合結構保留了傳統木結構自然溫馨的物質屬性，加入了現代鋼結構的受力優勢，在現代建筑、橋梁、構筑物方面會有很好的發展前景。

4.2 待解決問題

4.2.1 鋼木組合結構形式的推廣

鋼木組合結構體系在保證受力合理的基礎上，還要注重與美學和建筑功能的結合。如何充分利用鋼結構和木結構各自獨特的力學特性，同時滿足建筑的美觀要求，逐漸改變人們對傳統混凝土結構的依賴，鋼木組合結構的推廣問題成為新型結構形式研究發展道路上迫在眉睫的問題。

4.2.2 組合構件之間連接構造

在分離式組合結構中，為了使節點連接受力明確，易于加工，已經逐漸淘汰了傳統的榫卯連接，而采用鋼節點。無論是采用螺栓連接或者鉚釘連接均要在木構件中打孔，對木材的強度影響較大。另外對于一體式組合構件，木面層和鋼芯材之間主要采用結構膠粘劑和自攻螺釘的方式連接，目前大量試驗研究表明，這兩種連接方式均不能很好地起到組合作用，需要探索新型連接方式，使其能夠較好地協同工作，發揮兩種材料各自的優勢。

4.2.3 溫度作用下材料性能差異

鋼材與木材在溫度作用下的膨脹系數差異明顯，全干木材的膨脹系數為3-4.5×10-8/℃，鋼材為 8.31-14.68×10-6/℃。在實際工程中，尤其在嚴寒地帶，溫度作用下鋼材和木材之間容易產生結構內應力，對鋼木組合之間的協調性有很大影響，所以針對兩種材料在溫度作用下的協調變形研究有重要意義。

5 結論

鋼木組合結構作為一種節能綠色的結構形式，有效地利用了兩種材料的性能優勢，在綠色建筑和裝配式建筑領域值得被推廣使用。目前針對薄壁型鋼-木組合柱在建筑工程中的相關理論研究還不夠成熟，材料之間的連接組合、溫度應力下的性能差異和協同工作，都是當前需要攻克的技術難題。但伴隨著我國社會發展和科技進步，薄壁型鋼-木組合柱乃至鋼木組合結構在工程領域的應用必將迎來美好的未來。