鋼木組合結構在土木工程中的應用與發(fā)展

李聞影，潘福婷，云浩

（安徽新華學院土木與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230088）

1 概 述

在眾多建材中，木材是惟一可再生且能夠多次循環(huán)利用的天然材料。木材除了給人舒適、溫暖、具有親和力的感受之外，同時還給人帶來健康的生活環(huán)境。同時，木材作為一種建筑材料，具有輕質(zhì)高強、抗震性能好、易加工等特點，相比較鋼材，其在高溫下的強度損失較小，因而木結構建筑在世界上許多國家應用已很普遍。尤其伴隨著現(xiàn)代科技和計算機產(chǎn)業(yè)的不斷進步，木結構從取材、加工、設計、安裝均已融入了科技成分，現(xiàn)代木結構建筑已成為傳統(tǒng)營造概念和現(xiàn)代科技的完美結合物[1-2]。雖然木材的優(yōu)點很多，但也有易變形、質(zhì)地不均勻、明顯的各向異性等天然缺陷。木材在順其生長方向上的纖維長度及強度較徑向大得多。這決定了木材特別適合單向承受順紋方向的拉、壓及彎矩。

鋼材是一種輕質(zhì)高強的材料，材質(zhì)較為均勻。鋼材的塑性及韌性非常好，可焊性也非常好。除此之外，還可以采用螺栓連接、鉚接等多種方式，使不同構件之間及與其他材料之間的連接更為方便，這是其他材料所不能比擬的。鋼結構是一種高效、快速、經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保型建筑結構，不僅可以大大節(jié)約施工時間且施工不受季節(jié)影響，同時還增大了住宅空間使用面積，節(jié)能效果好，抗震性能好，可避免鋼筋混凝土濕式施工所造成的環(huán)境污染和噪聲污染，便于拆卸回收和循環(huán)利用。

通過不同材料構成的結構構件或結構形式組合，最大限度地發(fā)揮材料各自的屬性，彌補各自的力學缺陷，從而達到結構能效的優(yōu)化，基于這種結構體系的建筑即為組合結構[3]。木結構中輔以鋼材使整個結構具備了較強的拉、壓、彎能力，許多新型高效的結構同樣可以采用木結構，而鋼節(jié)點的設計也極大的簡化了構件的連接，易形成簡潔的形象；鋼結構中輔以木材，不僅可以提高鋼結構的穩(wěn)定性、耐火性，還可以使整個建筑富有暖意，不再給人冰冷的感覺。

圖1 站房屋頂結構

圖2 公園休息長廊

圖3 鋼木組合橋面

圖4 鋼木組合梁

鋼木組合結構是指運用鋼材和木材相互組合的方式建造的構筑物結構體系。這種組合結構體系比傳統(tǒng)的木結構體系更加堅固耐用，又比現(xiàn)代的純鋼結構更豐富多彩，被廣泛地運用于多種建筑結構當中。鋼材和木材這兩種材料進行組合，為設計師帶來了與以往不同的設計感受：鋼材作為極富現(xiàn)代氣息的材料與木材這種自然又充滿暖意的材料相互結合，使得運用鋼木組合結構進行設計和建造的建筑物很容易被賦予一種獨有的氣質(zhì)，既具有時代氣息又不失親和力。鋼木組合結構最大的優(yōu)勢在于兩種材料的性能互補、協(xié)同作用，既有利于各自材料性能的高效發(fā)揮，同時也能夠使結構抵抗各種拉、壓、彎、剪等應力作用?；诓煌W承載機制的結構形態(tài)被引入現(xiàn)代鋼木組合結構的設計中，其結構類型與建筑的表現(xiàn)形式也日益豐富。鋼木組合結構形式不僅能創(chuàng)造木質(zhì)空間的效果，而且能夠大大增強結構整體的強度，可以廣泛應用在各種公共建筑中，尤其是體育館、展覽館等大跨度建筑。與傳統(tǒng)的鋼結構、混凝土結構相比，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。

2 鋼木組合結構的形式、特點及應用

2.1 分離式組合結構

2.1.1 鋼木桁架

木材與鋼材相分離，分別組成結構的基本構件。由于木材的強度相對其他建材較低，這樣往往導致木結構建筑的跨度和高度都不大，限制了木結構在大跨建筑中的使用。如果將鋼材運用到木結構中去，形成鋼木桁架，木結構建筑有了局部的鋼結構輔助，就能有效地放開建筑本身的結構形式。在這種類型的建筑結構中，往往是木構件或木結構起主導作用，常常決定著建筑的整體結構和空間造型；鋼構件或局部鋼結構僅僅作為輔助結構穿插于木結構建筑體系中，這樣容易形成更加高效合理的結構新形式，如展覽館、多功能廳、體育館和站房的屋蓋結構等（如圖1）。

這種鋼木組合結構形式的建筑是對現(xiàn)代木結構建筑的有益擴展。它不失木結構建筑溫暖自然具有人情味的空間特質(zhì)，同時合理有效的鋼木構成充分發(fā)揮了材料各自的力學特性，建筑的表現(xiàn)形式也具有強烈的時代特征。不論在設計的可能性、結構的功能性及材料的多樣性上，都能符合現(xiàn)代建筑的藝術及技術要求。

2.1.2 景觀建筑

景觀構筑物往往會成為人們生活中的一個視覺焦點，一個兼具實用性和觀賞性的構筑物。在當代的風景園林設計中，我們總能發(fā)現(xiàn)大量運用鋼木組合結構設計建造的景觀構筑物，如景觀碼頭、餐廳茶室、觀景塔樓、休息平臺、棧道、橋梁等[4]（如圖2）。

現(xiàn)代鋼木組合結構形式的創(chuàng)新表現(xiàn)在靈活運用現(xiàn)代結構理論成果，以及基于不同的承載體系的組合，綜合各種結構優(yōu)勢的混合和空間結構等等。此外，由于采用了新型的節(jié)點，許多傳統(tǒng)的結構整體性能得到顯著提高，在當代建筑創(chuàng)作中也不斷推陳出新。這些結構形式不僅可以解決眾多傳統(tǒng)木結構面臨的跨度問題，而且還帶來了現(xiàn)代木結構豐富的表現(xiàn)形式。

2.1.3 鋼框架木屋蓋住宅

鋼框架木樓蓋住宅[5]是一種新型的住宅結構體系。在傳統(tǒng)的鋼結構住宅中引入木樓蓋，具有承載力高、自重輕、工業(yè)化程度高、施工速度快、綠色環(huán)保等特點，避免了混凝土樓蓋濕作業(yè)和自重大的缺點，使得鋼結構住宅結構更趨向于綠色環(huán)保、循環(huán)利用的可持續(xù)發(fā)展。

2.1.4 鋼木組合樓梯

這種組合樓梯的特點是輕盈，線條感性，大都耐用，不需任何維護，所以鋼木組合樓梯比較受業(yè)主的喜愛，也是市面上最暢銷的產(chǎn)品。其綜合了鋼木兩種樓梯的優(yōu)點，多用鋼制透空主梁（單梁及雙梁）實木踏板，欄桿采用不銹鋼與玻璃組合，扶手則采用與踏板配套的木制扶手。它既有木樓梯的溫馨感也有鋼梯的輕盈大方，且最為堅固免于樓梯的維護。

2.2 一體式組合結構

2.2.1 鋼木組合橋面系

鋼木組合橋面系是利用剪力連接件把縱向疊合橋面板與鋼梁組合起來（如圖3）。橋面木板在上，主要抵抗荷載作用下引起的壓應力；鋼梁在下，主要抵抗荷載作用下引起的拉應力。長安大學高詣民[6]對這種橋面系結構的力學性能進行了分析，分析表明這種橋面結構可以大大降低橋梁的自重，提高橋梁的跨越能力，橋梁結構的經(jīng)濟性也將隨之增強。鋼木組合橋面系在以下橋梁結構領域具有廣闊的應用前景：中小跨徑，尤其是在云南等森林資源豐富的地區(qū)將具有更大的經(jīng)濟效益；抗災搶險、戰(zhàn)備橋梁等快速安裝的裝配式橋梁以及便攜式橋梁；城市人行天橋，木橋造型美觀、與環(huán)境相協(xié)調(diào)，風景區(qū)景觀橋梁建設中將具有獨特的優(yōu)勢；舊橋維修加固，具有良好的技術優(yōu)勢。如果使用預制木橋面板替換混凝土橋面板，由于自重上的減少可以大大提高活載的比例，同時也可以減少施工安裝的復雜性，大大縮短施工周期，從而降低維修成本，而且橋面板的使用壽面能達到50年。

2.2.2 幾字形鋼木組合梁

木與鋼合為一體組成結構的基本構件。這種組合梁（如圖4）是由較薄的熱鍍鋅鋼板軋制成的“幾”字形外殼，中空填充木方（防止鋼制外殼被壓屈），再用螺栓連接而成的。這種組合梁一般作為混凝土結構模板的主、次龍骨，其優(yōu)點是性能穩(wěn)定、可工廠自動化加工、質(zhì)量可靠、周轉次數(shù)多、重量較輕、易于人工操作。

3 鋼木組合構件的發(fā)展前景及待解決的問題

3.1 發(fā)展前景

相對于混凝土結構建筑，綠色生態(tài)可謂是現(xiàn)代鋼木組合結構建筑發(fā)展的最大優(yōu)勢。在現(xiàn)代鋼木組合結構建筑中，建筑師和結構師從不同的層面上理解建筑的生態(tài)意義，并進行積極的探索與實踐。鋼木組合結構建筑以木材自然溫馨的物質(zhì)屬性建立建筑與自然、與人聯(lián)系的紐帶。因此，隨著鋼材和木材的供應充足、設計理論的不斷成熟、人們觀念的不斷轉變，鋼木組合結構在現(xiàn)代建筑、橋梁、構筑物等方面均會有很好的發(fā)展前景和空間。

3.2 需要解決的問題

3.2.1 鋼木組合結構在溫度作用下的協(xié)調(diào)性

木材的線膨脹系數(shù)大約是鋼材線膨脹系數(shù)的1/300，因此，在相同的溫度作用下兩者的變形不協(xié)調(diào)，在鋼木組合設計中應該要考慮由此產(chǎn)生的次內(nèi)力影響。

3.2.2 鋼木組合結構的連接件

鋼材與木材這兩種特性截然不同的材料要進行不同形式的組合，就需要在組合交接的時候關注節(jié)點細部設計。對于連接處的受力性能、破壞機理尚需要進行充分的分析和研究，以確保結構的安全。

3.2.3 鋼木組合結構的推廣

目前，很多歐美國家不斷向我國出口原木、鋸材等，且國內(nèi)也建設了大面積的速豐林基地，木材完全可以滿足市場的需求；鋼材的產(chǎn)量更是充足，甚至于市場上出現(xiàn)了供大于求的現(xiàn)象。因此，如何逐漸改變?nèi)藗儗鹘y(tǒng)混凝土結構的信任和依賴，逐步推廣鋼木組合結構成為了迫在眉睫的事情。

[1]楊子江.木結構——綠色節(jié)能建筑結構[J].房材與應用,2005(3).

[2]陳恩靈，費本華，王曉歡.我國現(xiàn)代木結構建筑研究現(xiàn)狀[J].林產(chǎn)工業(yè),2008(4).

[3]聶建國,樊健生.廣義組合結構及其發(fā)展展望[J].建筑結構學報,2006(6).

[4]林箐，郁蔥.鋼木結構景觀構筑物的結構節(jié)點細部形式探討[J].風景園林工程,2013(8).

[5]陸榮喜.鋼框架、木樓蓋住宅結構性能研究[D].南京：南京林業(yè)大學,2009.

[6]高詣民.CLT鋼木組合橋面系研究[D].西安：長安大學,2010.