劉永健，傅梅珍，劉士林，葛勝錦，劉玉娟，李 娜

（1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

木結(jié)構(gòu)橋梁在中國的建造歷史悠久［1］，公元前1135年建成的渭河木浮橋［2］、宋代《清明上河圖》上的汴水虹橋以及現(xiàn)存于廣西的程陽風(fēng)雨橋、閩浙一帶的編木拱橋等［3］，無不展示中國古代木橋建造技藝的高超。近代，特別是過去的40余年里，中國木結(jié)構(gòu)橋梁的研究幾乎處于停滯狀態(tài)，高等院校土木工程專業(yè)不開設(shè)“木結(jié)構(gòu)”課程，木結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)相當(dāng)落后，相關(guān)人才嚴(yán)重匱乏。人們對于木結(jié)構(gòu)橋梁的認(rèn)識尚停留在對傳統(tǒng)原木或鋸木結(jié)構(gòu)橋梁的認(rèn)識上，如“木結(jié)構(gòu)易腐朽、易蟲蛀”，“木橋結(jié)構(gòu)形式單一，其應(yīng)用易受木材天然尺寸限制”等。

與中國木結(jié)構(gòu)橋梁研究近40余年停滯不前的狀態(tài)相反，歐美等發(fā)達(dá)國家對木結(jié)構(gòu)橋梁的研究系統(tǒng)而深入。隨著現(xiàn)代木產(chǎn)品加工、連接和防護(hù)等技術(shù)的引入，相關(guān)技術(shù)規(guī)范的不斷豐富和完善，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁以全新的面貌出現(xiàn)在人們的眼前，其綠色環(huán)保、輕巧美觀、施工便捷、性能可靠等優(yōu)勢日漸顯現(xiàn)，備受橋梁工程師們的青睞［4］，在歐美等發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的應(yīng)用［5－7］。

本文中筆者主要介紹了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行分析，以期推動中國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展。

1 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)橋梁相比，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁采用現(xiàn)代加工、連接等技術(shù)，截面尺寸更穩(wěn)定，力學(xué)性能更均勻可靠，結(jié)構(gòu)形式更豐富?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁具有如下幾個特點(diǎn)：木產(chǎn)品加工技術(shù)先進(jìn)、連接技術(shù)可靠、耐久性能好等。

1.1 木產(chǎn)品加工技術(shù)

木材是一種生物材料，強(qiáng)度和外觀受其固有缺陷如木節(jié)、裂紋、腐朽等影響［8］。先進(jìn)的木產(chǎn)品加工技術(shù)的興起逐漸改善了這種現(xiàn)狀，木材在橋梁結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用成為可能。木產(chǎn)品加工技術(shù)主要有層板膠合木（Glued Laminated Timber，GLT）技術(shù)、應(yīng)力疊合木（Stress Laminated Timber，SLT）技術(shù)以及交錯疊合木（Cross Laminated Timber，CLT）技術(shù)。

GLT技術(shù)能按照木構(gòu)件不同部位的應(yīng)力要求配置不同等級的木材，將木材缺陷剔除或勻至各層，構(gòu)件的長度和截面尺寸可以按需制作而不受木材天然尺寸的限制，并能夠按照受力要求膠合成各種形式的截面和曲線，如圖1所示。木構(gòu)件實(shí)現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)，使木結(jié)構(gòu)獲得了更加多樣化、均質(zhì)化的構(gòu)件來源［9］。

圖1 GLT構(gòu)件Fig.1 Glued Laminated Timber Member

CLT技術(shù)采用交錯疊合的加工方式（圖2），能充分利用木材順紋抗拉強(qiáng)度和橫紋抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，提高了木產(chǎn)品的整體性和均質(zhì)性，此外，還能充分利用低等級木材，工廠化程度高。

SLT技術(shù)的引入提高了木結(jié)構(gòu)間的整體性［10］。1976年加拿大安大略省應(yīng)用該技術(shù)首次提出了SLT橋面板的概念［11］，如圖3所示，從而提高了木結(jié)構(gòu)橋梁的使用性能，推動了木結(jié)構(gòu)橋梁尤其是應(yīng)力疊合板梁橋的飛速發(fā)展。

1.2 連接技術(shù)

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)采用的連接主要有齒連接、榫卯連接以及釘連接等，連接件的承載能力較低，而且疲勞性能較差，施工效率低。隨著現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展，橋梁跨徑不斷增長，對木結(jié)構(gòu)連接的要求逐漸提高，其連接構(gòu)造的形式也逐漸得到豐富。如圖4（a）所示的球鉸連接的出現(xiàn)使復(fù)雜空間木桁架結(jié)構(gòu)成為可能，如圖4（b）所示的木結(jié)構(gòu)金屬連接件連接和如圖4（c）所示的螺栓連接實(shí)現(xiàn)了木結(jié)構(gòu)多構(gòu)件間的連接，安全可靠。此外，一種新型鋼－木連接件逐漸興起［12］，如圖4（d）所示，從而降低鋼－木連接件安裝施工難度，推動了現(xiàn)代鋼－木組合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展。

1.3 耐久性能

由于現(xiàn)代防腐、防火技術(shù)以及木結(jié)構(gòu)橋梁橋面鋪裝技術(shù)的引入，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性能得到大幅度提高。

1.3.1 防腐技術(shù)

現(xiàn)代防腐技術(shù)和防腐劑的出現(xiàn)提高了木結(jié)構(gòu)防腐性能的同時，其耐久性能也得到很大提高。經(jīng)防腐處理的木材質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性高且來源廣泛，能夠在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁中取得良好的應(yīng)用效果，提高現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁的使用壽命，拓展其使用環(huán)境。

目前使用的防腐劑種類較多，概括起來主要有3大類：油類防腐劑、油溶性防腐劑以及水溶性防腐劑。防腐處理方法也在逐漸完善，主要有浸漬法、噴灑法和刷涂法，目前使用最廣泛的是加壓浸注處理法，其處理過程如圖5所示。此外，防腐相關(guān)規(guī)范也逐漸得到完善［13－16］。

圖5 加壓浸注處理法Fig.5 Treatment Method by Pressure Impregnation

1.3.2 耐火性能

大體積木構(gòu)件的耐火木結(jié)構(gòu)橋梁的防火設(shè)計(jì)主要是采取一定的構(gòu)造措施，或進(jìn)行必要的阻燃處理，使各類木構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限滿足《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50005—2003）［17］中的規(guī)定。木材的多孔性生物材料特性和木材細(xì)胞間自由水的存在及木材燃燒過程中不燃性氣體和表面碳化層的出現(xiàn)都能延緩甚至阻止木材進(jìn)一步燃燒（圖6）。目前，木結(jié)構(gòu)防火涂料的研究也很成熟，其在遇火時能膨脹發(fā)泡形成致密蜂窩碳層，延緩木結(jié)構(gòu)進(jìn)一步燃燒。

此外，用于橋梁結(jié)構(gòu)的木構(gòu)件一般尺寸較大，而大尺寸木構(gòu)件的耐火性能不比其他建筑材料構(gòu)件差，如在815.6℃高溫時，木構(gòu)件不會迅速破壞，而鋼構(gòu)件會因屈服強(qiáng)度急劇下降而迅速破壞。短暫高溫作用下，木構(gòu)件強(qiáng)度仍然存在，但鋼構(gòu)件會迅速屈服破壞，反而需要木構(gòu)件支撐［18］，如圖7所示。

圖6 木構(gòu)件碳化防火Fig.6 Fire Prevention with Carbonization for Timber Structure

圖7 屈服破壞的鋼構(gòu)件被木構(gòu)件支撐Fig.7 Steel Member Yielded by Heat Are Supported by a Charred Wood Beam

1.3.3 橋面鋪裝

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)橋梁一般不鋪設(shè)橋面鋪裝層，行人或車輛直接與木橋面板接觸，會加大橋面局部破壞的可能。此外，木橋面板直接暴露在空氣中，會加速木橋面板的腐蝕和裂縫的開展，從而影響橋梁的耐久性能。

與傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)橋梁不同，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁考慮橋面鋪裝，在改善橋面性能的同時，提高其耐久性能，而且木橋面板橋面鋪裝技術(shù)已相對成熟。目前，木結(jié)構(gòu)橋梁橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)形式較多，一般有瀝青鋪裝層、同步碎石鋪裝層以及厚木板式鋪裝層［19］，其中瀝青鋪裝層耐久性能好、抗滑力較高，而且能有效保護(hù)木橋面板，是木橋面板最佳的鋪裝層形式，其應(yīng)用實(shí)例如圖8所示。

2 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁的橋面結(jié)構(gòu)形式

木橋面板是木結(jié)構(gòu)在橋梁上的主要應(yīng)用形式之一，其結(jié)構(gòu)形式多樣，主要有螺釘疊合木橋面板、GLT橋面板、SLT橋面板、木－混組合橋面系、鋼－木組合橋面系以及CLT橋面板，其中，SLT橋面板、木－混組合橋面系、鋼－木組合橋面系以及CLT橋面板是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁中使用較多的橋面結(jié)構(gòu)形式。

圖8 瀝青鋪裝層應(yīng)用實(shí)例Fig.8 Application Example of Asphalt Pavement

2.1 SLT橋面板

SLT橋面板是一種利用張拉的高強(qiáng)鋼筋束并在規(guī)格疊合板內(nèi)部預(yù)加側(cè)向壓應(yīng)力的橋面板，它把一塊塊獨(dú)立的木板變成一個剛性板結(jié)構(gòu)，從而使直接承受車輪荷載的木板將荷載更好地傳遞到鄰近的木板，以達(dá)到共同受力的目的。將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入木橋面板中最初是受到體外預(yù)應(yīng)力的啟發(fā)，用來加固開裂的螺釘疊合木橋面板［20］。

根據(jù)橋梁跨徑、荷載的不同，SLT橋面板截面可以采用多種形式，主要有矩形［圖9（a）］、T形［圖9（b）］、箱形［圖9（c）］和桁架形［圖9（d）］。此外，錨固區(qū)對SLT橋面板的使用性能有著較大的影響，可靠的錨固連接能夠降低鋼束預(yù)應(yīng)力損失，保證SLT橋面板整體性能。目前，SLT橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束有雙排和單排之分，其錨墊板可以使用槽鋼和矩形鋼板，其常用的錨固類型如圖10所示。

2.2 木－混組合橋面系

早在19世紀(jì)30年代，木－混組合橋面系在北美已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其抗震性能和耐火性能較普通木橋面板好，同時還能夠降低噪聲的影響［21］。它有2種常用的截面形式：一種是在縱向釘合木橋面板上增加鋼筋混凝土面層而形成的一種組合橋面系，如圖11（a）所示；另外一種是通過抗剪連接件將混凝土板和木梁連成整體的一種組合橋面系，如圖11（b）所示。

早期的木－混組合橋面系一般在木結(jié)構(gòu)上開槽，通過后期澆筑混凝土形成的混凝土榫抵抗剪力，其結(jié)合面細(xì)部如圖12所示。但木混間的抗剪連接件能大大增加橋面系的強(qiáng)度和剛度（2～4倍），所以為了加強(qiáng)木混間的組合作用，現(xiàn)代木－混組合橋梁通常在木梁與混凝土板間設(shè)置抗剪連接件?？辜暨B接件可以有各種不同形式，如剪力釘連接件［圖13（a）］、高強(qiáng)抗剪板連接件（HBV連接件）［圖13（b）］以及螺紋鋼連接件［圖13（c）］。

圖9 SLT橋面板截面形式Fig.9 Cross Section Types of Stress Laminated Timber Deck

2.3 鋼－木組合橋面系

鋼－木組合橋面系能夠充分利用可再生的木材和回收率高的鋼材，環(huán)保節(jié)能，同時能夠發(fā)揮木材和鋼材各自的優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用前景廣闊的橋面系結(jié)構(gòu)形式。鋼－木組合橋面系一般結(jié)構(gòu)形式為木橋面板通過鋼－木連接件與鋼梁連接，共同受力，以提高木橋面板結(jié)構(gòu)承載能力，同時還打破原始純木結(jié)構(gòu)在橋梁上應(yīng)用受限的束縛，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁向大跨徑的快速發(fā)展。

鋼－木連接件是鋼－木組合橋面系的關(guān)鍵點(diǎn)之一，傳統(tǒng)的鋼－木連接件是通過螺栓連接的，但存在削弱鋼梁截面、橋下作業(yè)多等缺點(diǎn)。通過研究，新型鋼－木連接件逐漸產(chǎn)生，其構(gòu)造如圖14所示。該連接件的剪力釘直接焊在主梁上，并通過疊合板上的預(yù)留孔穿過木橋面板，然后用環(huán)氧樹脂砂漿將開孔填滿，從而形成鋼－木連接件，此外，還有如圖4（d）所示的新型鋼－木連接件。

2.4 CLT橋面板

CLT橋面板將CLT技術(shù)引入木橋面板，從而提高橋面板的整體力學(xué)性能和雙向力學(xué)性能，降低木材各向異性特性對木構(gòu)件受力性能的影響。建于1998年的奧地利Wandritsch公路橋的橋面板即為CLT橋面板（圖15），其中CLT橋面板共9層。此外，奧地利Raabsteg Feldbach CLT橋采用的也是CLT橋面板（圖16），該橋建于1998年8月，其跨徑為35m［22］。

3 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)形式及其應(yīng)用前景

目前，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁常用的結(jié)構(gòu)形式主要有應(yīng)力疊合板梁橋、桁架橋和拱橋，當(dāng)然橋面板以及欄桿等采用木結(jié)構(gòu)，其余采用混凝土或鋼結(jié)構(gòu)的木結(jié)構(gòu)斜拉橋、懸索橋也有成功案例?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁具有造型優(yōu)美、環(huán)境友好且材料可再生等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 應(yīng)力疊合板梁橋

應(yīng)力疊合板梁橋是由SLT橋面板與墩臺連接組合而成的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式，它具有強(qiáng)度高、使用性能好、施工快速、工廠化程度高等特點(diǎn)，是目前中小跨徑木結(jié)構(gòu)橋梁使用較多的一種結(jié)構(gòu)形式。

應(yīng)力疊合板梁橋按照預(yù)應(yīng)力鋼束布置方向與交通流間的關(guān)系可分為縱向應(yīng)力疊合板梁橋（預(yù)應(yīng)力鋼束布置方向與交通流垂直）和橫向應(yīng)力疊合板梁橋（預(yù)應(yīng)力鋼束布置方向與交通流平行），其中應(yīng)用較多的是縱向應(yīng)力疊合板梁橋，如圖17所示的美國應(yīng)力疊合板梁橋，該橋能與周圍的環(huán)境完美融合。此外，如圖18所示的挪威 Mattisdammen橋，該橋整體性好、環(huán)境協(xié)調(diào)且經(jīng)濟(jì)性較高。

3.2 桁架橋

木桁架橋梁受力合理，結(jié)構(gòu)形式簡潔明了，也是目前木結(jié)構(gòu)橋梁使用較多的一種結(jié)構(gòu)形式。如圖19所示的芬蘭Toijala Tampere橋，該橋主要供行人和車輛使用，橋長60m，橋?qū)?.5m，跨徑組合為30m＋30m，橋面板為層板膠合木，板厚140mm。如圖20所示的挪威Flisa橋，該橋建于2003年，全長196m，主跨為70.34m［23］。還如建于2003年的日本Karikobouzu公路橋（圖21），該橋?yàn)?跨桁架結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)輕盈，顏色柔和，其跨徑組合為25m＋50m＋50m＋15m。

3.3 拱 橋

木結(jié)構(gòu)拱橋結(jié)構(gòu)形式優(yōu)美，傳力明確，在木結(jié)構(gòu)橋梁建造史上占據(jù)了重要地位，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)拱橋采用現(xiàn)代加工、連接技術(shù)，橋梁跨徑加大，結(jié)構(gòu)截面形式更加豐富，在美國、挪威等國家應(yīng)用較多。如圖22所示的美國Alton Sylor Memorial橋，該橋全長83.6m，其中主跨長51.8m，橋?qū)?.8m，為美國當(dāng)時最大的木拱橋。在自然外觀上，該橋與周圍環(huán)境完美的融合在一起，曾獲得美國2004～2005年度公路橋梁創(chuàng)新大獎。如圖23所示的挪威Tynset橋，該橋建于2001年，全長125m，跨徑組合為27.5m＋27.5m＋70m，為一座公路橋，主跨矢高為17.3m，其主拱肋縱向、橫向截面形式如圖24所示［24］。還如圖25所示的挪威Leonardo橋，該橋?yàn)橐蛔诵芯坝^橋，全長109.2m，主跨長為40m，它由1個垂直拱及2個傾斜拱組成，拱頂互相連接，其拱肋截面為三角形層板膠合木，輕巧優(yōu)美。

3.4 斜拉橋

木結(jié)構(gòu)斜拉橋也是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)形式之一，它主要由木橋面板、鋼絞線（鋼絲束）拉索以及木（混凝土）塔組成。

如圖26所示的木斜拉橋坐落于荷蘭阿爾梅勒市，主要作為人行橋來使用，同時允許自行車通過，它不僅結(jié)構(gòu)新穎，而且極具美學(xué)效果。該橋建于2007年，全長75m，橋?qū)?0m，橋面板采用木橋面板，兩側(cè)用S形預(yù)制混凝土板做支撐，其余主要受力部件為鋼結(jié)構(gòu)。如圖27所示的木斜拉橋坐落于瑞士巴賽爾州，該橋建于2005年，全長70m，橋?qū)? m，橋塔及拉索均為鋼結(jié)構(gòu)，橋面板以及扶手采用木結(jié)構(gòu)，橋面板上鋪設(shè)瀝青鋪裝。

3.5 懸索橋

木結(jié)構(gòu)懸索橋一般是指橋面板為木結(jié)構(gòu)，塔可以為混凝土。早在20世紀(jì)20年代，南非就有木結(jié)構(gòu)懸索橋建造實(shí)例（圖28），該橋全長132m，主跨長80m，建于1920年［25］。還如2000年12月建成通車的中國西藏通麥橋（圖29），該橋?yàn)榕R時性橋梁，主跨長210m，采用木橋面板建造。

3.6 鋼－木組合結(jié)構(gòu)橋梁

鋼－木組合結(jié)構(gòu)橋梁的出現(xiàn)凸顯了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁在大跨徑橋梁上的特有優(yōu)勢。用木橋面板替換混凝土橋面板可以降低橋梁的自重，提高活載比例；而用木橋面板替換正交異性鋼橋面板能夠改善鋼橋面板橋面鋪裝追從性差、使用性能不佳等問題。

2010年，高詣民［26］以廣東東莞市東江大橋主橋?yàn)橐劳泄こ?，用木橋面板替換混凝土橋面板，探討了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁在大跨徑鋼橋上的應(yīng)用前景和優(yōu)勢，研究結(jié)果表明：在自重和二期恒載作用下，相對于混凝土橋面板，采用木橋面板后橋梁撓度和桁架應(yīng)力平均減少約30%，而且自重減少約50%，降低了施工階段吊裝機(jī)具的要求，此外，木橋面板養(yǎng)護(hù)期短，加快了施工工期。

另外，隨著社會發(fā)展，對橋梁承載能力要求逐漸提高，大量早期建造的橋梁面臨著維修加固問題。用木橋面板替換原有混凝土橋面板，可以降低橋梁恒載且提高橋梁承受活載的比例，從而提高橋梁承載等級，同時減少施工安裝的復(fù)雜性，降低維修成本。2009年，美國黑橋加固改造工程即為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁在舊橋加固改造方面很好的例子，圖30為該橋的新木橋面板施工。美國黑橋原為一座四跨橋梁，在加固改造后變?yōu)槿?，主跨加大，用木橋面板替換原有混凝土橋面板，降低了橋梁的恒載，從而達(dá)到最大限度地利用原有基礎(chǔ)的目的，降低了加固改造費(fèi)用［27］。

圖30 美國黑橋的新木橋面板施工Fig.30 Construction of New Timber Deck of Black Bridge in America

4 結(jié)語

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁采用先進(jìn)的木結(jié)構(gòu)加工、連接技術(shù)，且耐久性能好、結(jié)構(gòu)形式多樣，能夠滿足不同橋梁結(jié)構(gòu)需求。同時，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁具有自重小、施工周期短、綠色環(huán)保節(jié)能、經(jīng)濟(jì)性高、環(huán)境協(xié)調(diào)性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊，能夠豐富中國現(xiàn)代橋梁的結(jié)構(gòu)形式。

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