張如玉 楊寶磊 李國東 郝丹青

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)理念的不斷深入，鋼木組合結(jié)構(gòu)成為我國建筑發(fā)展的潮流和趨勢，極具發(fā)展前景。鋼木組合結(jié)構(gòu)將鋼材和木材的優(yōu)點結(jié)合起來，充分發(fā)揮鋼材與木材的優(yōu)越性，彌補了鋼板截面薄、板件局部屈曲和畸變屈曲導(dǎo)致的構(gòu)件承載力不高，以及木材脆性大、抗彎能力不足等力學(xué)缺陷，進而達到結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化。

1 鋼結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)的特點

1.1 鋼結(jié)構(gòu)的特點

鋼結(jié)構(gòu)[1]是一種重要的工程結(jié)構(gòu)類型，在建筑工程、橋梁工程及其他各類工程中都有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。與其他結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有以下特點：鋼材強度高。雖然鋼材的密度較大，但其密度與強度的比值較小，因此結(jié)構(gòu)相對較輕。在相同的跨度并承受相同的荷載的情況下，鋼筋混凝土屋架的重量約為普通鋼屋架重量3倍～4倍，為冷彎薄壁型鋼屋架重量的10倍。鋼材擁有較高的塑性和韌性，以至于在破壞前可以產(chǎn)生較大的塑性變形，進而吸收和消耗能量，破壞易于被發(fā)現(xiàn)，可以及時采取補救措施，一般不會因偶然超載而突然斷裂。適宜在動力荷載下工作，抗震性能好。鋼材的材質(zhì)均勻，工作可靠性高。與磚石和混凝土相比，鋼材屬于單一材料，且接近各向同性。鋼結(jié)構(gòu)所用材料均為各種型材，而且鋼材具有良好的加工性能和焊接性能，使鋼材制作比較簡單且適用于機械化加工，施工周期短。鋼結(jié)構(gòu)的密閉性能好，可以滿足有密閉要求的結(jié)構(gòu)。采用鋼結(jié)構(gòu)還有利于保護環(huán)境、節(jié)約資源。除此之外，鋼結(jié)構(gòu)也存在一些弊端，如鋼材耐熱但不耐火，在高溫狀態(tài)下鋼材容易進入熱塑性狀態(tài)，完全喪失承載能力；鋼材在潮濕的環(huán)境中易于銹蝕，會影響結(jié)構(gòu)的承載能力；在低溫下鋼材還有脆性破壞的傾向，應(yīng)引起足夠的重視。

1.2 木結(jié)構(gòu)的特點

首先，木結(jié)構(gòu)[2]是節(jié)能、環(huán)保的綠色建筑材料，與鋼材和混凝土材料相比，木結(jié)構(gòu)建筑的耗能、二氧化碳排放量、空氣污染指數(shù)、生態(tài)資源耗用指數(shù)和水污染指數(shù)等均較小。因此，木結(jié)構(gòu)的整體性能較鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)來說要好。其次，相比較混凝土材料和鋼材，木材的可再生具有更大的優(yōu)勢，一般的樹木生長周期為50年～100年，速生樹種周期可縮短為20年～30年。通過合理采伐和科學(xué)種植，可以做到采伐和生長量平衡。第三，木結(jié)構(gòu)建筑安全可靠，最適合人居。木結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強，密度與強度之比更小，抗震性能好，事實上，在一些大的地震中木結(jié)構(gòu)建筑造成的傷亡與損失要遠遠小于其他建筑，例如在日本，木結(jié)構(gòu)就被廣泛地運用于各種建筑。而且，木結(jié)構(gòu)還是良好的隔熱、隔聲材料，木結(jié)構(gòu)建筑供熱、空調(diào)耗能較低，加之木材的天然紋理，給人以親近、回歸自然的感覺，居所溫馨而舒適。最后，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)基本實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，制作加工方便。與鋼結(jié)構(gòu)類似，木結(jié)構(gòu)有優(yōu)點也有缺陷，其最主要的缺陷在于木材的天然缺陷如節(jié)子、孔洞等的存在會嚴重影響木材的受力性能，而且木材不同于鋼材，無法焊接，其連接方式比較局限。

2 鋼木組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

作為一種新型的組合結(jié)構(gòu)體系，鋼木組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在可以充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，相互取長補短，提高整體結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力。而且，鋼木組合結(jié)構(gòu)的節(jié)點鏈接多設(shè)置為鉸接，鉸接的好處在于可以讓整個結(jié)構(gòu)體系具有較大的柔度，且木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)本身均為韌性好的材料，在地震時，可以消耗相當一部分的能量，提高結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。

3 膠合木及鋼木組合結(jié)構(gòu)的研究進展

3.1 膠合木研究進展

膠合木是一種以厚度不大的膠合木層板疊加膠合而成的工程木制品，相比較原木材來說，膠合木具有很多優(yōu)點，膠合木的缺陷較少，并且較分散，因而強度有所提高；膠合木可以有不同的組坯方式，將性能較好的層板放到最外面，充分利用了材料；膠合木可以實現(xiàn)大尺寸構(gòu)件生產(chǎn)，不受原木材規(guī)格的限制且穩(wěn)定性較好；膠合木可以加工成多種形狀，進而更好的滿足建筑的需要。目前，國內(nèi)外的很多學(xué)者對膠合木進行了較為廣泛的理論分析、試驗研究及有限元分析。

周華樟、祝恩淳等[3]通過對膠合木曲梁進行多次加載試驗，對膠合木曲梁的極限承載力及破壞性能進行研究與分析，得出結(jié)論：距中性軸距離越近，膠合木曲梁純彎曲區(qū)橫紋應(yīng)力越大，反之越小，且以膠縫為分界線，呈鋸齒狀分布；并建立了相應(yīng)的膠合木開裂損傷本構(gòu)模型，通過有限元分析成功預(yù)測了膠合木曲梁的橫紋開裂、極限承載力以及開裂前后的剛度狀況。

孫小鸞，劉偉慶等[4]通過對8榀張弦膠合木梁以及2榀普通木梁進行對比試驗研究，得出結(jié)論：張弦膠合木梁較普通膠合木梁具有更高的極限承載力，受壓性能得到充分的發(fā)揮，且表現(xiàn)出明顯的塑性特性；張弦膠合木梁跨高比越大，其受彎極限承載力和剛度均有所降低；增加垂跨比可以使張弦梁的受彎承載力顯著提高；適當增加腹桿數(shù)量可以使張弦梁的受彎承載力、彎曲剛度以及延性顯著提高。

陳旭、祝恩淳等[5]通過對層板膠合木梁中因環(huán)境變化而產(chǎn)生的橫紋濕熱應(yīng)力進行有限元模型分析計算，得出結(jié)論：濕度變化產(chǎn)生的橫紋應(yīng)力對梁的不利影響顯著，在設(shè)計中應(yīng)對此予以考慮，溫度變化產(chǎn)生的橫紋應(yīng)力較小，在一定條件下可以忽略。

3.2 鋼木組合結(jié)構(gòu)受力性能研究現(xiàn)狀

潘福婷、王艷華等[6]通過對截面尺寸相同、約束情況不相同的鋼柱與鋼木組合柱進行受壓承載力試驗，并運用有限元分析軟件對比了兩種柱的變形和強度，得出結(jié)論：鋼木組合柱由于外側(cè)木板提供了側(cè)向剛度，在軸向壓力作用下，其側(cè)向變形較小，承載力更高。

周緒紅、李喆、王瑞成等[7]，通過對螺釘間距不同其他構(gòu)造均相同的兩塊足尺構(gòu)件進行單調(diào)靜載試驗，利用有限元分析的方法比較分析了螺釘間距對組合樓蓋受彎承載力的影響，得出結(jié)論：螺釘間距減小，組合樓蓋的受彎承載力及變形能力均有所提高。

趙東拂等[8]通過對三組鋼筋彎折形式不同，其他條件相同的鋼木組合柱進行受壓承載力試驗，并進行有限元分析對比，結(jié)果表明，三組鋼筋彎折形式不同的鋼木組合柱的滯回曲線有較大差異，鋼筋彎折形式的改變對鋼木組合柱的受力性能有較大的影響。

劉洋,陳志華,安琦等[9]通過對兩組輕型鋼木組合剪力墻和一組輕型鋼框架試件的承載力對比試驗，得出結(jié)論，輕型鋼木組合剪力墻的承載力較高，有無OSB板和板厚對輕型鋼木組合剪力墻的承載力有所影響，板厚增加，承載力提高。

4 結(jié)語

鋼木組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性顯著，但由于我國木材資源相對匱乏，森林人均面積僅為世界人均面積的1/3，很多木材、木制品依靠進口，而且鋼木結(jié)構(gòu)之間的連接以及使兩種材料更好地協(xié)調(diào)變形、共同受力，進一步提高鋼木組合結(jié)構(gòu)的整體承載能力仍是有待解決的問題，因此到目前為止，鋼木組合結(jié)構(gòu)建筑在我國并未得到廣泛應(yīng)用。不過鋼木組合結(jié)構(gòu)的前途是光明的，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的完善，人民生活水平的進一步提高，鋼木組合結(jié)構(gòu)建筑特別是木結(jié)構(gòu)建筑的競爭優(yōu)勢將會逐漸顯露出來。