劉紅波，趙敬賢，邱 燦，趙仕興，楊姝恒，何 飛，陳志華

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038;3.四川省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000)

2020年9月22日，習(xí)近平總書記在聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上鄭重宣布：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放量力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[1]，以“低能耗、低排放、低污染”為基本特征的低碳經(jīng)濟(jì)逐漸成為各行業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。在當(dāng)前，建筑能耗已成為與工業(yè)能耗、交通能耗并列的三大能耗之一，木材這種綠色建材以其低碳價(jià)值得到了越來越多的關(guān)注。近年來，隨著木材產(chǎn)業(yè)工業(yè)化程度的提高和制造技術(shù)的成熟，各類工程木產(chǎn)品的出現(xiàn)破除了木材尺寸的限制，為大跨度木結(jié)構(gòu)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，其中，膠合木以其材性規(guī)格化、尺寸自由化等優(yōu)勢(shì)在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。膠合木是以厚度為20～45 mm的板材，沿順紋方向疊層膠合而成的木制品[2]，可被加工成不同的形狀，如變截面構(gòu)件、弧形或自由曲線形構(gòu)件等。因制作膠合木層板的過程中通過目測(cè)分等或機(jī)械分等剔除了大的木材缺陷，使得膠合木缺陷分布更加均勻，因此其強(qiáng)度較原木、方木、鋸材等的強(qiáng)度有較大提升，極大地提高了木材資源的利用率。

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類總結(jié)，分析了不同結(jié)構(gòu)類型的受力特點(diǎn)。作為膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，銷式節(jié)點(diǎn)和植筋式節(jié)點(diǎn)是應(yīng)用最廣泛的兩種節(jié)點(diǎn)，本文對(duì)不同節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理和關(guān)鍵性能進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能研究中存在的關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討。

1 膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是指按照一定規(guī)律布置的桿件、構(gòu)件通過節(jié)點(diǎn)連接而構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、后成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、互承式結(jié)構(gòu)等。

1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

木網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的定義和鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)類似，是指按照一定規(guī)律布置的桿件通過節(jié)點(diǎn)連接形成的平板型或微曲面型空間桿系結(jié)構(gòu)，主要承受整體彎曲內(nèi)力[3]。節(jié)點(diǎn)處一般使用鋼連接件，常見的連接方式包括螺栓連接、植筋連接等。木網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有空間剛度大、構(gòu)件規(guī)格統(tǒng)一等特點(diǎn)，多用于公共建筑中。日本小國(guó)町民體育館[4]采用了木網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，1988年建造完成，最大跨度達(dá)56 m，見圖1(a)。

1.2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是指按一定規(guī)律布置的桿件通過節(jié)點(diǎn)連接而形成的曲面狀空間桿系或梁系結(jié)構(gòu)，主要承受整體薄膜內(nèi)力[3]。大部分荷載由網(wǎng)殼桿件軸力承受，桿件可以為直線形，也可以為曲線形。網(wǎng)殼造型美觀、受力合理，是大跨度木結(jié)構(gòu)的理想形式。美國(guó)塔科馬穹頂[5]采用了球面木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，直徑達(dá)162 m，為目前全球最大的單層膠合木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，見圖1(b)。

1.3 后成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

后成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以利用平面網(wǎng)格通過推拉或提升等手段形成空間圍合，又可以細(xì)分為兩種方式，一種是可展結(jié)構(gòu)，即通過平面均勻網(wǎng)格提升或推拉成形，解除約束后可以恢復(fù)平面形式；一種是不可展結(jié)構(gòu)，同樣也是用板條彎曲成形，但是在空間中組裝，網(wǎng)格尺寸不統(tǒng)一且不可展。曼海姆多功能廳[6]是Frei Otto的代表作，如圖1(c)所示，跨度超過60 m。

1.4 互承式結(jié)構(gòu)

互承式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是每根構(gòu)件都被相鄰的構(gòu)件支承，同時(shí)又支承著相鄰的構(gòu)件，因此互承結(jié)構(gòu)在幾何上和結(jié)構(gòu)上均無主次層次可言，從而形成了一種獨(dú)特的建筑美感。在互承結(jié)構(gòu)中，桿件相互搭接，避免了多個(gè)桿件交匯于一點(diǎn)，從而簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造，再加上互承結(jié)構(gòu)是通過桿件之間的相互支撐解決彎矩傳遞的問題，可以利用小尺寸構(gòu)件實(shí)現(xiàn)大跨度結(jié)構(gòu)，因此特別適用于木結(jié)構(gòu)(圖1(d))。

2 膠合木節(jié)點(diǎn)

在膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)通常是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。按照連接不同方式分類，節(jié)點(diǎn)可以分為銷式連接節(jié)點(diǎn)、植筋連接節(jié)點(diǎn)、榫卯連接節(jié)點(diǎn)、膠連接節(jié)點(diǎn)、齒連接節(jié)點(diǎn)等?？紤]到膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)節(jié)點(diǎn)傳力明確、受力可靠、安裝便捷的要求，銷式連接節(jié)點(diǎn)(圖2(a)(b))和植筋連接節(jié)點(diǎn)(圖2(c))是目前應(yīng)用最廣泛的兩種節(jié)點(diǎn)。

2.1 銷式節(jié)點(diǎn)

銷類連接件包括螺栓、螺釘、銷等細(xì)長(zhǎng)的桿狀連接件，它們承受的荷載與連接件長(zhǎng)度方向垂直，故稱為抗剪連接。銷的抗剪是基于銷的彎曲和銷槽木材的受壓，因此具有良好的韌性，其中，螺栓連接和螺釘連接具有連接緊密、韌性好、制作簡(jiǎn)單、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的連接形式。

銷連接的失效模式是建立銷式連接節(jié)點(diǎn)承載能力計(jì)算理論的基礎(chǔ)，目前國(guó)際上廣泛采用的是Johansen提出的屈服模式[8]，表1列出了典型單剪連接和雙剪連接的失效模式，包括銷槽承壓破壞(Im、Is、II)和銷屈服(IIIm、IIIs、IV)。

圖1 膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)工程實(shí)例Fig.1 Practical engineering of glulam space frame structures

圖2 典型膠合木節(jié)點(diǎn)Fig.2 Typical glulam connection

表1 銷式緊固件的失效模式Tab.1 Failure modes of fasteners

2.1.1 螺栓連接節(jié)點(diǎn)

對(duì)于螺栓連接，木材銷槽承壓強(qiáng)度與木材一般的抗壓強(qiáng)度不同，瞬間荷載作用與長(zhǎng)期荷載作用也不同，有學(xué)者對(duì)單個(gè)螺栓受力性能及銷槽承壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究[9-11]，歐洲規(guī)范[12]、美國(guó)規(guī)范[13]和中國(guó)規(guī)范[2]也綜合考慮上述復(fù)雜因素，提出了膠合木中銷軸類緊固件連接的承載力設(shè)計(jì)值。

在實(shí)際工程中，考慮到桿件通常承擔(dān)軸力、彎矩和剪力的復(fù)合作用，因此關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接通常采用螺栓群的布置形式，對(duì)于此類節(jié)點(diǎn)，每個(gè)螺栓承擔(dān)的荷載并不完全相同，有學(xué)者針對(duì)膠合木螺栓連接節(jié)點(diǎn)的靜力性能[14-17]和動(dòng)力性能[17-18]進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)螺栓連接的承載能力和失效模式與初始裂紋[14,18]、加載方向[15]、螺栓布置[16-17]和幾何尺寸[16]有關(guān)。使用小直徑螺栓可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較大的耗能性能和延性，在螺栓連接的膠合木節(jié)點(diǎn)中首選細(xì)長(zhǎng)螺栓以避免脆性破壞[17]。轉(zhuǎn)動(dòng)中心的選取是膠合木螺栓連接節(jié)點(diǎn)理論計(jì)算中的關(guān)鍵問題，在加載過程中，膠合木梁段并不是繞某一固定的中心轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)中心會(huì)隨著荷載的增加而改變，祝恩淳等[19]提出瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心法能準(zhǔn)確計(jì)算螺栓節(jié)點(diǎn)的受彎承載力，但是瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置需要經(jīng)過迭代計(jì)算確定，有學(xué)者提出簡(jiǎn)化考慮方法，假設(shè)旋轉(zhuǎn)中心在接觸面與擠壓區(qū)側(cè)外排螺栓水平線交界處，采取折減系數(shù)來考慮由此帶來的偏大影響[18]。

現(xiàn)有膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)主要以鋼板-螺栓連接為主，而隨著結(jié)構(gòu)跨度的增加，桿件軸力顯著增加，節(jié)點(diǎn)可能因木材銷槽承壓剛度有限發(fā)生明顯變形，甚至發(fā)生木材開裂現(xiàn)象，且軸力和剪力對(duì)節(jié)點(diǎn)的剛度存在一定的耦合效應(yīng)，也會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的半剛性特征，從而對(duì)網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此對(duì)此類半剛性節(jié)點(diǎn)的研究具有重要意義。劉志周[20]設(shè)計(jì)了一種木構(gòu)件-鋼夾板螺栓連接節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行了軸力荷載作用下的抗彎試驗(yàn)(圖3(a))，提出了三參數(shù)冪函數(shù)模型，李牧原[21]針對(duì)現(xiàn)代木網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)中鋼材外露、鋼連接件過重的問題設(shè)計(jì)了一種異型銷式連接節(jié)點(diǎn)(圖3(b))，舒展等[22]考慮了網(wǎng)殼中桿件角度不同，對(duì)膠合木螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究(圖3(c))，并提出了四折線計(jì)算模型。Harada等[23]對(duì)節(jié)點(diǎn)的平面內(nèi)和平面外受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究(圖3(d))，并提出了計(jì)算公式。

圖3 螺栓連接節(jié)點(diǎn)受力性能研究Fig.3 Investigation of the mechanical behavior of bolted connections

對(duì)于螺栓連接，雖然希望根據(jù)規(guī)范要求控制螺栓最小端距、邊距和間距來避免木材的脆性劈裂，但是實(shí)際上脆性劈裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，難以充分發(fā)揮螺栓和鋼板的強(qiáng)度，因此研究人員提出了一系列改進(jìn)措施。最常用的方法之一就是通過貼層加固螺栓周圍的木材，有多位學(xué)者對(duì)不同的加固材料進(jìn)行了研究，包括加密的木基材料(Densified Veneer Wood，DVW)[24]、纖維材料[25]、釘板[26]、高強(qiáng)鋼帶[27]等，發(fā)現(xiàn)貼層加固一方面提升了螺栓周圍木材的承壓能力，另一方面也降低了木材發(fā)生順紋劈裂和列剪切破壞發(fā)生的可能性，從而使得節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和延性都得以有所提升。將自攻螺釘打入木材，可以傳遞橫紋拉應(yīng)力和順紋剪應(yīng)力，有效避免木材開裂，與貼層加固相比，自攻螺釘加固簡(jiǎn)單易行，且不會(huì)影響結(jié)構(gòu)外觀，研究發(fā)現(xiàn)，加固后節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力得到很大提高，但是節(jié)點(diǎn)剛度和耗能能力并未得到明顯改善[28]。除此之外，還有空心銷連接[29]、預(yù)應(yīng)力套管連接[30]等改進(jìn)措施。

2.1.2 自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)

隨著金屬連接件制作工藝的進(jìn)步，以及人們對(duì)節(jié)點(diǎn)美觀性及施工便利性的追求，自攻螺釘作為一種連接件在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用獲得了更多的關(guān)注，自攻螺釘節(jié)點(diǎn)在保證木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)美觀的同時(shí)擁有良好的力學(xué)性能，同時(shí)自攻螺釘可加強(qiáng)木材橫紋方向受力，減小木材開裂的概率。已有學(xué)者對(duì)自攻螺釘應(yīng)用于木-木連接[31-35]、鋼-木連接[35-37]和混凝土-木連接[38]進(jìn)行了廣泛深入的研究，研究主要集中于自攻螺釘釘入不同材料時(shí)的抗剪和抗拔性能，分析了螺釘連接模型界面的破壞模式。

考慮到不同的木材類型[31-34]、螺釘類型[32]、釘入角度[31-33,35-36]和自攻螺釘尺寸[31,33-34,36]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)自攻螺釘?shù)睦涡阅苓M(jìn)行了廣泛深入的研究，如圖4所示。研究發(fā)現(xiàn)木材種類的變化對(duì)節(jié)點(diǎn)的受力性能有一定的影響，但是螺釘類型、釘入角度和嵌入長(zhǎng)度等改變顯著影響節(jié)點(diǎn)的破壞模式，提出在垂直于木紋的軸拉和軸壓荷載下，自攻螺釘應(yīng)垂直于木紋方向設(shè)置；當(dāng)用于受到高剪切應(yīng)力區(qū)域的加固時(shí)，自攻螺釘?shù)妮S線方向應(yīng)盡量與木紋方向呈45°角設(shè)置；當(dāng)用于剪應(yīng)力和拉應(yīng)力復(fù)合區(qū)域的加固時(shí)，自攻螺釘建議垂直于木紋方向設(shè)置。

自攻螺釘在木材中的錨固性能是影響木結(jié)構(gòu)中自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)的重要因素，建立合理且適用的自攻螺釘抗拔承載力計(jì)算公式是設(shè)計(jì)該連接的前提，歐洲規(guī)范EC5根據(jù)螺釘釘入深度(lef)、螺釘公稱直徑(d)、木材密度(ρk)和螺釘與木材紋理所成的角度(α)等參數(shù)來計(jì)算“木-螺釘”復(fù)合模型中的抗拔力(fαx,k)。大跨度膠合木結(jié)構(gòu)不僅對(duì)連接的強(qiáng)度，更是對(duì)連接的剛度有了更嚴(yán)格的要求，而歐洲規(guī)范EC5中并未給出軸向受力螺釘拔出剛度的計(jì)算公式，但一些相關(guān)的技術(shù)許可文件[39-40]中給出了拔出剛度計(jì)算公式，但是現(xiàn)有公式并未考慮自攻螺釘與木紋方向夾角的影響，且難以準(zhǔn)確反映不同錨固長(zhǎng)度的螺釘拔出剛度。

圖4 不同參數(shù)對(duì)自攻螺釘連接性能的影響Fig.4 Influence of different parameters on the performance of self-tapping screws

2.2 植筋節(jié)點(diǎn)

作為另外一種在膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中常見的連接形式，植筋連接節(jié)點(diǎn)具有承載力和剛度較大、外觀優(yōu)美的優(yōu)點(diǎn)。植筋連接是將帶肋鋼筋插入木材上的預(yù)鉆孔中，并注入膠結(jié)劑，以傳遞構(gòu)件間的拉力和剪力的連接方式。為了增強(qiáng)鋼筋和膠之間的機(jī)械咬合力，保證節(jié)點(diǎn)承載力和剛度，植入木材中的鋼筋建議采用刻痕鋼筋或螺紋鋼筋。

膠合木的植筋連接是不同材料的復(fù)合連接，材料的性能決定了連接破壞的模式，如表2所示，植筋連接節(jié)點(diǎn)存在5種可能的破壞模式：(1)沿桿的剪切破壞；(2)木材的拉伸破壞；(3)木材開裂破壞；(4)植筋桿屈服破壞；(5)塊的剪切破壞(多桿連接)。其中，木材的拉伸和開裂破壞可以采用合理的邊距、端距和間距避免，膠層破壞一般是由于錨固長(zhǎng)度過短或植筋材料使用了光圓鋼桿造成的，也可以通過合理的設(shè)計(jì)避免。植筋在受拉時(shí)較為普遍的破壞形式是植筋孔周圍木材沿桿的剪切破壞和植筋桿屈服破壞，因此可以通過增加錨固長(zhǎng)度、減小植筋直徑的措施，提高節(jié)點(diǎn)承載力。

目前關(guān)于植筋連接，現(xiàn)有研究主要集中在植筋節(jié)點(diǎn)的極限承載力、破壞模式及影響因素的試驗(yàn)研究，理論分析還不夠系統(tǒng)和完善。總結(jié)過去學(xué)者完成的有關(guān)植筋連接的研究，大多數(shù)學(xué)者將研究重點(diǎn)集中在單植筋受拉試驗(yàn)，單根植筋的軸向拉拔強(qiáng)度取決于各種參數(shù)，例如錨固長(zhǎng)度[41-45]、膠層厚度[41-42]、植筋直徑[43-44]、受力角度[45]、粘合劑類型[46]、植筋類型[46]和工程木類型[46-47]。對(duì)于多植筋節(jié)點(diǎn)[48-49]，除了上述失效模式外，還可以觀察到塊剪切失效的破壞模式。許多學(xué)者提出了植筋節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，但由于植筋連接試件的制作目前尚未有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而且木材、膠粘劑、植筋類型等選擇不同，導(dǎo)致各個(gè)學(xué)者的研究結(jié)果并不一致，且木材與膠層和膠層與植筋之間的應(yīng)力不均勻分布也導(dǎo)致這種復(fù)合節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度難以被一套公式準(zhǔn)確預(yù)估。

表2 植筋節(jié)點(diǎn)失效模式Tab.2 Failure modes of glued-in rod connections

圖5 膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的植筋連接節(jié)點(diǎn)Fig.5 Glued-in rode connection in the glulam spaceframe structures

木結(jié)構(gòu)植筋連接節(jié)點(diǎn)在歐洲、澳大利亞和日本等地應(yīng)用較多。2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)會(huì)展大樓采用膠合木穹頂結(jié)構(gòu)，跨度為97 m，木構(gòu)件最大截面尺寸為230 mm×800 mm，木構(gòu)件之間的連接均為植筋連接。2012年5月，瑞士Rheinsalinen AG公司新的儲(chǔ)鹽大樓Saldome2[50]正式啟用，跨度為120 m，高度為31.6 m,節(jié)點(diǎn)部位均采用植筋連接，如圖5所示。有學(xué)者對(duì)膠合木植筋連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并研究了此類節(jié)點(diǎn)半剛性對(duì)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的影響[51-52]。

3 膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

3.1 靜力穩(wěn)定性和抗震性能

失穩(wěn)破壞是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的主要破壞形式，因此穩(wěn)定性分析是膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)研究中的關(guān)鍵問題之一，目前對(duì)膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究主要集中在穩(wěn)定性影響因素和節(jié)點(diǎn)半剛性研究?jī)蓚€(gè)方面。有學(xué)者采用有限元的方法，考慮材料非線性和幾何非線性，研究了網(wǎng)殼跨度和矢跨比、桿件截面尺寸、初始幾何缺陷和荷載分布形式的影響[53-54]。See等在研究中發(fā)現(xiàn)，采用半剛性節(jié)點(diǎn)和鉸接節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能與剛接節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有顯著不同[55]。在鋼空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，有學(xué)者對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)單層網(wǎng)殼[56]、焊接空心球節(jié)點(diǎn)單層網(wǎng)殼[57-58]、鋁合金板式節(jié)點(diǎn)單層網(wǎng)殼[59-60]、圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)單層柱面網(wǎng)殼[61]等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了多種彈簧組合模型。目前應(yīng)用于膠合木網(wǎng)殼的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度介于剛接節(jié)點(diǎn)和鉸接節(jié)點(diǎn)之間，因此研究節(jié)點(diǎn)半剛性對(duì)膠合木網(wǎng)殼穩(wěn)定性能的影響至關(guān)重要?，F(xiàn)有研究大多基于節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果得到節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，將相應(yīng)參數(shù)輸入有限元分析軟件中，建立考慮節(jié)點(diǎn)半剛性的有限元模型[62-65]，研究發(fā)現(xiàn)，含半剛性節(jié)點(diǎn)的膠合木網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定承載力會(huì)隨著矢跨比、節(jié)點(diǎn)剛度的增大而提高，隨著初始幾何缺陷和半跨活荷載比例的增大而降低，但是目前尚未提出統(tǒng)一的半剛性節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線計(jì)算方法。根據(jù)《空間網(wǎng)格技術(shù)規(guī)程》[66]，鋼空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)塑性穩(wěn)定安全系數(shù)為2，彈性穩(wěn)定安全系數(shù)為4.2，但是對(duì)于木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定安全系數(shù)和塑性穩(wěn)定安全系數(shù)尚未有明確的結(jié)論。

膠合木材料輕質(zhì)高強(qiáng)，抗震性能良好，但是膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布特征及阻尼特性都與鋼結(jié)構(gòu)不同，由于所受地震力相對(duì)較小，對(duì)抗震設(shè)防的要求也有所不同，基于性能的抗震目標(biāo)有待確定，這些需要進(jìn)一步的理論和試驗(yàn)研究。目前對(duì)膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的研究比較缺乏，現(xiàn)有研究大多采用數(shù)值模擬的手段進(jìn)行分析[66-68]。

為了進(jìn)一步研究木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性和抗震性能，有學(xué)者對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列靜力試驗(yàn)[69-73]和動(dòng)力試驗(yàn)[73-74]，如圖6所示，研究發(fā)現(xiàn)，全跨荷載作用下，網(wǎng)殼頂點(diǎn)位移最大，且最易發(fā)生整體失穩(wěn)，半跨加載對(duì)網(wǎng)殼承載力不利，易發(fā)生局部失穩(wěn)，節(jié)點(diǎn)抗彎剛度的增加有利于提高木網(wǎng)殼的穩(wěn)定臨界荷載。

圖6 木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究Fig.6 Experimental investigation of timber space frame structures

3.2 蠕變特性

在持久應(yīng)力作用下，材料的應(yīng)變隨著時(shí)間增加而逐漸增大的特性稱為蠕變。木材作為一種天然多孔性高分子聚合物，其蠕變和松弛是在自身復(fù)雜的特性和多種環(huán)境條件制約下發(fā)生的現(xiàn)象。對(duì)木材蠕變性能的研究可以追溯至20世紀(jì)40年代，1947年，Wood首次進(jìn)行了清材小試件蠕變?cè)囼?yàn)，總結(jié)了強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系，即著名的Madison曲線，具體形式為木材發(fā)生蠕變斷裂的應(yīng)力率與時(shí)間的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系[75-76]。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)荷載模式[77-78]、濕度[79-80]、溫度[81]對(duì)蠕變的性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。通過對(duì)木材的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，Hunt提出了通過短期蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)木材長(zhǎng)期蠕變的方法，并用8年的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證[82]。

蠕變屈曲是指承受壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)由于蠕變變形的增長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定的現(xiàn)象，也稱為延遲失穩(wěn)。蠕變屈曲主要是研究結(jié)構(gòu)的變形與時(shí)間的關(guān)系，以及蠕變屈曲荷載與臨界時(shí)間的關(guān)系。關(guān)于蠕變屈曲的研究根據(jù)研究對(duì)象可以分為木梁的蠕變屈曲[83-84]、木拱的蠕變屈曲[85-86]、網(wǎng)殼的蠕變屈曲[86-87]、弦支穹頂?shù)娜渥兦鶾88]，以及木-混凝土組合結(jié)構(gòu)[89-90]的蠕變屈曲。有學(xué)者在2001—2013年期間對(duì)木屋頂進(jìn)行了長(zhǎng)期測(cè)量(圖7(a))，發(fā)現(xiàn)變形的實(shí)際值很小，結(jié)構(gòu)模型與理論變形模型很好地吻合[91]。有學(xué)者提出了能預(yù)測(cè)單層網(wǎng)殼長(zhǎng)期性能的有限元模型(圖7(b))，通過分析揭示了網(wǎng)殼蠕變屈曲載荷與時(shí)間的關(guān)系，提出了網(wǎng)殼在使用期間的抗蠕變屈曲荷載[92]。

圖7 木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)蠕變特征Fig.7 Creep characteristics of timber space frame structures

4 結(jié)論

本文回顧了膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展和工程實(shí)踐，系統(tǒng)介紹了膠合木空間結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的主要節(jié)點(diǎn)的性能和研究現(xiàn)狀，提出了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)研究應(yīng)注意的幾個(gè)問題，如整體穩(wěn)定性、抗震性能和蠕變特性。但是，仍有如下課題值得研究：

1)木材在建筑行業(yè)的應(yīng)用不僅迎合國(guó)家對(duì)低碳發(fā)展的迫切需要，也為大跨度建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了新思路、新契機(jī)，但目前我國(guó)膠合木材的制備主要依靠國(guó)外進(jìn)口樹種及配套技術(shù)進(jìn)行加工，而對(duì)國(guó)產(chǎn)樹種，尤其是國(guó)產(chǎn)速生木材，制備工藝和物理力學(xué)性能的研究，特別是材料疲勞性能、荷載持續(xù)作用效應(yīng)、蠕變效應(yīng)等復(fù)雜力學(xué)性能的研究較少，同時(shí)，如何在保證膠合木產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，優(yōu)化膠合木生產(chǎn)工藝，提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本，成為一個(gè)行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)問題，對(duì)膠合板加工生產(chǎn)、安裝組裝、維護(hù)修復(fù)工藝等進(jìn)行升級(jí)改造，對(duì)于膠合木材這種綠色建材在整個(gè)建筑行業(yè)的應(yīng)用和推廣具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2)鋼-木結(jié)構(gòu)、鋁-木結(jié)構(gòu)等新型組合結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)和發(fā)展進(jìn)一步拓寬了木材在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用，將不同材料與木材裝配在一起，充分發(fā)揮材料各自的優(yōu)勢(shì)，不僅符合我國(guó)倡導(dǎo)綠色建筑的理念，可以緩解建筑業(yè)的減碳?jí)毫?，而且在鋼、鋁等協(xié)同作用下大大加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度，在抗震、節(jié)能、防災(zāi)和裝配式建筑等方面均有很大優(yōu)勢(shì)，作為一種新型組合結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力膠合木結(jié)構(gòu)既繼承了節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，又具備輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性能，預(yù)應(yīng)力的引入不僅減少了木材用量，還使得結(jié)構(gòu)更適應(yīng)大跨度結(jié)構(gòu)的承載需求，因此，對(duì)組合結(jié)構(gòu)體系及對(duì)應(yīng)連接件和預(yù)應(yīng)力膠合木結(jié)構(gòu)體系等新型結(jié)構(gòu)體系受力性能的研究具有廣闊的發(fā)展前景。

3)隨著技術(shù)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，木結(jié)構(gòu)建筑向更大跨度、更大高度的發(fā)展是大勢(shì)所趨，這也對(duì)木結(jié)構(gòu)及其連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能提出了更高的要求。為避免建筑結(jié)構(gòu)在災(zāi)害作用下發(fā)生損傷甚至倒塌，導(dǎo)致較大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，推動(dòng)膠合木在空間結(jié)構(gòu)中的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)對(duì)膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的耐久性、抗風(fēng)、抗火、抗震性能及相應(yīng)防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)進(jìn)行深入研究，為膠合木在大跨度空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐，作為結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分，節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能至關(guān)重要，而針對(duì)膠合木節(jié)點(diǎn)疲勞性能、蠕變性能、抗火性能等力學(xué)性能的研究尚不完善，此外，膠合木結(jié)構(gòu)中新型減震耗能節(jié)點(diǎn)的研究尚處于起步階段，有待進(jìn)一步研究。