现代木结构桥梁及其结构形式

刘永健，傅梅珍，刘士林，葛胜锦，刘玉娟，李 娜

（1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

0 引 言

木结构桥梁在中国的建造历史悠久［1］，公元前1135年建成的渭河木浮桥［2］、宋代《清明上河图》上的汴水虹桥以及现存于广西的程阳风雨桥、闽浙一带的编木拱桥等［3］，无不展示中国古代木桥建造技艺的高超。近代，特别是过去的40余年里，中国木结构桥梁的研究几乎处于停滞状态，高等院校土木工程专业不开设“木结构”课程，木结构桥梁的设计、施工技术相当落后，相关人才严重匮乏。人们对于木结构桥梁的认识尚停留在对传统原木或锯木结构桥梁的认识上，如“木结构易腐朽、易虫蛀”，“木桥结构形式单一，其应用易受木材天然尺寸限制”等。

与中国木结构桥梁研究近40余年停滞不前的状态相反，欧美等发达国家对木结构桥梁的研究系统而深入。随着现代木产品加工、连接和防护等技术的引入，相关技术规范的不断丰富和完善，现代木结构桥梁以全新的面貌出现在人们的眼前，其绿色环保、轻巧美观、施工便捷、性能可靠等优势日渐显现，备受桥梁工程师们的青睐［4］，在欧美等发达国家得到了广泛的应用［5－7］。

本文中笔者主要介绍了现代木结构桥梁的特点和结构形式，并对其应用前景进行分析，以期推动中国现代木结构桥梁的发展。

1 现代木结构桥梁的特点

与传统木结构桥梁相比，现代木结构桥梁采用现代加工、连接等技术，截面尺寸更稳定，力学性能更均匀可靠，结构形式更丰富。现代木结构桥梁具有如下几个特点：木产品加工技术先进、连接技术可靠、耐久性能好等。

1.1 木产品加工技术

木材是一种生物材料，强度和外观受其固有缺陷如木节、裂纹、腐朽等影响［8］。先进的木产品加工技术的兴起逐渐改善了这种现状，木材在桥梁结构上的应用成为可能。木产品加工技术主要有层板胶合木（Glued Laminated Timber，GLT）技术、应力叠合木（Stress Laminated Timber，SLT）技术以及交错叠合木（Cross Laminated Timber，CLT）技术。

GLT技术能按照木构件不同部位的应力要求配置不同等级的木材，将木材缺陷剔除或匀至各层，构件的长度和截面尺寸可以按需制作而不受木材天然尺寸的限制，并能够按照受力要求胶合成各种形式的截面和曲线，如图1所示。木构件实现了工厂化生产，使木结构获得了更加多样化、均质化的构件来源［9］。

图1 GLT构件Fig.1 Glued Laminated Timber Member

CLT技术采用交错叠合的加工方式（图2），能充分利用木材顺纹抗拉强度和横纹抗压强度高的特点，提高了木产品的整体性和均质性，此外，还能充分利用低等级木材，工厂化程度高。

SLT技术的引入提高了木结构间的整体性［10］。1976年加拿大安大略省应用该技术首次提出了SLT桥面板的概念［11］，如图3所示，从而提高了木结构桥梁的使用性能，推动了木结构桥梁尤其是应力叠合板梁桥的飞速发展。

1.2 连接技术

传统木结构采用的连接主要有齿连接、榫卯连接以及钉连接等，连接件的承载能力较低，而且疲劳性能较差，施工效率低。随着现代木结构桥梁的发展，桥梁跨径不断增长，对木结构连接的要求逐渐提高，其连接构造的形式也逐渐得到丰富。如图4（a）所示的球铰连接的出现使复杂空间木桁架结构成为可能，如图4（b）所示的木结构金属连接件连接和如图4（c）所示的螺栓连接实现了木结构多构件间的连接，安全可靠。此外，一种新型钢－木连接件逐渐兴起［12］，如图4（d）所示，从而降低钢－木连接件安装施工难度，推动了现代钢－木组合结构桥梁的发展。

1.3 耐久性能

由于现代防腐、防火技术以及木结构桥梁桥面铺装技术的引入，现代木结构桥梁的耐久性能得到大幅度提高。

1.3.1 防腐技术

现代防腐技术和防腐剂的出现提高了木结构防腐性能的同时，其耐久性能也得到很大提高。经防腐处理的木材质量稳定、经济性高且来源广泛，能够在现代木结构桥梁中取得良好的应用效果，提高现代木结构桥梁的使用寿命，拓展其使用环境。

目前使用的防腐剂种类较多，概括起来主要有3大类：油类防腐剂、油溶性防腐剂以及水溶性防腐剂。防腐处理方法也在逐渐完善，主要有浸渍法、喷洒法和刷涂法，目前使用最广泛的是加压浸注处理法，其处理过程如图5所示。此外，防腐相关规范也逐渐得到完善［13－16］。

图5 加压浸注处理法Fig.5 Treatment Method by Pressure Impregnation

1.3.2 耐火性能

大体积木构件的耐火木结构桥梁的防火设计主要是采取一定的构造措施，或进行必要的阻燃处理，使各类木构件的燃烧性能和耐火极限满足《木结构设计规范》（GB 50005—2003）［17］中的规定。木材的多孔性生物材料特性和木材细胞间自由水的存在及木材燃烧过程中不燃性气体和表面碳化层的出现都能延缓甚至阻止木材进一步燃烧（图6）。目前，木结构防火涂料的研究也很成熟，其在遇火时能膨胀发泡形成致密蜂窝碳层，延缓木结构进一步燃烧。

此外，用于桥梁结构的木构件一般尺寸较大，而大尺寸木构件的耐火性能不比其他建筑材料构件差，如在815.6℃高温时，木构件不会迅速破坏，而钢构件会因屈服强度急剧下降而迅速破坏。短暂高温作用下，木构件强度仍然存在，但钢构件会迅速屈服破坏，反而需要木构件支撑［18］，如图7所示。

图6 木构件碳化防火Fig.6 Fire Prevention with Carbonization for Timber Structure

图7 屈服破坏的钢构件被木构件支撑Fig.7 Steel Member Yielded by Heat Are Supported by a Charred Wood Beam

1.3.3 桥面铺装

传统木结构桥梁一般不铺设桥面铺装层，行人或车辆直接与木桥面板接触，会加大桥面局部破坏的可能。此外，木桥面板直接暴露在空气中，会加速木桥面板的腐蚀和裂缝的开展，从而影响桥梁的耐久性能。

与传统木结构桥梁不同，现代木结构桥梁考虑桥面铺装，在改善桥面性能的同时，提高其耐久性能，而且木桥面板桥面铺装技术已相对成熟。目前，木结构桥梁桥面铺装的结构形式较多，一般有沥青铺装层、同步碎石铺装层以及厚木板式铺装层［19］，其中沥青铺装层耐久性能好、抗滑力较高，而且能有效保护木桥面板，是木桥面板最佳的铺装层形式，其应用实例如图8所示。

2 现代木结构桥梁的桥面结构形式

木桥面板是木结构在桥梁上的主要应用形式之一，其结构形式多样，主要有螺钉叠合木桥面板、GLT桥面板、SLT桥面板、木－混组合桥面系、钢－木组合桥面系以及CLT桥面板，其中，SLT桥面板、木－混组合桥面系、钢－木组合桥面系以及CLT桥面板是现代木结构桥梁中使用较多的桥面结构形式。

图8 沥青铺装层应用实例Fig.8 Application Example of Asphalt Pavement

2.1 SLT桥面板

SLT桥面板是一种利用张拉的高强钢筋束并在规格叠合板内部预加侧向压应力的桥面板，它把一块块独立的木板变成一个刚性板结构，从而使直接承受车轮荷载的木板将荷载更好地传递到邻近的木板，以达到共同受力的目的。将预应力技术引入木桥面板中最初是受到体外预应力的启发，用来加固开裂的螺钉叠合木桥面板［20］。

根据桥梁跨径、荷载的不同，SLT桥面板截面可以采用多种形式，主要有矩形［图9（a）］、T形［图9（b）］、箱形［图9（c）］和桁架形［图9（d）］。此外，锚固区对SLT桥面板的使用性能有着较大的影响，可靠的锚固连接能够降低钢束预应力损失，保证SLT桥面板整体性能。目前，SLT桥面板预应力钢束有双排和单排之分，其锚垫板可以使用槽钢和矩形钢板，其常用的锚固类型如图10所示。

2.2 木－混组合桥面系

早在19世纪30年代，木－混组合桥面系在北美已经得到了广泛的应用，其抗震性能和耐火性能较普通木桥面板好，同时还能够降低噪声的影响［21］。它有2种常用的截面形式：一种是在纵向钉合木桥面板上增加钢筋混凝土面层而形成的一种组合桥面系，如图11（a）所示；另外一种是通过抗剪连接件将混凝土板和木梁连成整体的一种组合桥面系，如图11（b）所示。

早期的木－混组合桥面系一般在木结构上开槽，通过后期浇筑混凝土形成的混凝土榫抵抗剪力，其结合面细部如图12所示。但木混间的抗剪连接件能大大增加桥面系的强度和刚度（2～4倍），所以为了加强木混间的组合作用，现代木－混组合桥梁通常在木梁与混凝土板间设置抗剪连接件。抗剪连接件可以有各种不同形式，如剪力钉连接件［图13（a）］、高强抗剪板连接件（HBV连接件）［图13（b）］以及螺纹钢连接件［图13（c）］。

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

2.3 钢－木组合桥面系

钢－木组合桥面系能够充分利用可再生的木材和回收率高的钢材，环保节能，同时能够发挥木材和钢材各自的优点，是一种应用前景广阔的桥面系结构形式。钢－木组合桥面系一般结构形式为木桥面板通过钢－木连接件与钢梁连接，共同受力，以提高木桥面板结构承载能力，同时还打破原始纯木结构在桥梁上应用受限的束缚，实现了现代木结构桥梁向大跨径的快速发展。

钢－木连接件是钢－木组合桥面系的关键点之一，传统的钢－木连接件是通过螺栓连接的，但存在削弱钢梁截面、桥下作业多等缺点。通过研究，新型钢－木连接件逐渐产生，其构造如图14所示。该连接件的剪力钉直接焊在主梁上，并通过叠合板上的预留孔穿过木桥面板，然后用环氧树脂砂浆将开孔填满，从而形成钢－木连接件，此外，还有如图4（d）所示的新型钢－木连接件。

2.4 CLT桥面板

CLT桥面板将CLT技术引入木桥面板，从而提高桥面板的整体力学性能和双向力学性能，降低木材各向异性特性对木构件受力性能的影响。建于1998年的奥地利Wandritsch公路桥的桥面板即为CLT桥面板（图15），其中CLT桥面板共9层。此外，奥地利Raabsteg Feldbach CLT桥采用的也是CLT桥面板（图16），该桥建于1998年8月，其跨径为35m［22］。

3 现代木结构桥梁的结构形式及其应用前景

目前，现代木结构桥梁常用的结构形式主要有应力叠合板梁桥、桁架桥和拱桥，当然桥面板以及栏杆等采用木结构，其余采用混凝土或钢结构的木结构斜拉桥、悬索桥也有成功案例。现代木结构桥梁具有造型优美、环境友好且材料可再生等优点，具有广阔的应用前景。

3.1 应力叠合板梁桥

应力叠合板梁桥是由SLT桥面板与墩台连接组合而成的一种桥梁结构形式，它具有强度高、使用性能好、施工快速、工厂化程度高等特点，是目前中小跨径木结构桥梁使用较多的一种结构形式。

应力叠合板梁桥按照预应力钢束布置方向与交通流间的关系可分为纵向应力叠合板梁桥（预应力钢束布置方向与交通流垂直）和横向应力叠合板梁桥（预应力钢束布置方向与交通流平行），其中应用较多的是纵向应力叠合板梁桥，如图17所示的美国应力叠合板梁桥，该桥能与周围的环境完美融合。此外，如图18所示的挪威 Mattisdammen桥，该桥整体性好、环境协调且经济性较高。

3.2 桁架桥

木桁架桥梁受力合理，结构形式简洁明了，也是目前木结构桥梁使用较多的一种结构形式。如图19所示的芬兰Toijala Tampere桥，该桥主要供行人和车辆使用，桥长60m，桥宽4.5m，跨径组合为30m＋30m，桥面板为层板胶合木，板厚140mm。如图20所示的挪威Flisa桥，该桥建于2003年，全长196m，主跨为70.34m［23］。还如建于2003年的日本Karikobouzu公路桥（图21），该桥为4跨桁架结构形式，结构轻盈，颜色柔和，其跨径组合为25m＋50m＋50m＋15m。

3.3 拱 桥

木结构拱桥结构形式优美，传力明确，在木结构桥梁建造史上占据了重要地位，现代木结构拱桥采用现代加工、连接技术，桥梁跨径加大，结构截面形式更加丰富，在美国、挪威等国家应用较多。如图22所示的美国Alton Sylor Memorial桥，该桥全长83.6m，其中主跨长51.8m，桥宽9.8m，为美国当时最大的木拱桥。在自然外观上，该桥与周围环境完美的融合在一起，曾获得美国2004～2005年度公路桥梁创新大奖。如图23所示的挪威Tynset桥，该桥建于2001年，全长125m，跨径组合为27.5m＋27.5m＋70m，为一座公路桥，主跨矢高为17.3m，其主拱肋纵向、横向截面形式如图24所示［24］。还如图25所示的挪威Leonardo桥，该桥为一座人行景观桥，全长109.2m，主跨长为40m，它由1个垂直拱及2个倾斜拱组成，拱顶互相连接，其拱肋截面为三角形层板胶合木，轻巧优美。

3.4 斜拉桥

木结构斜拉桥也是现代木结构桥梁的结构形式之一，它主要由木桥面板、钢绞线（钢丝束）拉索以及木（混凝土）塔组成。

如图26所示的木斜拉桥坐落于荷兰阿尔梅勒市，主要作为人行桥来使用，同时允许自行车通过，它不仅结构新颖，而且极具美学效果。该桥建于2007年，全长75m，桥宽30m，桥面板采用木桥面板，两侧用S形预制混凝土板做支撑，其余主要受力部件为钢结构。如图27所示的木斜拉桥坐落于瑞士巴赛尔州，该桥建于2005年，全长70m，桥宽3 m，桥塔及拉索均为钢结构，桥面板以及扶手采用木结构，桥面板上铺设沥青铺装。

3.5 悬索桥

木结构悬索桥一般是指桥面板为木结构，塔可以为混凝土。早在20世纪20年代，南非就有木结构悬索桥建造实例（图28），该桥全长132m，主跨长80m，建于1920年［25］。还如2000年12月建成通车的中国西藏通麦桥（图29），该桥为临时性桥梁，主跨长210m，采用木桥面板建造。

3.6 钢－木组合结构桥梁

钢－木组合结构桥梁的出现凸显了现代木结构桥梁在大跨径桥梁上的特有优势。用木桥面板替换混凝土桥面板可以降低桥梁的自重，提高活载比例；而用木桥面板替换正交异性钢桥面板能够改善钢桥面板桥面铺装追从性差、使用性能不佳等问题。

2010年，高诣民［26］以广东东莞市东江大桥主桥为依托工程，用木桥面板替换混凝土桥面板，探讨了现代木结构桥梁在大跨径钢桥上的应用前景和优势，研究结果表明：在自重和二期恒载作用下，相对于混凝土桥面板，采用木桥面板后桥梁挠度和桁架应力平均减少约30%，而且自重减少约50%，降低了施工阶段吊装机具的要求，此外，木桥面板养护期短，加快了施工工期。

另外，随着社会发展，对桥梁承载能力要求逐渐提高，大量早期建造的桥梁面临着维修加固问题。用木桥面板替换原有混凝土桥面板，可以降低桥梁恒载且提高桥梁承受活载的比例，从而提高桥梁承载等级，同时减少施工安装的复杂性，降低维修成本。2009年，美国黑桥加固改造工程即为现代木结构桥梁在旧桥加固改造方面很好的例子，图30为该桥的新木桥面板施工。美国黑桥原为一座四跨桥梁，在加固改造后变为三跨，主跨加大，用木桥面板替换原有混凝土桥面板，降低了桥梁的恒载，从而达到最大限度地利用原有基础的目的，降低了加固改造费用［27］。

图30 美国黑桥的新木桥面板施工Fig.30 Construction of New Timber Deck of Black Bridge in America

4 结语

现代木结构桥梁采用先进的木结构加工、连接技术，且耐久性能好、结构形式多样，能够满足不同桥梁结构需求。同时，现代木结构桥梁具有自重小、施工周期短、绿色环保节能、经济性高、环境协调性好等优点，应用前景广阔，能够丰富中国现代桥梁的结构形式。

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