钢木组合结构在土木工程中的应用与发展

李闻影，潘福婷，云浩

（安徽新华学院土木与环境工程学院，安徽 合肥 230088）

1 概 述

在众多建材中，木材是惟一可再生且能够多次循环利用的天然材料。木材除了给人舒适、温暖、具有亲和力的感受之外，同时还给人带来健康的生活环境。同时，木材作为一种建筑材料，具有轻质高强、抗震性能好、易加工等特点，相比较钢材，其在高温下的强度损失较小，因而木结构建筑在世界上许多国家应用已很普遍。尤其伴随着现代科技和计算机产业的不断进步，木结构从取材、加工、设计、安装均已融入了科技成分，现代木结构建筑已成为传统营造概念和现代科技的完美结合物[1-2]。虽然木材的优点很多，但也有易变形、质地不均匀、明显的各向异性等天然缺陷。木材在顺其生长方向上的纤维长度及强度较径向大得多。这决定了木材特别适合单向承受顺纹方向的拉、压及弯矩。

钢材是一种轻质高强的材料，材质较为均匀。钢材的塑性及韧性非常好，可焊性也非常好。除此之外，还可以采用螺栓连接、铆接等多种方式，使不同构件之间及与其他材料之间的连接更为方便，这是其他材料所不能比拟的。钢结构是一种高效、快速、经济、可持续发展的环保型建筑结构，不仅可以大大节约施工时间且施工不受季节影响，同时还增大了住宅空间使用面积，节能效果好，抗震性能好，可避免钢筋混凝土湿式施工所造成的环境污染和噪声污染，便于拆卸回收和循环利用。

通过不同材料构成的结构构件或结构形式组合，最大限度地发挥材料各自的属性，弥补各自的力学缺陷，从而达到结构能效的优化，基于这种结构体系的建筑即为组合结构[3]。木结构中辅以钢材使整个结构具备了较强的拉、压、弯能力，许多新型高效的结构同样可以采用木结构，而钢节点的设计也极大的简化了构件的连接，易形成简洁的形象；钢结构中辅以木材，不仅可以提高钢结构的稳定性、耐火性，还可以使整个建筑富有暖意，不再给人冰冷的感觉。

图1 站房屋顶结构

图2 公园休息长廊

图3 钢木组合桥面

图4 钢木组合梁

钢木组合结构是指运用钢材和木材相互组合的方式建造的构筑物结构体系。这种组合结构体系比传统的木结构体系更加坚固耐用，又比现代的纯钢结构更丰富多彩，被广泛地运用于多种建筑结构当中。钢材和木材这两种材料进行组合，为设计师带来了与以往不同的设计感受：钢材作为极富现代气息的材料与木材这种自然又充满暖意的材料相互结合，使得运用钢木组合结构进行设计和建造的建筑物很容易被赋予一种独有的气质，既具有时代气息又不失亲和力。钢木组合结构最大的优势在于两种材料的性能互补、协同作用，既有利于各自材料性能的高效发挥，同时也能够使结构抵抗各种拉、压、弯、剪等应力作用。基于不同力学承载机制的结构形态被引入现代钢木组合结构的设计中，其结构类型与建筑的表现形式也日益丰富。钢木组合结构形式不仅能创造木质空间的效果，而且能够大大增强结构整体的强度，可以广泛应用在各种公共建筑中，尤其是体育馆、展览馆等大跨度建筑。与传统的钢结构、混凝土结构相比，大有崛起追赶之势，而木质空间的效果及材料的生态可持续性则是其突出的优势。

2 钢木组合结构的形式、特点及应用

2.1 分离式组合结构

2.1.1 钢木桁架

木材与钢材相分离，分别组成结构的基本构件。由于木材的强度相对其他建材较低，这样往往导致木结构建筑的跨度和高度都不大，限制了木结构在大跨建筑中的使用。如果将钢材运用到木结构中去，形成钢木桁架，木结构建筑有了局部的钢结构辅助，就能有效地放开建筑本身的结构形式。在这种类型的建筑结构中，往往是木构件或木结构起主导作用，常常决定着建筑的整体结构和空间造型；钢构件或局部钢结构仅仅作为辅助结构穿插于木结构建筑体系中，这样容易形成更加高效合理的结构新形式，如展览馆、多功能厅、体育馆和站房的屋盖结构等（如图1）。

这种钢木组合结构形式的建筑是对现代木结构建筑的有益扩展。它不失木结构建筑温暖自然具有人情味的空间特质，同时合理有效的钢木构成充分发挥了材料各自的力学特性，建筑的表现形式也具有强烈的时代特征。不论在设计的可能性、结构的功能性及材料的多样性上，都能符合现代建筑的艺术及技术要求。

2.1.2 景观建筑

景观构筑物往往会成为人们生活中的一个视觉焦点，一个兼具实用性和观赏性的构筑物。在当代的风景园林设计中，我们总能发现大量运用钢木组合结构设计建造的景观构筑物，如景观码头、餐厅茶室、观景塔楼、休息平台、栈道、桥梁等[4]（如图2）。

现代钢木组合结构形式的创新表现在灵活运用现代结构理论成果，以及基于不同的承载体系的组合，综合各种结构优势的混合和空间结构等等。此外，由于采用了新型的节点，许多传统的结构整体性能得到显著提高，在当代建筑创作中也不断推陈出新。这些结构形式不仅可以解决众多传统木结构面临的跨度问题，而且还带来了现代木结构丰富的表现形式。

2.1.3 钢框架木屋盖住宅

钢框架木楼盖住宅[5]是一种新型的住宅结构体系。在传统的钢结构住宅中引入木楼盖，具有承载力高、自重轻、工业化程度高、施工速度快、绿色环保等特点，避免了混凝土楼盖湿作业和自重大的缺点，使得钢结构住宅结构更趋向于绿色环保、循环利用的可持续发展。

2.1.4 钢木组合楼梯

这种组合楼梯的特点是轻盈，线条感性，大都耐用，不需任何维护，所以钢木组合楼梯比较受业主的喜爱，也是市面上最畅销的产品。其综合了钢木两种楼梯的优点，多用钢制透空主梁（单梁及双梁）实木踏板，栏杆采用不锈钢与玻璃组合，扶手则采用与踏板配套的木制扶手。它既有木楼梯的温馨感也有钢梯的轻盈大方，且最为坚固免于楼梯的维护。

2.2 一体式组合结构

2.2.1 钢木组合桥面系

钢木组合桥面系是利用剪力连接件把纵向叠合桥面板与钢梁组合起来（如图3）。桥面木板在上，主要抵抗荷载作用下引起的压应力；钢梁在下，主要抵抗荷载作用下引起的拉应力。长安大学高诣民[6]对这种桥面系结构的力学性能进行了分析，分析表明这种桥面结构可以大大降低桥梁的自重，提高桥梁的跨越能力，桥梁结构的经济性也将随之增强。钢木组合桥面系在以下桥梁结构领域具有广阔的应用前景：中小跨径，尤其是在云南等森林资源丰富的地区将具有更大的经济效益；抗灾抢险、战备桥梁等快速安装的装配式桥梁以及便携式桥梁；城市人行天桥，木桥造型美观、与环境相协调，风景区景观桥梁建设中将具有独特的优势；旧桥维修加固，具有良好的技术优势。如果使用预制木桥面板替换混凝土桥面板，由于自重上的减少可以大大提高活载的比例，同时也可以减少施工安装的复杂性，大大缩短施工周期，从而降低维修成本，而且桥面板的使用寿面能达到50年。

2.2.2 几字形钢木组合梁

木与钢合为一体组成结构的基本构件。这种组合梁（如图4）是由较薄的热镀锌钢板轧制成的“几”字形外壳，中空填充木方（防止钢制外壳被压屈），再用螺栓连接而成的。这种组合梁一般作为混凝土结构模板的主、次龙骨，其优点是性能稳定、可工厂自动化加工、质量可靠、周转次数多、重量较轻、易于人工操作。

3 钢木组合构件的发展前景及待解决的问题

3.1 发展前景

相对于混凝土结构建筑，绿色生态可谓是现代钢木组合结构建筑发展的最大优势。在现代钢木组合结构建筑中，建筑师和结构师从不同的层面上理解建筑的生态意义，并进行积极的探索与实践。钢木组合结构建筑以木材自然温馨的物质属性建立建筑与自然、与人联系的纽带。因此，随着钢材和木材的供应充足、设计理论的不断成熟、人们观念的不断转变，钢木组合结构在现代建筑、桥梁、构筑物等方面均会有很好的发展前景和空间。

3.2 需要解决的问题

3.2.1 钢木组合结构在温度作用下的协调性

木材的线膨胀系数大约是钢材线膨胀系数的1/300，因此，在相同的温度作用下两者的变形不协调，在钢木组合设计中应该要考虑由此产生的次内力影响。

3.2.2 钢木组合结构的连接件

钢材与木材这两种特性截然不同的材料要进行不同形式的组合，就需要在组合交接的时候关注节点细部设计。对于连接处的受力性能、破坏机理尚需要进行充分的分析和研究，以确保结构的安全。

3.2.3 钢木组合结构的推广

目前，很多欧美国家不断向我国出口原木、锯材等，且国内也建设了大面积的速丰林基地，木材完全可以满足市场的需求；钢材的产量更是充足，甚至于市场上出现了供大于求的现象。因此，如何逐渐改变人们对传统混凝土结构的信任和依赖，逐步推广钢木组合结构成为了迫在眉睫的事情。

[1]杨子江.木结构——绿色节能建筑结构[J].房材与应用,2005(3).

[2]陈恩灵，费本华，王晓欢.我国现代木结构建筑研究现状[J].林产工业,2008(4).

[3]聂建国,樊健生.广义组合结构及其发展展望[J].建筑结构学报,2006(6).

[4]林箐，郁葱.钢木结构景观构筑物的结构节点细部形式探讨[J].风景园林工程,2013(8).

[5]陆荣喜.钢框架、木楼盖住宅结构性能研究[D].南京：南京林业大学,2009.

[6]高诣民.CLT钢木组合桥面系研究[D].西安：长安大学,2010.