浅谈钢木组合结构研究进展

白润山 江卓林

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075024)



浅谈钢木组合结构研究进展

白润山 江卓林

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075024)

分析了钢材与木材两种材料的优点与缺点，论述了钢木组合构件及结构体系的优越性，这种组合结构可以充分体现出其节能环保的优点，并且在承载力上也较原体系有着较大程度上的加强.作者全面综述了钢木组合结构的研究现状，并指出这种组合结构存在着材料物理性能显著差异，存在着组合构造、温度下协调性等问题亟需研究解决.

钢木组合结构;新型结构体系;绿色环保

木质结构的修建在我国已经历史悠久，在几千年前，古人便开始成熟的运用榫卯结构了.宋代李诫所著的《营造法式》，系统地梳理了传统木质结构的建筑构造、施工，因此木质结构的建筑体系迎来了发展的高峰.随着欧洲的现代建筑科技的传入，传统的木制建筑产生了变化，慢慢有了砖墙为主体结构，屋架为木质桁架的建筑结构.近代以来，由于木材的减少或出于环保的考虑，纯木结构已经越来越少，取而代之的是钢筋混凝土结构，甚至于一些古建筑物的修复大都采用钢筋混凝土仿造，木结构所包含的文化内涵也渐渐消失，结构体系也与现代框架体系不大相符.最近几年，钢木组合结构体系渐渐被人们接受，通过两种材料的结合，形成了材料间的互补，提高了结构承载力等，从而越来越多的应用于建筑结构当中去.

木材具有轻质，高强，易加工等优点.因此自古以来就受到人们偏爱.从古代中国的庙宇，到中世纪西欧的木质结构大教堂，都证明木结构具有良好的耐久性.现代木结构在全球应用的也较为普遍.在北美，木结构住宅处于市场主导地位，在美国的独户别墅中，其中90%采用木结构，在33.8万幢多层住宅中，大多数也采用木结构.木结构还经常应用于民用建筑，例如旅店，宿舍，厂房，车站等.在北美地区，尤其是加拿大，生产木材成为了重要的国家支柱产业，与其相应的标准化，工业化及其安装技术特别成熟.亚洲地区以日本为例，木材在住宅建造上得到了广泛的应用，除此之外，还应用了胶合木板，水泥刨花板等复合材料.即使日本作为人口稠密的国家，也一直在积极应用.

1 钢材与木材的特点

1.1 木材的特点

木材作为传统的建筑材料，有很多优点，第一，木材作为一种纯天然材料，在建筑中常用的钢、木、水泥、塑料四大主材中，木材直接取自天然，因而木材具有生产成本低、耗能小、无毒害、无污染等特点.并且，木材在作为一种可再生材料，相比较混凝土，水泥等生产过程所产生的废弃物，在其再生过程中，是不断美化环境的过程，符合了国家关于建筑节能，绿色环保的可持续发展战略.第二，木材的强度较高，特别是顺纹理方向的抗压与抗拉强度，可以超过某些金属.可看做一种轻质高强的材料.第三，木材本身作为一种极佳的保温材料，对于建筑住宅的保温性能可以大大提升，特别是将木材作为墙板承重构件应用到结构体系中去，可以实现墙体保温一体化.第四，木材的耐火性能强，在很多人常识中，木材是一种易燃物质，但在实际工程中，当木材被火燃烧时，其表面首先碳化一层物质，材料内部结构强度依然很高，建筑结构在火灾中能够相对保持较长时间的稳定，在同样的火灾环境下，其整体结构的支撑时间比钢结构住宅长.木材的缺点除了易燃、易朽、不耐虫蛀、干缩湿涨等，还有其受力各异向性特点十分明显，特别是木材顺着截面纹理方向的强度与垂直截面纹理的强度差异显著.

1.2 钢材的特点

钢材具有高强、轻质、延性好等优点，在如今国家的政策支持下钢结构住宅发展越来越迅速.但是，相较于其他的建筑材料，在相同的条件下，钢材构件的截面尺寸小、长细比大且板件薄弱，对于局部变形表现敏感.因此，钢材在受力下容易出现失稳现象，包括整体和局部失稳，使得单个构件或整体结构发生较大形变从而提前丧失承载力.可见，由于钢材的材料属性所限制，使得稳定性较弱这个问题制约着钢结构的发展.

2 钢木组合的优越性

2.1 构件性能

钢木组合结构作为一种新型组合结构体系，其意义在于同时发挥钢材与木材的优点，相互取长补短.木材作为一种侧向支撑构件，加强组合构件的刚度，防止钢材因失稳导致提前破坏.这样构件较纯钢材料或纯木材料的强度有了显著的提高.同时钢木组合构件还能达到免装修的效果，尽可能的节省了人力，时间，材料等.因此钢木组合构件既有良好的受力性能，又有较大的实际工程意义.

2.2 抗震性能

钢木组合结构在节点处有许多连接点，在地震时，节点之间可以将荷载相互承担.并且木材本身具有韧性，能够更好的抵抗周期性荷载和冲击性荷载.木结构本身的完整性可以弥补钢材的材料缺陷.钢木结构一般为小断面密布的柔性结构，有一定范围的变形能力以及很大的结构冗余度，再加之钢木框架体系采用钉接节点，使结构体系产生了更强的柔性，从而结构可以通过自身的变形来消耗能量，提高整体安全性.

2.3 绿色环保

木材是一种保温性能好的建筑材料.从居住角度来看，冬暖夏凉，十分适宜.并且木材是天然绿色材料，无污染，对人体也无害.其透气性能较强，可以维持室内外的湿度.最重要的是木材再生产的过程也是一个绿色过程.通过不断的植树来培育更多的木材，在培育的过程中绿化了环境，清新了空气.整个生产过程是一个绿色可持续过程.

3 钢木组合结构研究进展

3.1 国内研究

同济大学的何敏娟，马仲，马人乐等学者对钢木组合构件做了一定程度的研究，这里介绍他们研究的一种钢木组合楼盖在水平荷载下的转动性能.

图1 钢木楼板布置图

这是一种在轻钢栅栏上铺设方木规格材的楼板，在钢筋网与规格木材中加设骑马钉，使其错列布置，穿过C型钢栅栏钉于规格材上，再在表面铺设φ4@100的双向钢筋网，最后浇筑水泥砂浆增强结构一体性.由于铺设木材的原因，楼盖的侧向刚度增强.使得原本为半刚性的楼板因为有了木材的侧向加固使得楼板的刚性进一步提高，楼板的各项受力协调性改善.

东南大学的潘福婷对于钢木组合构件的受力性能也做了初步的探讨，她设计的钢木组合构件主要是以钢材为主要受力构件，木板与钢材用螺栓相连接.再通过实验测量与有限元分析，得出木材能够较好的提高钢材的刚度结论.

图2 楼板整体示意图

3.2 国外工程实例

目前在国外将钢木结构有两种应用体系，一种是将钢木组合作为一种构件，将此组合构件应用于实际工程，提高结构体系的承载力.日本鬼石多功能厅，屋顶中的腹板使用木材，在在木材外贴钢材使其变成钢-木翼缘梁.这是在木结构构件中局部采用钢结构替代的经典案例.

另一种钢木组合形式是钢木分离式，用木材代替了结构中的一部分钢材，增强了结构的稳定性.日本的AIRA综合运动公园体育馆的屋顶采用不完整桁架，用木壳代替传统桁架中的上弦杆，实现了木壳结构与钢结构的组合.

在温哥华冬奥会的场馆中，在速滑项目的场馆里，这种椭圆场馆采用了经典的钢木设计.这种设计拥有全球最大的钢木组合的屋顶结构.因为这种独特大胆的设计使得该场馆获得了世界最佳运动场所设计奖.除此之外.日本的川崎市穹顶，瑞士特拉弗西娜桥等建筑都在体现着国外在建筑结构中将钢木组合技术的纯熟应用.

图3 日本鬼石多功能厅 图4 日本AIRA综合运动公园体育馆

4 钢木组合体系亟需解决的问题

4.1 在温度作用下材料差异显著

相比较钢筋和素混凝土的热膨胀系数较为接近，钢材与木材在温度下的膨胀系数差异显著，全干木材的膨胀系数为3～4.5×10-8/℃，而钢材的膨胀系数8.31～14.68×10-6/℃.所以在温度作用下，组合结构中两者易产生结构内应力，这种内应力对于组合结构中的材料结合是不利的.但在实际工程中，又不得不考虑其因素，尤其是在严寒地带，对于在温度下钢木组合之间的协调性变得更加重要，因此对于温度作用下，钢材与木材两种材料的结合协调性能研究有着深远的意义.

4.2 组合构件连接构造问题

目前国内的对于钢木组合结构的研究大多停留在对于单个构件的受力性能研究层面.而构件的选择与构造大多是以钢材为夹芯板，两边放上木材与钢材螺栓连接或铆钉连接为核心板提供侧向支撑.构造形式也较为单一，无充分发挥钢木材料的优点.

4.3 结构体系研究尚未成熟

钢木组合结构体系的关键点便是节点处的连接构造，这类问题国内研究尚未成熟，节点的构造对于抗震性能，结构整体稳定的有着巨大的影响.目前节点的连接构造主要还是参照轻型木结构的节点构造，用各式各样的型钢的节点进行加固，连接的方式也大多数为螺栓连接和铆钉连接.

5 结 语

国内对于钢木组合结构的研究还处于起步阶段，相关的配套体系尚未成熟，对于钢木的材料协调性，构造连接，钢木体系的抗震性能等问题仍需要不断的探索来进行优化.如何将钢木体系的整个生产链变成一种绿色可持续发展，是发展的关键问题所在.随着人们对于居住要求的不断提高，钢木组合结构的研究必将得到更多的推广及应用.

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Research on Steel-wood Composite Structure

BAIRun-shan,JIANGZhuo-lin

(Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075024)

In this paper,the advantage and disadvantage of steel and wood are firstly analyzed.Then,the advantage of steel-wood composite structure component and system of structure is discussed,which can give full expression to its advantages of energy conservation and environmental protection.Compared with the original system,its bearing capacity has enhanced largely.At last,the author comprehensively summarizes the present research status of steel-wood composite structure and its existing problems,such as significantly different physical properties,need-to-be-coordinated features under different temperature,and so on.

steel-wood composite structure;new-type structural system;environmental protection

2016-03-20

白润山(1965-)，男，教授，主要从事钢结构、新型结构体系及材料、建筑产业化研究.

TU 3

A