胶合木-混凝土组合结构的应用分析

陈 超 （东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

随着生活的不断进步和发展，人们为了更好的顺应社会并与自然和谐相处，我国引入了胶合木材料作为建筑建材。经历了多年的孜孜不倦的研究探索，已经可以利用间苯二酚或者酚醛间苯二酚树脂胶等胶粘剂进行粘接压制，形成可以达到安全规定标准的胶合木，也成为绿色建筑的首要选材。同时，混凝土技术发展已经达到了非常成熟的地步，可以说几乎很多的建筑都离不开混凝土的使用，目前已成为使用量最大、应用范围最广泛的建筑材料。为了提高其应用性能，相关规范不断完善，同时不断研究和探索，均衡同步提高各种各样的应用性能，满足人们社会的需要。

胶合木-混凝土组合结构作为近些年一种新型建筑结构，顺应社会发展和满足时代的需要[1]。在2016年国务院印发《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，要坚决贯彻“适用、经济、绿色、美观”的建筑方针，着力转变城市发展方式，着力塑造城市特色风貌，着力提升城市环境质量，着力创新城市管理服务，着力于兴建绿色建筑及推广使用绿色建材[2]。

1 胶合木-混凝土组合结构特点

1.1 整体性能

胶合木-混凝土组合结构是在木结构和混凝土结构的基础上发展起来的，木材在顺纹方向有较好的受拉性能，而混凝土抗压能力强，理论上两者的组合可以充分发挥各自的优点来承担荷载。除了在力学性能上能有效发挥各自的优点外，胶合木-混凝土组合结构还有以下特点：结构生态，天然再生；抗震和抗冲击性能好，并且质轻高强、安装便捷；具有良好的防火性能，这都能促进胶合木一混凝土组合结构的快速发展。

1.2 抗震性能

中国是一个地震频发的国家，位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分活跃[3]。胶合木-混凝土组合结构的房屋具有良好的抗震性能，利用栓连接和钉连接，两者可以通过自身的变形消耗能量。据有关研究表明，胶合木在遇到地震时，在方向上的偏移率仅为1.3%。同时，本身也质轻高强，具有良好的韧性，高结构强度和高抗震性能的优势[4]。

1.3 绿色环保

图1 Vihantasalmi桥

胶合木与钢筋类材料相比，其密度小和强度高。据统计，在一栋200m2的建筑上，在耗能方面为钢结构的66%，二氧化碳排放量为钢结构的81%，空气污染指数为钢结构的57%，生态资源耗用指数为钢结构的88%，水污染指数为钢结构的29%[5]。可见胶合木具有低碳环保、绿色节能、保护环境等等的优势，综合性能指标要强于钢结构。胶合木是一种可循环可再生资源，使用寿命也比钢筋混凝土的房屋要长，最后也可以进行回收处理。

1.4 构造简单，便于施工

组合结构构造简单，合理可靠，则必然会易于施工，满足国家安全规定的标准，对于施工连接构造的质量检查也会容易许多。连接方式可以参考榫卯连接、齿连接、销连接、键连接、胶（胶粘剂）连接、植筋连接、承拉连接等等。

同时，采用胶合木具有以下的优点：①作为新型材料，合理利用可再生能源，满足可持续发展战略。②安装简单快速，加工不受时间限制，可以大力推广装配式建筑。③轻质高强，满足实际工程的力学性能，同时抗震能力出色。④与钢材料相比，有很好的防火性能，结构也更加的牢固。⑤保温性能，隔音性能良好，可以不用担心热量的散失和噪声污染。⑥使用胶合木，可以更好地融入大自然，美观大气，屋里有淡淡的木香，心情舒适。

图2 Vihantasalmi桥结构

在芬兰，很早就找到胶合木-混凝土组合结构的足迹，著名Vihantasalm i桥的设计（图1、图2）是一个五扇形的桁架桥，其中三个主跨中的承重结构由胶合木制成，两侧跨度构造为胶合木-混凝土组合桥。桥梁的跨度为168m，行车道的有效宽度为11m，人行道的有效宽度为3m[6]。

2 国内外研究现状

胶合木最开始在北美和欧洲流行，在1900年，旧时德国魏玛的赫茨首次发现了胶合木，并分别在瑞士和德国申请了专利。而标志着拱形结构胶合木应用的真正开端是赫茨。在1906年，德国注册的曲线型胶合构件的专利。在北美，大约在1934年，注册建筑师和工程师麦克斯·海因内希（MaxHanisch）设计了“全胶合”拱形屋盖结构，是美国历史上第一座采用胶合的建筑。同年，美国农业部林产品实验室（FPL）的建筑，至今仍在使用，使用期限大大超出预期。从上世纪50年代至今，欧洲、美国、日本等发达国家已经对胶合木进行大量的研究和改良，取得了不错的突破。近些年，为了推广装配式建筑，加快推进绿色建筑的进程。在纯胶合木建筑和纯混凝土建筑的基础上，提出了利用两者各自的优势弥补各自的缺陷，可以使两种材料得到最大的利用。而为了达到这个目标，也可以通过不同的组合形式进行实现。

2002年，Ario Ceccotti认为木材是一种可再生的绿色建材，易加工能耗低，但是木结构自身有许多的问题，所以挖掘出一种新的结构形式-复合混凝土木结构，这种新型的结构可以突破木结构本身的特性，更好的满足人们的需要[7]。之后于 2010年，L.F.Jorge等对 SFS螺钉连接件在短期荷载和长期荷载下受力性能进行研究分析，这项研究利用了在科英布拉大学进行的实验程序的优势，通过600天对数个木-混凝土结构进行测试，分析了螺钉的直径、混凝土的类别、有无层间隔板对SFS螺钉连接件的受剪承载力及刚度的影响。试验结果表明，螺钉连接件的受剪承载力和刚度随螺钉直径的增大而增大；螺钉连接件的受剪承载力在轻骨料混凝土中较在普通混凝土中降低30%～50%，刚度基本相同；钉连接件的受剪承载力在设有层间隔板提高不大。发现SFS螺钉连接件对于整个结构重要性，同时还提出了一种简化的程序，可以将其作为设计理念的扩展[8]。

对于木-混凝土组合结构中的连接，国内外学者通过理论分析、有限元分析和试验验证等方法开展了相关探索和研究。Hossain等对植入自攻螺钉的胶合木板连接节点进行了加载试验，研究节点的承载力、屈服强度、变形、刚度和延性。结果表明：垂直植入自攻螺钉的节点延性好，十字交叉倾斜植入自攻螺钉的节点刚度大但延性较差[9]。

目前，胶合木-混凝土组合结构的研究主要在美国、日本等国家，我国对胶合木-混凝土组合结构还处于起步阶段，没有可供参考的设计规范和设计标准，只能通过其他国家的设计规范和设计标准进行设计研究，所以更要重视对胶合木-混凝土组合结构之后的研究过程。迄今为止，仅有南京工业大学、中南林业科技大学和同济大学对胶合木-混凝土组合结构有初步的研究，但是胶合木-混凝土组合结构应用广泛，为了实现装配式建筑的推广，为以后的工程应用要提供理论支持和设计依据。

3 结论

胶合木也可以在其他领域有不俗的发展前景，目前可以通过特殊化学工艺把胶合木进行处理，得到纯净、透明、强度高、保温、隔热，可以和玻璃相媲美的材质，同时不会像玻璃那样容易破损，可以说技术成熟后，使用该材质建造会更加的美观，也会对社会的发展起到非常大的作用。

混凝土现在也在不断的进行改良，比如陶粒-普通混凝土，防止在近海混凝土腐蚀的性能研究，新型活性粉末混凝土等等，都是在原有技术上不断突破，顺应社会的进步和人类需求的发展，同时尽可能降低和避免环境的污染。

胶合木作为新型绿色建材，拥有很高的抗拉强度和抗压强度，可以与混凝土组合，结构充分利用两者的特性可以满足建筑的需要，以后可以在中国推广使用。同时，胶合木使用前也必须进行防腐、防虫、防火处理，避免在施工完成后会出现住房安全质量问题。