钢木组合结构研究现状

廖静　郝勇　王立军　贾吉龙　李家安

摘 要：钢木组合结构作为一种新型的组合方式，综合了钢材的可循环利用性和木材的可生性，同时它们的结合还能充分发挥两种材料的优势，弥补各自的不足。本文分析了钢材和木材组合的优势，对现有的钢木组合结构进行了阐述，分析了目前钢木组合的不足之处并从大方向上提出了一些解决方法。

关键词：钢木组合结构;研究现状;连接方式

中图分类号：TU755.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）14-0085-03

Research Status of Steel-wood Composite Structure

LIAO Jing1，2 HAO Yong1，2 WANG Lijun1，2 JIA Jilong1，2 LI Jiaan1，2

（1. Hebei University of Architecture，Zhangjiakou Hebei 075000;2. Green Building Materials and Architectural Application Technology R & D Center of Hebei Province，Zhangjiakou Hebei 075000）

Abstract： As a new type of combination， the steel-wood combined structure includes the recyclability of steel and the viability of wood， at the same time， the combination of them can also give full play to the advantages of the two materials and make up for their deficiencies. This paper analyzed the advantages of steel and wood combination， expounded the existing steel-wood combination structure， analyzed the shortcomings of the current steel-wood combination and proposed some solutions in the general direction.

Keywords： steel-wood composite structure;research status;connection method

混凝土具有強度高、耐久性好等优点，在建筑市场占据主导地位。目前，国内混凝土的生产量和消耗量都居于世界第一，但混凝土属于不可再生资源，在生产过程中会产生大量污染，二次利用率仅为10%。随着大气、土壤、水体等污染的出现，国家大力推行绿色、环保、节能减排等政策，人们的环保意识逐步提高，越来越追求绿色的生活环境，回归自然。发展绿色环保材料不仅能弥补传统材料的缺点，还符合我国可持续发展战略。钢木结构是一种新型的组合结构，将钢材和木材通过不同的方式组合起来，能充分发挥两者的优势，弥补两种材料的缺陷。

1 木材和钢材组合结构的优势

木材是一种可再生的、可自然降解的天然材料。木结构在我国具有悠远的历史，其取材方便、灵活多变。20世纪70年代末，我国将木材大量运用于工业，造成木材短缺，木结构在我国的发展受到制约。近10年以来，木结构才得到可喜的发展[1]。但木材是各向异性材料，受材料本身的影响，力学性能较差。

钢材具有良好的物理化学特征，被广泛地运用于大跨度结构房屋、厂房以及桥梁工程中。钢材质轻，方便吊装，施工安装方便，符合我国装配式发展的方向;钢材具有很好的可塑性，形状灵活多变;钢材强度高，具有很好的抗震性能。但是，与其他建材相比，在相同的承载力下，钢结构的截面更小，容易发生失稳。我国大多数钢结构事故发生的原因都是失稳破坏。钢结构易被腐蚀，耐火性能差，后期维护和保养的成本较高，而且钢材给人一种冷冰冰的感觉[2]。

木材能提高钢材的稳定承载力。用钢材作为主要的受压构件，同时用木材将钢材包裹起来，能有效防止钢材锈蚀，为钢材提供一定的侧向支撑，还能给人一种亲近大自然的感觉。现在很多装修都采用木材，用木包钢还能省去后期装修。

2 钢木组合结构受力性能研究现状

目前，国外对钢木组合结构研究最多的是日本。对于钢木组合结构，日本通常采用钢材作为连接件，将木构件组合在一起。国内对于钢木组合结构的研究也有一些进展，但大多都停留在钢木组合的构件上，如钢木组合梁、钢木组合柱、钢木组合楼盖、钢木组合剪力墙等。

2.1 钢木组合梁的研究现状

2016年，李登辉[3]利用H型钢为骨架、在其上下翼缘粘贴樟子松板，分别用试验以及有限元的方式分析其弯曲性能。试验表明，木材和H型钢的整体协调性较好，木材能有效地为H型钢提供抗侧移能力，提高其稳定性，使钢材强度得到充分提高。

2017年，罗佳钰等[4]对钢木组合梁进行了数值模拟分析，采用耦合的方式将C型钢的一侧与木板相连，再采用三点加载制度研究了钢木梁的抗弯性能，梁破坏时属于塑性破坏，其抗弯承载力比尺寸相同的木梁提高28%～85%，跨中极限变形提高了76%～146%。

2017年，姚雪峰[5]总结了现有的组合梁抗弯计算理论，测试了不同木板的宽度对钢木组合梁的抗弯性能和刚度的影响，木梁的宽度对钢木组合梁的承载力影响不大，由于螺栓连接组合梁为部分剪力连接组合梁，木板和钢梁会产生滑移现象，所以不符合平截面假定。

2018年，邹伟[6]以钢木组合梁为研究对象，将木板用胶接和机械连接相结合的方式固定在H型钢的上下翼缘和腹板两侧，以木板厚度、螺栓间距、型钢厚度为试验参数设置了13组对比试验和一根纯木梁构件作为对照组，进行了梁的抗弯试验研究和有限元分析，对比分析了各个参数对构件破坏产生的影响。钢木组合梁较纯木梁的承载力和延性来说有了很大的提高，但由于连接方式存在一些问题，胶接处和机械连接处先后破坏，最后钢材屈曲，木板发生脆性破坏。

2018年，金许奇等[7]利用螺栓间距、螺栓大小和木板厚度这三个参数对钢木梁进行了有限元分析。结果发现，螺栓间距对钢木梁力学性能影响较小，其余两个变量影响较大，螺栓直径越大，钢木梁的承载力越高。木板对钢梁能起到很好的约束作用，减小钢梁的变形。

2018年，张海燕[8]通过轻型薄壁钢包矩形木的方式设计了一种钢木组合梁，钢木梁的协调工作性能较好，抗弯承载力、抗弯刚度和延性均优于纯木梁和纯钢梁。

综上所述，国内学者提出了几种钢木组合梁，并分别开展了相关的试验、数值模拟分析，或采用两种方式相结合的方式研究了钢木组合梁的抗弯性能。但是，研究表明，钢木组合梁还存在一些不足之处：需要采用良好的连接方式，避免钢板和木材的相对滑移;研究清楚钢木组合梁的破坏机理，针对不同的组合形式和连接方式给出理论的计算公式;数值模拟过程中的节点、滑移等的模拟方式需要进一步准确建立。

2.2 钢木组合柱的研究现状

2016年，对于一个十字形钢柱和一个使用螺栓连接的钢木组合柱，潘福婷等[9]通过数值模拟的方式对比分析了该构件的力学性能。钢柱发生失稳破坏，破坏时其破坏强度还未达到钢材屈服强度的一半，而钢木柱破坏强度超过其屈服强度，说明木板可以有效提高钢材的稳定性。

2018年，趙东拂等[10]对钢木组合柱设置了三组对照试验，主要用有限元模拟的方式选择合适的钢筋缀件细部尺寸，再通过改变钢片的尺寸和缀件是否与木梁接触这两个变量的方式进行钢木组合柱抗震性能试验研究和有限元分析。三组试验结果得到的滞回曲线相差较大，证明这三个变量对此组合柱的抗侧移性能有较大的影响。

2019年，王俊人等[11]将落叶松木用胶接的方式粘贴在H型钢的翼缘上，采用正交试验的方式设计了四组钢木组合柱构件，并对其进行偏压试验，结果木板和钢材胶接部分开裂，钢材发生失稳破坏。

2019年，李建春等[12]以螺栓间距、长细比、钢板厚度和预应力度为参数，对13根预应力钢-木组合柱和1根纯木柱进行轴压试验和数值模拟分析，研究了其受力性能，给出了最优的组合方式。

国内钢木组合柱的组合方式有两种，一种以木材为主要的受力构件，钢材包裹在其外或钢缀件作为连接件，以增大木柱的轴心受压强度，主要的研究方式是通过试验与数值模拟相结合的方式;另一种以钢材作为主要骨架，木材包裹在其外，通过试验或数值模拟的方式研究柱的稳定性。目前，国内对钢木组合柱的研究较少，存在很多缺陷：需要采用良好的连接方式来保证钢材和木材的协调工作性;合理利用钢材的强度高、木材能为钢材提供良好的侧向支撑这一优势，设计合理的截面形式;在数值模拟过程中，钢材和木材的连接以及滑移应采用最佳约束方式;没有准确确定钢木组合柱承载力的计算公式，要根据钢木组合柱的连接方式、组合形式和不同的受力阶段来确定其计算公式。

2.3 钢木组合其他构件的研究现状

2014年，何敏娟等[13]研究了钢木组合楼盖在弹性状态下的平面内刚度和水平荷载的分配方式，分别对无楼盖、钢木组合楼盖及在钢木组合楼盖上浇筑水泥砂浆的两跨木柱钢梁框架结构进行了水平加载试验，通过量化楼盖平面刚度的方式研究了平面内刚度对分配水平荷载的影响。

2014年，马仲等[14]又对分别平行和垂直于搁栅加载时的钢木组合楼盖的抗侧性能进行了试验研究。试验结果表明，两种搁栅加载均为剪切破坏，无论是哪种加载方式，其延性系数都高于美国有关规范的建议值，但垂直于搁栅加载时，其耗能能力是大于平行加载的。

2015年，方超[15]研究了胶接和螺栓连接对钢木组合构件静力力学性能的影响。结果显示，无论是胶粘连接还是将两种方式相结合连接的构件均为脆性破坏，破坏均由粘胶控制。

2017年，刘洋等[16]针对钢木组合剪力墙的抗侧性能，对一个钢框架进行了单调加载试验，并针对两组OSB板不同厚度的剪力墙做了低周反复荷载试验，通过对墙体的滞回性能、抗侧性能、耗能能力、延性等试验数据的分析，发现相对于钢框架来说，OSB木板的加入能有效增加墙体的抗侧性，木板厚度越大，抗侧性就越好，但钢木组合剪力墙的耗能能力并未达到理想状态。由于自攻螺钉的缺陷，在剪力墙破坏时，自攻螺钉发生严重的滑移和翘曲，但钢板损坏木板完整，说明木板和钢框架的协同工作能力较差。

我国对于钢木组合其他构件研究较多的是钢木组合楼盖和剪力墙的抗侧性能，同时还对钢木组合连接节点有所涉及，这些研究均是基于试验研究的。楼盖最重要的特征是平面内刚度，影响因素较少，研究效果较好。剪力墙存在的主要问题是连接问题，钢材和木材不能很好地协同工作，试验结果不能达到预期效果。

3 待解决的问题

3.1 钢木组合结构的推广

目前，钢材的产量丰富，市场供大于求，造成钢材价格低廉，同时人们过于依赖钢筋混凝土，不易接受其他建材，认为木材价格高昂，不经济，力学性能差，所以如何推广钢木组合结构就成了一个问题。

3.2 钢木组合结构的协调性

钢材和木材的弹性模量和线膨胀系数相差较大，这就造成如果没有合理连接和组合方式，钢材和木材就不会协调工作。所以，要充分研究钢木组合结构连接处的受力性能、破坏机理，设计出可靠的连接和组合方式，以保证钢材和木材协调工作。

3.3 钢木组合结构的耐火性

木材具有可燃性，燃烧过程中会释放大量热量，火场中心温度可达1 200 ℃，火势蔓延非常迅速[17]。虽然木材在燃烧的过程中会被炭化，形成一层保护膜，但是保护膜发挥作用的时间很短，很快就会被完全烧毁。钢结构的耐火极限值仅为15 min。钢材和木材的耐火性能都较差，给钢木组合结构做好防火措施是结构安全的关键。

4 结论

钢木组合作为一种绿色的新型组合形式，应该被大力推广来代替传统的建造模式，是我国打造绿色建材和装配式建筑的一种有效手段。我国目前对于钢木组合结构的研究还处于初步阶段，还需要不断地攻克难题，探索钢材和木材最合理的组合形式（包括截面形式和钢材与木材的用量），研究两种材料最佳的连接方式，使组合结构避免滑移，协同工作。解决这些问题是我国发展钢木组合结构的关键。

参考文献：

[1]任海青，上官薇薇.中国木结构建筑发展研究与现状[J].建设科技，2015（3）：12-16.

[2]李佳佳.居民建筑钢结构材料的使用现状及问题研究[J].建筑工程技术与设计，2018（14）：5629.

[3]李登辉.钢-木组合梁抗弯性能研究[D].北京：北京交通大学，2016.

[4]罗佳钰，李响，邓瑞泽.新型钢-木组合梁抗弯性能数值分析[J].低温建筑技术，2017（2）：46-48.

[5]姚雪峰.钢-木组合梁抗弯力学性能研究[D].大连：大连理工大学，2017.

[6]邹伟.薄壁H型钢-木组合梁受弯承载力计算分析研究[D].绵阳：西南科技大学，2018.

[7]金许奇，柏亚双，徐国林.基于螺栓连接的薄壁钢-木组合梁承载力影响因素分析[J].西南林业大学学报（自然科学），2018（4）：167-172.

[8]张海燕.冷弯薄壁型钢-木塑组合梁抗弯性能研究[D].成都：西南科技大学，2018.

[9]潘福婷，王艳华，吴京.钢木组合柱的有限元分析及其设计[J].阴山学刊（自然科学版），2016（1）：26-29.

[10]赵东拂，王磊，孟颖.钢-木组合柱抗侧力性能试验研究及有限元分析[J].振动与冲击，2018（11）：61-70.

[11]王俊人，段紹伟.钢-木组合柱偏心受压力学性能试验分析[J].建筑技术开发，2019（9）：16-17.

[12]李建春.新型预应力钢-木组合柱受力性能研究[D].绵阳：西南科技大学，2019.

[13]何敏娟，马仲，马人乐，等.轻型钢木混合楼盖水平荷载转移性能[J].同济大学学报（自然科学版），2014，42（7）：1038-1043.

[14]马仲，何敏娟，马人乐.轻型钢木混合楼盖水平抗侧性能试验[J].振动与冲击，2014（18）：90-95.

[15]方超.钢-木组合连接静力性能研究[D].北京：北京交通大学，2015.

[16]刘洋，陈志华，安琦，等.轻型钢木组合剪力墙抗侧性能试验研究[J].天津大学学报，2017（1）：78-83.

[17]苗丰，梁国艳，王江平，等.木结构建筑全生命周期内防火研究与消防管理[J].施工技术，2018（9）：136-137.