大跨度胶合木结构设计探索

冯 远，龙卫国，欧加加，张 彦，廖理安，王立维，杨 文，陈 迪

(中国建筑西南设计研究院有限公司，成都 610042)

0 引言

胶合木是用胶将木层板沿木材顺纹方向加压胶合而成的工程木产品，通常是由四层或四层以上的木层板叠层胶合而成，可被加工成不同的形状，如变截面构件、弧形或自由曲线形构件等，克服了传统木构件截面尺寸、长度和形状受原木的影响。因制作胶合木层板剔除了大的木材缺陷，胶合木缺陷分布更加均匀，因此其强度较锯材强度有较大提升，实现了木材资源小材大用，极大地提高了木材资源的利用率[1-2]。

胶合木最早起源于欧洲，至今已有100多年应用历史，在欧洲和北美地区被广泛用于大跨结构，已有诸多实际工程案例，例如：美国塔科马穹顶体育馆，直径162m，穹顶最高处45.7m；日本小国町民体育馆，最大跨度56m；挪威哈马尔奥林匹克圆形竞技场，最大跨度70m；加拿大列治文奥林匹克椭圆速滑馆，最大跨度100m[3]。

自20世纪六七十年代，大跨胶合木结构开始逐渐在我国的一些工程中得到应用。1989年，北京亚运村康乐宫嬉水乐园的60m跨度屋盖采用了胶合木结构；同年，四川省江油电厂88m跨度干煤棚也采用了胶合木结构。近几年，在国内大空间公共建筑采用大跨木结构的项目更是日渐增多，如已投入使用的长春市民中心游泳馆、天津华侨城欢乐谷演艺中心木结构网壳、太原植物园木结构、云南太平湖国际会议中心等项目都采用了木结构屋盖。

1 大跨度木结构类型

大跨木结构的分类方法有很多，根据使用材料可分为大跨纯木结构、大跨钢木混合结构；根据受力单元可分为杆单元结构、梁单元结构、板壳单元结构；根据受力方式可分为大跨平面木结构体系、大跨空间木结构体系。下文介绍几种常见的大跨度木结构类型。

1.1 木桁架结构

木桁架结构是由木杆件组成的一种格构式体系，节点多为铰接，在外力作用下，桁架中的木杆件以承受轴向力为主。木桁架在新中国成立初期建造的工业厂房中被广泛用于屋盖。根据桁架下弦所用的材料，木桁架可分为纯木桁架和钢木桁架，其中钢木桁架通常应用在跨度较大的屋盖中，通常将下弦杆用圆钢或型钢替代，由于木材受拉破坏属于脆性破坏，且钢材的强度和弹性模量远高于木材，采用钢木桁架可提高桁架的刚度，减小变形，从而实现较大跨度的跨越。木桁架根据构件的空间布置可以分为空间木桁架和平面木桁架，其中平面木桁架在工程中应用较多，根据其外形分为三角形、矩形、梯形以及多边形等类型，具体外形根据屋面构造、跨度、造型等因素确定。图1为上海某工程采用的大跨胶合木桁架作为屋盖承重构件。

图1 木桁架屋盖

1.2 木网架结构

木网架结构与钢网架结构一样，是由多根木杆按照一定规律组合而成的空间网格杆系结构。在节点处一般使用钢连接件连接木杆，常见的连接方式有螺栓连接和植筋套筒连接等。木网架结构具有空间刚度大、构件规格统一等特点，多用于公共建筑中。木网架结构杆件以受轴向力为主，材料性能发挥比较充分[2]。日本小国町民体育馆即采用了木网架结构，1988年建造完成，最大跨度达56m，见图2。

图2 日本小国町民体育馆木网架

1.3 木网壳结构

木网壳结构是指将木构件沿球面或柱面有规律布置而形成的空间结构体系，其受力特点与薄壳结构类似，大部分荷载由网壳杆件轴力承受[1]。木杆可以为直线形，也可以为曲线形来接近球面或柱面的效果。球面网壳的造型美观、受力合理、跨度大，非常适合运动场等大型公共建筑，是大跨度空间木结构的理想形式[4]。美国塔科马穹顶采用了球面木网壳结构，直径达162m，建筑物最高处达45.7m，由三角形木网格组成，主要构件采用弯曲形，通过钢夹板节点连接，用木檩条支撑屋面，于1980年建成，为目前全球最大的单层胶合木网壳结构，见图3。

图3 塔科马穹顶木网壳

1.4 木拱结构

木拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线形平面结构，是实现大跨度较为经济的结构体系。木拱结构可以充分发挥材料性能。水平推力的存在有效地降低了构件弯矩，从而使木拱能够充分发挥木材受压的性能。同时，构件截面内的竖向压力分量平衡了结构的整体剪力，使结构内部剪应力减小，应力分布均匀，因而木拱结构同样是大跨度木结构的理想形式。胶合木是制作木拱结构的理想材料，可以实现大跨度木拱所需要的较大截面，同时，胶合木可以方便地制作成曲线形构件，满足几何形状要求。图4为四川省江油电厂干煤棚胶合木拱结构，胶合木拱结构跨度为88m，拱高为27m，拱截面宽为230mm、高为1.625m，由两块宽为115mm的弧形胶合木构件用螺栓拼合而成。从拱顶分为两个半拱作为吊装施工单元，然后用钢板和螺栓进行安装连接。拱脚置于约6m高的钢筋混凝土支墩上。

图4 四川省江油电厂干煤棚胶合木拱结构

1.5 木张弦结构

木张弦结构由刚度较大的刚性木构件、柔性钢索以及钢撑杆或木撑杆组成。木张弦梁是较为常见的木张拉结构，它主要由三部分组成，分别是刚性木梁、柔性索和撑杆。刚性木梁也可为木拱或木桁架，撑杆可以由钢杆或木杆制成。柔性索一般为钢索，张弦结构中钢拉索参与工作，使木张弦构件刚度大于单纯刚性构件的刚度，同时调整了木构件的内力分布，可以使木材强度得到充分发挥。木张弦结构为自平衡受力体系，需要钢弦在木构件端部可靠锚固[5-6]。木张弦结构也被广泛应用于大跨度的体育场馆、会议厅、展馆等建筑。图5为长春全民健身中心游泳馆木张弦结构。

图5 长春全民健身中心游泳馆木张弦结构

2 工程应用探索

2.1 青岛胶东国际机场航站楼指廊屋盖胶合木结构选型设计

青岛胶东国际机场航站楼由大厅和5个指廊组成，指廊屋盖面积约9.4万m2，见图6。指廊中A，B区指廊长360.1m，宽22.9～38.6m；C，D，E区指廊长395.0m，宽40.3～55.4m。原始建筑方案指廊屋盖拟采用胶合木结构。

图6 青岛胶东国际机场航站平面图

结合建筑美观及经济性对指廊胶合木屋盖进行了交叉网格和平行弦两大类共6个方案的比较分析(图7)，见表1。同时对每个胶合木方案还进行了相同布置的钢结构对比分析。各方案的结构变形、内力、构件尺寸以及材料用量详见表2和表3。

图7 指廊胶合木屋盖方案

根据上述结构分析，结合建筑造型要求，选择方案1胶合木屋盖作为实施方案，图8为方案1胶合木屋盖效果图。但最终因各种原因，指廊屋盖采用方案1钢结构屋盖替代了胶合木方案。

图8 方案1胶合木屋盖效果图

2.2 郑州奥体中心游泳馆屋盖胶合木结构设计

郑州奥体中心游泳馆平面尺寸为220m×102m，包括训练区、比赛区和观众休息区三个部分，见图9。根据不同分区的使用环境和跨度，采用了不同的屋盖结构形式。考虑游泳区受氯离子水气影响，比赛区和训练区屋盖采用胶合木屋盖。训练区屋盖跨度34.500m，采用胶合木密肋梁；观众休息区属于干燥区，采用钢结构屋盖。

不同方案的胶合木屋盖结构布置 表1

采用胶合木屋盖结构计算结果 表2

采用钢结构屋盖结构计算结果 表3

图9 游泳馆屋盖结构平面示意图

比赛区屋盖的跨度最大，达64.750m，且两端支座标高不一致。针对屋盖特点，提出了一种新型的交叉张弦胶合木网格屋盖结构，由胶合木桁架上弦、下弦、竖腹杆、钢拉杆及钢拉索等组成，详见图9～11。

图10 游泳馆比赛区交叉张弦胶合木网格屋盖效果图

该屋盖的胶合木桁架上弦交叉布置，提供了较好的面内刚度(图12(a))；胶合木桁架下弦阵列平行布置，空中有两点与上弦相交(图12(b))；桁架斜置竖腹杆采用胶合木或钢杆，连接上下弦，形成空间桁架结构(图12(c))；两端部的斜向钢拉杆和中部下弦索提高结构的抗剪能力、竖向刚度及承载力(图12(d))。

图12 交叉张弦胶合木网格构成图

游泳馆比赛区屋盖选型时，对三种不同的结构方案进行了分析比较。其中方案A为上述实施的屋盖体系；方案B为钢结构，布置与方案1相同；方案C将方案1中部的钢拉索取消。同时对胶合木方案，考虑构件运输长度不超过17m，桁架下弦现场拼接点按刚接节点和铰接节点进行计算。三种方案的结构参数见表4，力学性能分析对比见表5。

由计算分析可知，三个结构模型都是可行的，所有指标均满足规范要求；取消中部钢拉索的结构竖向刚度损失较多，需要较大幅度地加大构件截面。

不同屋盖结构方案参数 表4

不同屋盖结构方案计算结果 表5

2.3 四川航空基地活动中心屋盖胶合木结构设计

四川航空基地活动中心(简称川航活动中心)主要用途为篮球、羽毛球和乒乓球场。川航活动中心屋盖平面投影为椭圆形，长轴82.4m，短轴48.4m，采用交叉张弦胶合木拱结构,交叉木拱最大矢高为4.05m，最小矢高1.4m，下弦索垂度2m，最大矢跨比约为1/12，见图13～15。

图13 屋盖俯视图

图14 屋盖侧视图

图15 交叉张弦胶合木拱结构

川航活动中心木拱采用花旗松胶合木，强度等级为TCT32，截面为240mm×750mm，钢拉索为φ48的1 670MPa级高钒索，钢撑杆截面为φ133×4，钢系杆截面为φ133×4。结构静力分析结果见表6。木拱最大应力比为0.44。

川航活动中心屋盖结构计算结果 表6

对屋盖结构进行整体稳定屈曲分析，考虑结构初始缺陷的双非线性屈曲荷载系数为3.25，屈曲模态为中间榀木拱的面外屈曲。图16为建成实景图。

图16 川航活动中心屋盖建成实景图

2.4 新疆石河子体育公园游泳馆屋盖胶合木结构设计

新疆石河子体育公园游泳馆及附属配套总建筑面积为14 333m2，为乙级中型游泳馆，包括比赛池、热身池、大小戏水池等。游泳馆平面呈梭形，主体结构平面尺寸约为230.5m×88.2m。地下两层，地上两层，屋盖结构最高点约22.610m。游泳馆屋盖分为南北侧：北侧为主门厅，屋盖采用钢结构；南侧为水上功能区(图17)，屋盖采用胶合木斜柱张弦梁三铰拱架结构(图18)。南侧胶合木屋盖跨度为38.5～69.8m，其中胶合木张弦梁跨度为32.0～57.5m。胶合木强度等级为TCT32，张弦梁上弦为双拼胶合木梁，截面为400×1 000～400×1 400，钢拉索为1 670MPa级密封钢丝绳，截面采用φ66和φ72两种规格。胶合木斜柱也为双拼，截面为400×1 200～400×1 400。

图17 南侧胶合木屋盖

计算分析结果为：胶合木梁最大应力比0.77，胶合木柱最大应力比为0.60；考虑结构初始缺陷的双非线性极限荷载系数大于2.5。满足设计要求。

3 大跨度木结构设计需要完善的几点问题

3.1 结构用木材本构模型

木材是一种天然生长的纤维束非均质材料，其材料的力学性能离散性大，且各向异性。木材的力学特性与诸多因素有关，如树种类型、木材含水率、构件尺寸大小等，确定合理的本构模型是大跨木结构有限元分析的关键。木材在顺纹受拉时的破坏表现为脆性断裂，其应力-应变呈线性变化，可视其存在线性的本构关系；但在顺纹受压时的应力-应变曲线表现为非线性，存在软化阶段；横纹受压时，木材又会被压密导致硬化，总体来看，木材的受压性能本构关系较受拉复杂，呈非线性关系[7]。要正确认识木材各向异性，抗拉、抗压强度不等，受拉或受剪时发生脆性破坏，受压时发生塑性变形等特性。针对不同问题，研究人员提出了单轴和多轴受力状态下，考虑弹塑性、粘弹性、机械吸湿、损伤等多种因素的本构模型[8]，但目前还未有公认的统一木材本构模型。在工程实践中，将结构构件的应力水平控制在弹性阶段，当对大跨木结构进行整体分析时，可采取木材的单向本构模型，选取理想弹塑性模型，该模型纤维单元对木结构受弯的模拟比较准确。但在进行节点分析时，为了模拟木材的屈服和破坏，还需要采用三向本构模型。因三向本构模型复杂，需要针对所分析的构件尺寸和选用材料，通过试验去获得，参数众多，成本较高。因此研究一种简化且统一的木材本构模型，是亟待需要解决的问题，可使计算结果在保证精度的前提下，设计工作更加高效和易用。

3.2 节点力学性能研究

节点连接设计是木结构设计的关键部分。对大跨木结构建筑，通常木构件长度较大，会受到道路运输限制，需要在工厂对构件进行分段，然后运输至现场进行连接，连接节点就尤为重要。大跨木结构的节点形式主要有钢插板(夹板)螺栓(销)节点、植筋节点、长自攻螺钉节点等。这些节点通常都为半刚性节点[9]。关于节点的力学性能，国内学者已开展了大量的试验和理论研究，研究主要集中在节点的破坏模式、弯矩-转角关系等方面，并对特定的节点形式提出了承载力和刚度计算方法[10-11]。由于木材自身材性复杂，节点的力学性能受构件木材密度、尺寸、构造等诸多因素的影响，所以节点的通用性还有待进一步研究。

3.3 蠕变和湿度的影响研究

木材的力学性能会随时间发生变化，尤其是在高应力水平的持续作用下，木结构会发生蠕变。设计时，需选取合适的结构体系以减少蠕变对结构整体性能的影响，同时采取相应的构造措施减少蠕变的影响[12-13]。另外木材材性会受环境影响,尤其是湿度影响。环境湿度的变化会导致木结构几何尺寸发生细微变化，可能会使结构和结构受力有变化[14]。因为木材不受氯离子的影响，所以游泳馆中使用木结构作为大跨屋盖具有优势，但因木材干缩湿涨的特性，游泳馆采用木结构时应考虑湿度对结构受力性能的影响。胶合木蠕变和干缩湿涨问题需要进一步研究。

3.4 整体稳定屈曲分析

目前，国内尚未有针对大跨木结构整体稳定屈曲分析的相关规范。结构设计时，一般参照行业标准《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)[15]中大跨钢结构的计算方法，对大跨木结构进行整体稳定屈曲分析，其弹塑性屈曲安全系数K取为2.0。该方法及取值是否合理，还需开展进一步研究工作。

4 结语

木材作为一种低碳、温暖、有生命力的建筑材料，可为建筑师提供更多的创作空间。在国家“3060目标”双碳背景下，木结构因其绿色低碳的特点，也受到越来越多建筑师的关注，如东京奥运会的多个体育场馆采用了大跨度胶合木结构建造，国内近几年也有越来越多的大跨度胶合木结构在公共建筑项目中落地实施。与此同时，大跨木结构结构设计理论和技术完善是支撑现代大跨木结构发展的基础，国内需要开展更多的研究工作来推动大跨度胶合木结构的发展。