陳孝柱，董 巖

（安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

一種新型框架式“鋼木結(jié)構(gòu)”的研制與設(shè)計(jì)

陳孝柱，董 巖

（安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

本文綜合利用鋼材與木材的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種框架式“鋼木結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)介紹了梁和柱的設(shè)計(jì)以及梁與柱，柱與地基，板與柱、梁之間的連接問題.該設(shè)計(jì)通過對(duì)梁板、柱中加鋼筋增強(qiáng)了其承重能力和強(qiáng)度，采用鋼砼的節(jié)點(diǎn)，保證了節(jié)點(diǎn)能承受較大的載荷并保持穩(wěn)定性.該結(jié)構(gòu)具有耐久性好，抗震性強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景.

框架式；鋼木結(jié)構(gòu)；節(jié)點(diǎn)

1 引言

近年來，鋼木結(jié)構(gòu)成為研究的熱點(diǎn).所謂鋼木結(jié)構(gòu)是指把鋼和木通過某種方式結(jié)合起來，構(gòu)成框架式建筑物的組成材料.鋼材具有強(qiáng)度高的特性，而木材具有生態(tài)特性.通過鋼材形成建筑物的總體承重框架，而用木材起到一種近似“代替”混凝土的作用，包裹住鋼材，一方面防止鋼材生銹，另一方面也可起到共同承重的作用.

眾所周知，鋼筋與混凝土能夠很好地結(jié)合，除考慮兩種材料的各種性質(zhì)相近外，也取決于混凝土在凝結(jié)之前具有良好的流動(dòng)性，所以它們能在混凝土凝結(jié)后緊密的結(jié)合.然而木材是固體，不具有流動(dòng)性.本文采用在木材中打孔的方式，將帶肋鋼筋穿入孔中，并且在孔中加入強(qiáng)力膠，使它們緊密結(jié)合.

針對(duì)框架式結(jié)構(gòu)，主要研究梁、柱、板，即對(duì)傳統(tǒng)的梁、柱、板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使鋼木結(jié)構(gòu)更加牢固.由于地板和墻板目前市場上已有，本文不再重新設(shè)計(jì).故主要設(shè)計(jì)以下幾方面內(nèi)容：梁的設(shè)計(jì)、柱的設(shè)計(jì)、梁、柱、板之間的連接以及鋼與木的連接.由于鋼木結(jié)構(gòu)比較輕，因此地基采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可按目前樓房地基處理方式.框架式結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件為柱，本文重點(diǎn)考慮梁與柱的連接問題.

2 框架式“鋼木結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)

2.1 梁的設(shè)計(jì)

原木材需要削成矩形，設(shè)其長、寬、高分別為l、b、h.打孔方向沿著長度的方向，孔的最下層距離最近矩形梁邊緣設(shè)置為45mm，這樣設(shè)計(jì)一方面是考慮到木材燃燒時(shí)碳化層約為40mm，在燃燒時(shí)木材中的鋼筋仍能保持其強(qiáng)度.另一方面，也是為了防止梁受力時(shí)，梁下側(cè)木纖維不發(fā)生拉伸破壞.

圖1 木材的剪切

由表1可知，木材的順紋抗拉和抗壓強(qiáng)度相差不多，但是抗拉強(qiáng)度略高.從木梁承重的微觀角度講，當(dāng)承受載荷時(shí)，上側(cè)纖維受壓，下側(cè)纖維受拉，這與混凝土截然相反.當(dāng)發(fā)生破壞時(shí)，則表現(xiàn)為上側(cè)纖維逐漸發(fā)生壓縮破壞，下側(cè)纖維逐漸發(fā)生拉伸破壞，故配筋時(shí)應(yīng)當(dāng)注意考慮木梁的上部配筋.從宏觀上考慮，抗彎強(qiáng)度相當(dāng)于抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的平均.木材各種強(qiáng)度間的關(guān)系如下圖：[1]

表1 木材各種強(qiáng)度間的關(guān)系

梁的兩端處，即梁與柱連接處，會(huì)承受較大的剪切力，若發(fā)生破壞，可認(rèn)為是橫紋切斷破壞.但是如若從梁的整體考慮，一般首先出現(xiàn)的并不是剪切破壞，而是壓縮破壞.

在對(duì)梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要優(yōu)先考慮抗壓強(qiáng)度.這與混凝土相反，因?yàn)榛炷量箟簭?qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度.混凝土配筋時(shí)有單軸配筋和雙軸配筋，而木梁配筋時(shí)必為雙軸配筋.梁作為鋼木結(jié)構(gòu)重要的構(gòu)成部分，應(yīng)采用木材承重與鋼材承重相結(jié)合的方式，兩者是相輔相成的.

圖2 梁設(shè)計(jì)簡圖

鋼筋在一般情況下，采取一排布置，且不宜布置過多，因?yàn)楸究蚣苁戒撃窘Y(jié)構(gòu)建筑多為居民樓式建筑，不會(huì)出現(xiàn)特別大的大跨結(jié)構(gòu).若鋼筋布置過多，則會(huì)在原木中打孔過多，破壞木纖維之間的粘結(jié)作用，從而降低鋼木結(jié)構(gòu)中木結(jié)構(gòu)的承重作用，使木結(jié)構(gòu)易被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整根梁的損壞.

從保守角度講，為了提高梁的耐久性和穩(wěn)定性，應(yīng)盡可能考慮到能夠發(fā)生的任何因素，應(yīng)在梁的表面添加一層1～2mm的鋼板保護(hù)層，使其與梁的輪廓緊密貼附，并且必須在鋼板外側(cè)涂絕緣保護(hù)層.因?yàn)楸窘Y(jié)構(gòu)中的鋼材均是相連的，當(dāng)建筑過高時(shí)，會(huì)在樓頂安置避雷針，將雷電的能量傳給大地.為了防止鋼板的導(dǎo)電作用，應(yīng)當(dāng)涂絕緣材料.從另一個(gè)角度講，鋼板的添加，也可在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，提高房屋的穩(wěn)定性.

2.2 柱的設(shè)計(jì)

柱分為主柱和輔助柱，主柱采用圓柱形，其斷面半徑為R（≧b，b為梁的寬，前已提及），輔助柱采用正方形，且正方形的邊長為b.關(guān)于主柱，考慮到原條的髓心強(qiáng)度較低，且易發(fā)生腐蝕、蟲蛀等破壞，因此宜在柱心穿孔放置鋼筋，作為原髓心處的一種替代品，其余鋼筋應(yīng)在以中心鋼筋為圓心的圓上均勻放置.柱的兩端也應(yīng)預(yù)留鋼筋，并做出螺紋.

圖3 主柱截面圖

一般情況下采取圖3形式放置即可，中間一根鋼筋直徑記為r0，向外第一圈鋼筋直徑為r1，以此類推.

框架結(jié)構(gòu)中，與梁相比，柱若發(fā)生破壞，產(chǎn)生的危害更大.如果柱的配筋以及直徑選用達(dá)到要求，那么柱的破壞表現(xiàn)為逐漸破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整體破壞，因此保護(hù)層的設(shè)置更為重要.保護(hù)層應(yīng)大于60mm（40mm+20mm）,即從原條的最大直徑處向里不允許配筋.60mm中40mm是防止發(fā)生火災(zāi)形成的碳化層厚度，剩余的20mm一方面是為了柱子更加穩(wěn)固，另一方面是為了柱與墻連接時(shí)，需要在原條與板接觸處刨平.

當(dāng)主柱承受載荷時(shí)，鋼筋有可能承受拉力，也可能承受壓力.在計(jì)算承壓時(shí)，可把柱尺寸選大一些，可適當(dāng)增加柱的尺寸，從而減少鋼筋的影響.在計(jì)算拉力時(shí)（如風(fēng)載產(chǎn)生的載荷），幾乎全部的拉力由鋼筋承擔(dān)，應(yīng)在考慮風(fēng)載以及地震載荷的基礎(chǔ)上配置鋼筋，防止鋼筋被拉斷，避免建筑物整體傾覆.木結(jié)構(gòu)具有天然的抗震性能，因此只要在柱梁連接處保證強(qiáng)度，以防其在地震中被破壞即可[2].

輔助柱的設(shè)計(jì)與主柱類似，只不過配筋時(shí)只沿正方形四周配筋，并且無需在兩端預(yù)留鋼筋，在這里不再重復(fù).從受力角度講，只是為了幫助承重，防止梁彎矩過大，進(jìn)而產(chǎn)生過大的撓度.輔助柱的邊長之所以與梁的寬度相等，是為了房子的整體美觀.因?yàn)檩o助柱在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)在梁下的任何位置，但進(jìn)行裝修時(shí)，不得任意去除輔助柱.

2.3 梁與柱的連接

梁與主柱連接，初步采用鋼連接，即通過一個(gè)鋼套進(jìn)行梁與柱的連接.

施工步驟如下：

（1）在柱子上加一個(gè)大鋼板帽，鋼帽有預(yù)留孔可讓柱上的鋼筋穿過，然后在中心鋼筋上加一個(gè)方形鋼套（側(cè)壁上有孔，用以連接梁上的預(yù)留鋼筋），并用螺栓帽將其與柱子預(yù)留的鋼筋通過鋼筋螺紋連接緊密（在施工時(shí)柱子兩端同時(shí)連接緊密）.

（2）將木梁放置在鋼板帽上，并且梁下端要壓至柱的r/4以下處，且與柱上的長螺栓孔錯(cuò)開放置.

（3）將梁上的螺栓頭穿過方形鋼套，并用螺栓帽連接.

（4）施工上層柱依然在此連接處對(duì)接好，通過大鋼帽上預(yù)留的螺栓孔，用長螺栓連接.

（5）上、下柱上的大鋼板帽，以及大鋼板帽與梁上的鋼板進(jìn)行焊接.

（6）由于上、下柱、梁連接時(shí)會(huì)在連接處形成圓柱形，且會(huì)產(chǎn)生一定空間的空腔，因此要在上層柱的柱根處預(yù)留孔，通過孔澆筑高性能混凝土.

（7）用鋼片將澆筑混凝土的預(yù)留孔封住，清理施工痕跡，并在圓柱形連接處加防銹和絕緣的具有木質(zhì)顏色的涂料.

（8）進(jìn)行上層柱柱腳處的混凝土澆筑，使混凝土淹沒長螺栓頭.

梁與柱的連接和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)圖如下所示：

圖4 梁柱連接立體圖

圖5 柱頂大鋼帽剖面圖

圖6 方形鋼套示意圖

圖7 柱頂大鋼帽主視圖

圖8 柱腳大鋼帽剖面圖

圖9 柱腳大鋼帽主視圖

通過模擬實(shí)驗(yàn)，鋼板套的形狀參數(shù)主要為最大圓形直徑R0=kR（R為原木柱的半徑），其中k應(yīng)大于等于1.2，從而保證有足夠的空間澆筑混凝土，保證連接處的強(qiáng)度.其次為大鋼板帽的厚度，可取2～3mm.焊接處應(yīng)進(jìn)行緊密性檢驗(yàn)，確保焊縫處無空隙，以防澆筑混凝土?xí)r出現(xiàn)滲漏.柱腳混凝土澆筑時(shí)也可再布置些鋼筋，并使這些鋼筋與長螺栓頭相連，使柱腳槽內(nèi)形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高柱腳強(qiáng)度.

2.4 柱與地基的連接

在基礎(chǔ)施工時(shí)，應(yīng)在混凝土澆筑時(shí)，預(yù)留出豎直向上的一小截鋼筋，并在其上用螺紋機(jī)做出螺紋，通過螺栓帽把柱腳的大鋼板帽與預(yù)留的鋼筋連接.但必須注意的是，第一層柱施工完畢后，應(yīng)在底層另澆筑一層混凝土至淹沒柱腳槽.預(yù)留鋼筋也不應(yīng)高出凹槽，否則應(yīng)當(dāng)截?cái)?

2.5 板與柱、梁的連接

目前關(guān)于木地板的制作技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，本文在此不再贅述，但在施工拼裝時(shí)，順序應(yīng)是：主柱→梁→墻板→輔助柱→上層地板→上層主柱.前面在講梁柱連接施工時(shí)，為了簡便，未能提及板的施工.之所以先施工墻板，再施工輔助柱，是為了方便拼接，因?yàn)榘寰鶠橐欢ㄐ螤畹拈L方形板，在中間接口處便可用輔助柱.再者，與板連接時(shí)，不管是柱還是梁，均采用螺釘連接.螺釘應(yīng)是有間距的打入，在施工外墻板時(shí)，為保證強(qiáng)度，提高安全系數(shù)，可根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，進(jìn)行外墻的施工.

3 結(jié)語

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從某種程度上也減少了室內(nèi)裝修材料的使用，特別是木質(zhì)地板、木質(zhì)墻板的使用.故鋼木結(jié)構(gòu)能起到在木材利用上的相對(duì)平衡，不會(huì)導(dǎo)致木材的大量濫用.該設(shè)計(jì)易于組裝，拆卸也較方便，能提高建材中木和鋼的回收利用率，減少了房屋建材的浪費(fèi).該結(jié)構(gòu)具有耐久性好，抗震性強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，并具有造價(jià)低、施工周期短、平面布置更加靈活等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景.

〔1〕張立偉.土木工程概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.56.

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