姚曉榮 葉蘭洲

摘 要：本文針對木結(jié)構(gòu)橋梁的特點(diǎn)，對木結(jié)構(gòu)橋梁的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了介紹，使大家對木結(jié)構(gòu)橋梁有全新的認(rèn)識。同時(shí)，本文對木結(jié)構(gòu)橋梁在國外的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，希望能為相關(guān)學(xué)者提供參考。

關(guān)鍵詞：木結(jié)構(gòu)橋梁;發(fā)展;應(yīng)用

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.08.075

1 木結(jié)構(gòu)橋梁的特點(diǎn)

橋梁是人與自然溝通的重要媒介，在人類文明進(jìn)化史中起到了舉足輕重的作用，尤其是在自然環(huán)境中人們更愿意在木結(jié)構(gòu)中駐足停歇欣賞。在對橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，人們也更希望可以將其外形、使用功能和視覺效果與自然環(huán)境很好的融為一體。近100多年以來國外，如美國、加拿大、澳大利亞、日本、瑞典、挪威等國家在木結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)和應(yīng)用上開展了深入而系統(tǒng)的研究，在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、木材加工、構(gòu)件連接、木材防腐等方面都取得了諸多成果和進(jìn)步。

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁在原始木結(jié)構(gòu)橋梁基礎(chǔ)上引入現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)加工、連接以及防腐等技術(shù)。因此，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁除了擁有普通木結(jié)構(gòu)橋梁的優(yōu)點(diǎn)外還具有其特有的特點(diǎn)：（1）先進(jìn)的加工技術(shù)，降低木材固有缺陷的影響，提高木構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性且擴(kuò)大其適用范圍;（2）構(gòu)件連接技術(shù)先進(jìn)，如指節(jié)和鋼球節(jié)點(diǎn)連接等使得木構(gòu)件擺脫了尺寸限制;（3）先進(jìn)的防腐技術(shù)，目前真空加壓防腐技術(shù)的進(jìn)步使得木結(jié)構(gòu)的使用壽命大大延長，使用環(huán)境也越來越廣泛，而且改變了人們對傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。

1.1 木構(gòu)件加工技術(shù)

木材是由于是一種天然的建筑材料，其本身的強(qiáng)度和外觀受其生長過程中產(chǎn)生的如木節(jié)、蟲蛀、扭曲以及腐蝕等影響。而且由于受當(dāng)時(shí)木結(jié)構(gòu)加工技術(shù)限制，早期的木結(jié)構(gòu)橋梁大都采用原木或者鋸木，所以早期木結(jié)構(gòu)橋梁耐久性較差，而且其使用性能受木材固有缺陷制約和天然尺寸影響特別明顯。20世紀(jì)70年代開始，先進(jìn)的木結(jié)構(gòu)加工技術(shù)在國外逐漸興起，其中應(yīng)用最為廣泛和成熟的是層狀膠合技術(shù)，它能按木構(gòu)件不同部位的應(yīng)力要求配置不同等級的木材，將木材缺陷剔除或勻至各層，構(gòu)件的長度和截面尺寸可按需制作而不受木材天然尺寸的限制，并能膠合成受力合理的工字形截面、箱型截面，乃至按設(shè)計(jì)要求膠合成各種曲線形構(gòu)件，木構(gòu)件實(shí)現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)，使木結(jié)構(gòu)獲得了更加多樣化、均質(zhì)化的構(gòu)件來源。

此外，為了提高木結(jié)構(gòu)間的整體性，預(yù)應(yīng)力技術(shù)逐漸被應(yīng)用到木結(jié)構(gòu)中，其中應(yīng)用最廣泛的是應(yīng)力疊合橋面板。預(yù)應(yīng)力的引入不但提高了木結(jié)構(gòu)橋梁使用性能，而且加強(qiáng)了木構(gòu)件間聯(lián)系，使之整體受力，提高木結(jié)構(gòu)橋梁整體受力性能。

木材是一種各向異性材料，為了提高木構(gòu)件的雙向力學(xué)性能，交錯(cuò)疊合（cross laminated）技術(shù)已經(jīng)在國外興起。目前該技術(shù)已經(jīng)被澳大利亞和美國成功在木結(jié)構(gòu)橋梁上進(jìn)行使用。

現(xiàn)代的木材加工技術(shù)使得木結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)生了較快的發(fā)展，這種促進(jìn)作用主要表現(xiàn)在如下幾方面：（1）木材受固有缺陷的影響越來越小;（2）受力性能得到提高，如整體性和雙向力學(xué)性能;（3）增大木結(jié)構(gòu)尺寸，克服木結(jié)構(gòu)尺寸受樹木尺寸限制的缺陷。

1.2 連接技術(shù)

受木材天然尺寸的限制或結(jié)構(gòu)受力構(gòu)造的要求，木結(jié)構(gòu)橋梁常需要拼合、接長和節(jié)點(diǎn)連接等連接方法。連接是木結(jié)構(gòu)橋梁的關(guān)鍵部位，設(shè)計(jì)和施工要求應(yīng)嚴(yán)格，傳力應(yīng)明確，韌性和緊密型應(yīng)良好，構(gòu)造、制作和質(zhì)量檢查應(yīng)方便。以前在對木構(gòu)件進(jìn)行連接時(shí)，用到的主要連接方式有齒接、榫接以及螺栓和釘連接。隨著現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展，橋梁跨徑不斷增長，對木構(gòu)件之間的連接也提出了更高的要求，更多新型的適應(yīng)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)連接方式的連接形式被應(yīng)用到木結(jié)構(gòu)橋梁上。指接技術(shù)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了木結(jié)構(gòu)的無縫連接。木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接承載板連接實(shí)現(xiàn)了木結(jié)構(gòu)多構(gòu)件間連接，安全可靠。此外一些新型鋼—木連接件逐漸興起，推動鋼-木組合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展，擴(kuò)展現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁適用跨徑。

1.3 防腐技術(shù)

木材的防腐技術(shù)近些年取得了很大的進(jìn)步，處理工藝越來越先進(jìn)，木材的防腐已經(jīng)不再是限制木材在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的主要因素。木材在經(jīng)過防腐處理以后，木構(gòu)件的質(zhì)量得到提高，木材的使用來源也原來越廣泛，從而使得木結(jié)構(gòu)橋梁的變得更經(jīng)濟(jì)，從防腐木材在木結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用效果上來看是非常不錯(cuò)的。而且隨著防腐木的使用，木結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)的使用壽命得到了延長，使用環(huán)境也產(chǎn)生了很大變化。目前對木材進(jìn)行防腐處理采用的最科學(xué)、最常用的方法是加壓浸注處理法。此外，外國防腐規(guī)范也逐漸完善，美國AWPA協(xié)會制定的防腐標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng)木材進(jìn)行防腐處理時(shí)都對相應(yīng)的處理工藝，不同木材品種、不同的使用條件下的防腐劑該如何進(jìn)行使用，每次使用后該用多少量，最終在木材中保留多少等都有著明確的要求。在其他國家，如加拿大、日本、澳大利亞、歐洲等一些國家也都相應(yīng)的出臺規(guī)范。

2 木結(jié)構(gòu)橋梁在國外的發(fā)展

在國外，木結(jié)構(gòu)橋梁近些年取得了較快的發(fā)展，從結(jié)構(gòu)形式上來看，木結(jié)構(gòu)橋梁的從傳統(tǒng)的鋸木梁橋發(fā)展到應(yīng)用了膠合技術(shù)的木T梁、工字梁以及應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)的預(yù)應(yīng)力板梁橋;從結(jié)構(gòu)形式上來看木結(jié)構(gòu)橋梁從從簡支梁橋發(fā)展到桁架橋、桁架拱橋、斜拉橋和異型橋;橋面板從鋸木板、螺釘疊合木橋面板發(fā)展到應(yīng)力疊合木橋面板、交錯(cuò)疊合木橋面板、鋼—木組合橋面板、FRP木橋面組合結(jié)構(gòu)等多種形式的橋面板。美國的AASHTO，加拿大的CSA以及歐洲規(guī)范對木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料的選用、荷載組合形式、撓度計(jì)算、木構(gòu)件的連接、橋面鋪裝的設(shè)計(jì)以及橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性都進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定，在木結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)中起到了相當(dāng)重要的作用。

上世紀(jì)八十年代，木橋有如下發(fā)展：應(yīng)力疊合技術(shù)與如單板層積材之類的新型木產(chǎn)品的聯(lián)合使用，組合成一些富有創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)體系如T梁組合橋面板和箱形組合橋面板，以及后張應(yīng)力疊合木橋面板的發(fā)展，它使橋面板從由連接不緊密的獨(dú)立板變成一個(gè)剛性連續(xù)結(jié)構(gòu)。隨著這些發(fā)展，木材作為橋梁建筑材料在公路中的應(yīng)用等級逐步提高。目前，由于木結(jié)構(gòu)性能的提高以及應(yīng)力疊合木橋面板使用壽命變長等原因，木材已經(jīng)應(yīng)用到了交通量較大的高等級公路中。

國外關(guān)于木橋的建造，從歷史的角度看，大致也經(jīng)歷了一個(gè)由簡入繁的發(fā)展過程。只是與國內(nèi)不同的是，十八世紀(jì)以后，木桁架橋以及桁架拱在國外建造較多。例如，美國在開國之初，也就是十八世紀(jì)中葉后的一百年間，因?yàn)槊乐薮箨懮趾芏?，木材資源豐富，所以建造了很多木橋。美國早期木橋多半是拱橋，后來是拱加勁的梁和桁架。

3 木結(jié)構(gòu)橋梁在國外的應(yīng)用

隨著防腐技術(shù)、連接技術(shù)和制作加工工藝的發(fā)展以及森林資源的豐富，木結(jié)構(gòu)橋梁得到迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)形式也實(shí)現(xiàn)了多樣化，出現(xiàn)了如拱橋、桁架橋、斜拉橋、懸索橋以及異形結(jié)構(gòu)木橋等復(fù)雜形式，使得木結(jié)構(gòu)橋梁擺脫了傳統(tǒng)思想的禁錮，開啟了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展的新里程。

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁主要結(jié)構(gòu)形式有：梁橋、拱橋、桁架橋、廊橋以及造型各異的異型橋等。所用木梁和橋面板的形式也從原始的鋸木發(fā)展到了現(xiàn)代螺釘疊合木、層板膠合木以及應(yīng)力疊合木等集成材。

（1）木結(jié)構(gòu)梁橋。木結(jié)構(gòu)梁橋是木橋中應(yīng)用最普遍的一種結(jié)構(gòu)形式，其自重輕、結(jié)構(gòu)形式簡單，對運(yùn)輸和吊裝設(shè)備要求低，制作安裝方便，施工迅速。

（2）木結(jié)構(gòu)拱橋。拱橋由于其造型優(yōu)美，因此受到了各國工程師的青睞，事實(shí)上正是由于大量木拱橋的修建，將古代木橋帶入一個(gè)鼎盛的時(shí)期?，F(xiàn)代木拱橋采用與一般拱橋的結(jié)構(gòu)形式，拓展了木拱橋的使用形式，簡化了其施工工藝。出現(xiàn)了三鉸拱等結(jié)構(gòu)形式，如伊格爾里弗大橋和奧爾頓紀(jì)念大橋。

（3）木結(jié)構(gòu)桁架橋。桁架的好處是結(jié)構(gòu)比拱簡單，對橋墩不產(chǎn)生推力，應(yīng)用了三角形不易變形的原理拼搭而成，最終脫離了拱，形成另外一種獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，即桁架結(jié)構(gòu)，并且由木桁架逐步發(fā)展到鋼桁架。木桁架橋常用交叉腹桿式桁架，即豪氏桁架做主梁，其弦桿和斜桿用木制，豎向腹桿可用圓鋼。

（4）木結(jié)構(gòu)廊橋。木廊橋是一種橋上建廊的木結(jié)構(gòu)橋梁形式，由于廊橋上的房屋狀結(jié)構(gòu)即能作為橋梁的支撐結(jié)構(gòu)又可以保護(hù)橋梁免受環(huán)境的影響，而且造型非常美觀，因此非常受歡迎，在我國有2000多年歷史。國內(nèi)外現(xiàn)存的主要是十九世紀(jì)修建的廊橋，如盧塞恩的卡貝爾橋、美國摩根橋、松格羅夫廊橋等。

4 結(jié)語

我國木結(jié)構(gòu)橋梁曾經(jīng)有這輝煌的歷史，近些年發(fā)展較國外有些滯后，但是隨著近幾年相關(guān)學(xué)者研究的深入木結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展開始回暖，希望通過此文介紹能給相關(guān)讀者以借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]劉永健，傅梅珍.現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁及其結(jié)構(gòu)形式[J].2013，（01）：83-91.

[2]李娜.現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁在我國的應(yīng)用可行性及前景研究[D].長安：長安大學(xué)，2014.

[3]劉永健，劉士林.現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4]Geoff FREEDMAN，Abdy KERMANI.Development of Long Span Stress-Laminated Timber Arch Bridges[J].2004.

[5]James A.Kainz，James P.Wacker，Michael A.Ritter.Field Performance of Timber Bridges 21.Humphrey Stress-Laminated T-Beam Bridge Madison[R]，2011，6.