王佳陽， 陳澤華， 楊小軍， 付 帥， 董浩然

(南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037)

我國傳統(tǒng)木結構建筑歷史悠久、造型獨特、氣勢磅礴，被廣泛應用于宮殿、寺廟和園林建筑等[1]。隨著經濟發(fā)展和科技進步，以工程木為主要材料的現代木結構受到了世人的追捧，出現了輕型木結構、膠合木結構、原木結構等建筑形式[2]。建筑結構決定了建筑類型及建筑造型的表達，結構合理更是建筑安全的基本要求。對于框架結構木建筑而言，其建筑結構主要由梁、柱及連接節(jié)點構成，主要承受建筑的豎向及水平荷載，各構件在連接節(jié)點的作用下相輔相成，保證了整個結構的安全可靠性。隨著現代工程木等新型材料的出現及建筑技術的發(fā)展，木建筑結構實現了從小跨結構向大跨結構、低層建筑向高層建筑、單一框架體系向多元化結構形式的轉變。

木結構梁是建筑結構的重要組成部分，起承受外力荷載及聯(lián)系整個結構的作用。木結構梁在結構中由柱或墻體支承，承受橫向力和剪力為主的外力，抗彎剛度、強度及延性是其主要評價技術指標。近些年來，國內外學者針對建筑木結構梁在破壞機理、構件結構、構件承載性能、防火及耐久性等方面進行了大量研究，取得了較大進展。然而，隨著現代木結構的發(fā)展，對木梁等結構構件在建筑結構中的要求愈發(fā)提高，在木梁結構組合多元化、木梁裝配化等方面提出了更高的要求。筆者以木梁為研究對象，對木梁在建筑中的敗壞模式、受力特點、物理力學性能的國內外研究進展進行闡述，并在現有的研究成果上探討木梁未來可能的發(fā)展趨勢，以促進我國現代木結構的發(fā)展。

1 木建筑構件敗壞特點

木結構建筑使用的主要材料為木材，是一種天然生長的生物質材料，長時間服役時常常承受持續(xù)荷載、地震、風、溫濕度等多種復合作用，建筑結構構件易產生腐朽、開裂、拔榫或斷裂等破壞，給建筑結構帶來安全隱患。木結構梁不同于其他結構構件，在發(fā)生敗壞時易被察覺，便于及早評估與修復，從而確保建筑結構的安全性。

蟲害多發(fā)地區(qū)，木建筑結構易遭白蟻、甲蟲等侵蝕，表現為蟲眼、蟲溝或缺損[3]，如不及時采取防治措施，易導致結構失穩(wěn)或構件斷裂。潮濕環(huán)境對木建筑設計及保護要求較高，如設計不當或經長期服役后屋蓋出現漏雨，建筑結構或構件易出現腐朽敗壞，表現為木質疏松易脫落，嚴重時將導致結構或構件喪失承載能力[4-5]。開裂是建筑結構件常見的敗壞現象[6]，環(huán)境中變化的溫濕度、持續(xù)受載時間、荷載變化等因素均易引起構件內應力變化，當內應力超出木構件橫紋抗拉強度，木構件將出現一條或多條沿木構件順紋方向的開裂，且開裂程度隨服役時間延長逐步加大[7]。開裂一方面易直接削弱木構件承載性能，同時也易給菌蟲害提供入侵的通道，是較嚴重的損傷。

榫卯連接是我國傳統(tǒng)木建筑常用的連接方式，類型多樣，應用于各類結構構件間節(jié)點連接，榫卯連接相對金屬件連接優(yōu)點較多，但不足也較突出，如節(jié)點剛性差、構件因榫卯加工損傷大、設計及加工精度要求高等，如設計或加工不當，易出現結構構件的受力分配不均，導致結構構件脫出的拔榫現象[8]。結構失穩(wěn)是木建筑常見的破壞現象，主要結構構件承載能力不足或隨服役時間承載能力衰減過大是結構失穩(wěn)的主要原因，木結構柱設計時截面尺寸過小、長細比過大導致壓彎破壞失穩(wěn)，木結構梁設計安全系數過低及持續(xù)承載引起的蠕變變形等易導致彎曲撓度過大失穩(wěn)。

2 木結構梁研究現狀

2.1 物理性能

木結構建筑的防火性能一直備受關注，在很大程度上影響了木結構的推廣應用。木結構及其構件的火災耐久性是建筑防火的基本要求。當前木結構防火或阻燃性能的相關研究主要集中在木材阻燃涂料、木梁受火后殘余力學性能及防火處理方法等方面[9-10]。木結構梁是木結構的重要結構構件，在受火后其抗彎性能隨受火時間延長而大幅降低。許清風等[11]對斷面為10 cm×20 cm的膠合木木梁進行了三面受火后力學性能試驗研究，發(fā)現受火后木梁的剩余承載力隨著受火時間增加而降低，在受火20～40 min后剩余承載力降低幅度較大，此時木梁表層出現較厚的碳化保護層，通過有限元軟件模擬分析能夠準確模擬木梁的碳化速度，進而評價木梁的耐火極限。采用阻燃劑或防火涂料可有效延緩或阻止構件在火災中燃燒。張晉等[12]采用B60-2膨脹木結構防火涂料對膠合木梁進行表面處理，通過受火試驗及靜力加載試驗，發(fā)現防火涂料能使木梁碳化速度明顯減小，木梁的防火性能顯著提高。目前木梁防火性能的相關研究較少，關于木梁受火后力學性能的相關理論計算和防火設計方法研究亟待加強。

木建筑在長期的風化及生物侵害等環(huán)境作用下，其結構及其構件極易產生多種損傷或敗壞，導致木構件的物理力學性能衰減，嚴重降低木結構的耐久性及安全性。當前關于木梁等結構構件耐久性能的相關研究主要集中在防腐劑種類、腐朽木材無損檢測技術、腐朽木梁力學性能等方面[13]。木梁防腐通常采用水溶性防腐劑通過高壓浸注方法處理，能有效改善其防腐性能。劉磊等[14]采用鉻砷銅(CCA)、檸檬酸銅(CC)、季銨銅(ACQ)三種不同防腐劑對馬尾松木梁進行抗蟻蛀能力測試，發(fā)現三種防腐劑處理后的木材均有較強的抗蟻蛀能力，CC及ACQ防腐劑在0.6%～2.0%高濃度處理下，抗腐蝕性能很強，外表幾乎無腐蝕現象。木梁等構件的內部損傷，如構件內部腐朽的位置、大小及腐朽木材力學參數等，肉眼難以辨別，常采用無損檢測方法進行。腐朽木梁無損檢測方法主要有微鉆阻力儀檢測、應力波檢測、超聲波檢測等，其中超聲波檢測法在眾多木梁構件無損檢測方法中，應用最為廣泛。谷雨等[15]采用超聲波檢測儀，測定不同腐朽等級木材的力學參數，發(fā)現計算得到的小試件木梁的等效彈性模量與試驗值具有顯著相關性，驗證了超聲波檢測腐朽木材力學參數的可行性。木梁產生腐朽是導致木結構承載性能下降的重要因素，因此對腐朽木梁的力學性能是否能達到結構設計強度展開研究成為重中之重。不同的腐朽狀況對木梁力學性能的影響也不盡相同，應考慮腐朽位置、腐朽深度及腐朽等級對木梁承載力產生影響時的折減系數，為木結構加固修繕提供理論依據[16]。目前木梁耐久性的相關研究中，無損檢測技術已較為成熟，但對于腐朽損傷木梁的力學性能研究還較少，后期有待加強。

2.2 力學性能

2.2.1 普通木結構梁

普通木結構梁的斷面形狀及結構形式多樣，是未經過增強或加固，未施加預應力的木梁。普通木梁是木結構建筑的主要結構材，應用最為廣泛，國內外相關研究較多。木梁的力學性能研究主要圍繞抗彎強度、剛度及破壞形態(tài)表現來展開；其結構類型較多，有工字型木梁、方木梁、實木梁、圓形木梁、工藝復合梁等；力學性能研究主要采用四點受彎方法進行，木梁破壞特征及承載性能預測主要采用ABAQUS、ANSYS等有限元軟件模擬[17-20]。

木材的天然缺陷對木材的強度和剛度性能影響較大，節(jié)子的存在改變了木材紋理的完整性，致使木材的強度降低，尤其是受拉強度降低最為顯著。同木質復合梁相比較實木梁有著巨大的優(yōu)勢，可以有限減少實木梁中天然節(jié)子、缺陷等影響，將優(yōu)質木材更好地組合利用，其抗彎承載力較鋸材或實木梁得到了大幅度提升，可應用于對承載力要求較高的建筑工程[21]。

根據木梁構件受力特點，優(yōu)化設計梁的截面形式，在滿足承載性能要求的同時，可以減少木質材料的消耗。工字型組合梁的腹板主要起支撐兩側翼緣作用，翼緣需采用抗拉性能好的材料，根據這一特性，進行截面尺寸設計，一方面滿足承載需要，另一方面可以大幅度節(jié)省材料。木結構工字梁相較于實木梁具有更高的強度、剛度、尺寸穩(wěn)定性，以及不易發(fā)生翹曲等優(yōu)點[22]。中空結構空心梁依據受力特點在滿足承載性能的同時可以有效減少材料的損耗。尚澎等[23]在對矩形截面空心膠合木梁的抗彎性能研究中發(fā)現空心膠合木梁的極限承載力和延性與高度方向的壁厚及空心率有關?？招哪玖旱谋诤裨叫?，承載性能及延性越?。豢招穆试叫?，承載力越大，延性越小。空心木梁的變形可采用彈性理論計算，在計算彎曲剛度時需引入折減系數0.88。

利用定向刨花板(OSB)面內抗彎性能好的特點，對木結構空心梁進行釘接復合，是一種增大木梁截面面積、提高抗彎承載性能的有效技術舉措。楊小軍等[24]在木桁架兩側采用OSB來增強木桁架，研究發(fā)現采用OSB增強的木桁架能有效提高其抗彎承載力，其初始抗彎剛度及極限荷載均提升200%以上，且增強型木桁架連接方式簡單，木材用料少，這便于現場施工的優(yōu)點非常適用于木結構工程。

裂紋是木梁構件長期服役期間常見的缺陷，嚴重的開裂現象對木梁的承載性能有很大的影響。宋曉濱等[25]通過對裂紋對木梁承載性能的影響、裂紋木梁力學計算與理論模型推導等方面開展了相應的研究，發(fā)現裂紋對木梁承載力的影響體現在削弱木梁構件抗剪截面面積，降低程度與裂紋寬度、深度等方面；且裂紋處于木梁彎剪短截面中部時，木梁承載力下降最多。通過大量試驗研究并結合相應的有限元軟件進行模擬，提出考慮縱向裂紋引起的木梁受彎承載力明顯降低裂紋界限指標計算方法[26]。

普通木梁研究較多，范圍很廣，研究方法簡單直接，能夠直接為工程應用提供設計指導及理論依據，根據建筑中的受力特點，采取多種復合方式，實現了承載性能的提升。然而這些試驗研究大多采用新鮮木材，對服役中存在問題的木梁缺少必要的探索。

2.2.2 增強型木結構梁

普通木梁在受外力荷載時易出現脆性受拉破壞，復合其他高強材料是一種克服普通木梁抗彎剛度不足的有效技術手段。國內外學者在木梁增強研究中，增強材料大多采用纖維增強材料(FRP)及鋼質材料[27-28]等。

在FRP增強方面，常采用玻璃纖維(GFRP)、樹脂纖維(BFRP)、碳纖維(CFRP)等高性能纖維材料加固木梁，其中CFRP增強技術運用較多，采用CFRP增強技術效果明顯優(yōu)于其他纖維材料[29]。采用粘貼CFRP布、板或植入CFRP筋等方式，可以有效改善木梁的承載性能。楊會峰等[30]對采用CFRP板增強楊木膠合木梁進行四點受彎試驗，發(fā)現CFRP增強的木梁較未增強的木梁，受彎承載力與剛度可分別達到常用松木實木構件的1.82倍和1.35倍。采用FRP材料對含缺陷木梁進行增強，是一種提高缺陷木梁承載力及延長服役時間的有效措施。歐陽煜等[31]對采用側面粘貼CFRP布加固的裂紋木梁進行理論分析，發(fā)現CFRP布可明顯減小裂紋深度和數量對承載性能的影響，且在裂紋較深處加固效應愈加明顯。在增強型木梁中，FRP與木材之間的粘結性能是保證其共同工作的關鍵，粘結承載力直接影響到FRP材料增強效果，FRP材料與木材之間有限粘結長度決定了粘結承載力的大小。莊榮忠等[32]研究粘黏劑種類、纖維布種類、粘結寬度、纖維布層數等不同參數對纖維布與木材粘結性能影響的變化規(guī)律，得到了有效粘結長度、粘結強度等重要參數，提出了粘結承載力計算公式，為進一步研究FRP加固木結構的效果和機理奠定了基礎，并證明在木結構工程領域具有一定的應用前景。在理論公式推導方面，通過對FRP板不同放置方式、FRP筋以及鋼筋增強方法的對比，比較不同增強材料和方法對木梁承載性能的增強，通過大量試驗數據的推導，提出了增強型木梁的計算理論，并驗證理論具有科學性[33]。

鋼材材料剛性較好，可采取粘貼、釘接等方式與木材進行復合，這種采用鋼板增強的木梁，可以很好地改善其承載性能。YANG等[34]通過對比未增強、在底部粘貼鋼板、在兩側中部粘貼鋼板三種不同木梁進行抗彎承載試驗的結果表明各增強方式均可顯著提高木梁的承載性能，在側面粘貼鋼板不僅能提高木梁的抗剪能力，還能在一定程度上抑制裂縫的發(fā)展，并提出側面粘貼鋼板木梁計算承載力推導公式。

木梁經FRP或鋼板增強后，其承載性能及抗彎剛度也得到較大提高，與此同時木梁在增強后仍存在較大的變形，因此在應用于一些大跨木梁結構中仍需對木梁變形采取更加深入的研究以改變變形較大的現狀。

2.2.3 預應力木結構梁

預應力是為了改善結構受力表現，在施工期間給結構預先施加的壓應力，結構服役期間預加壓應力可全部或部分抵消荷載導致的拉應力，避免結構破壞。目前愈來愈多大跨度木建筑結構的出現，對木梁等構件的剛度、強度及延性提出了更高的要求。為了進一步提高木梁的承載性能，拓寬木梁的應用范圍，許多學者將預應力技術引入木結構領域。近年來，預應力木梁的相關研究主要從承載性能、破壞形態(tài)、預應力損失、理論模型推導等方面進行研究[35]。

在破壞形態(tài)及承載性能方面，預應力增強木梁較未增強木梁承載性能有大幅度提升。楊會峰等[36]發(fā)現預應力增強膠合木梁比未增強木梁受彎承載力和剛度分別提高了28.8%～81.8%和44.9%。由于張拉工藝及材料因素會導致拉應力筋中張拉力不斷下降，因此準確估計和計算預應力損失也是預應力木梁的一個重要研究方向。在預應力損失方面，通過有限元軟件模擬預應力木梁的長期蠕變行為，研究木梁由于蠕變引起的預應力損失，得出了木材蠕變的預應力損失計算公式，與試驗結果較為吻合[37-38]。在理論模型推導方面，通過對膠合木梁施加預應力，開展了試驗研究和理論分析，并推導出相關的力學計算模型[39]，如圖1所示。

圖1 預應力膠合木梁截面與理論計算模型

施加預應力可以有效提高木梁的抗彎剛度、極限承載力及延性，在大跨度木結構領域具有很好的應用前景。但如何減少預應力的損失，亟待學者去探索研究。

3 發(fā)展趨勢

3.1 木梁裝飾化

在木建筑結構中，木梁及其他主要構件與整個空間并存，不僅起到承重的作用，還有劃分各個空間的功能，對室內設計風格的影響有著重要作用。舒適的居住環(huán)境是人們追求高品質生活的永恒主題，而木結構梁具有一種天然美和親切感，能夠縮小人與人之間的距離，加之合理的顏色搭配會產生一種舒適的感覺，也會給人們帶來不同的情感體驗。室內作為人們日常生活久居的場所之一，在滿足使用功能的同時還要兼具美觀高雅效果，木結構梁的美觀性恰好符合其要求。木結構梁斷面尺寸大，給人以一種震撼的視覺效果，便于營造宏偉壯觀、富麗堂皇的建筑裝飾效果。在一些特殊裝修風格需求中，采用對木梁表面進行雕刻，涂刷鮮艷色彩等手段，點綴出木梁的建筑美及裝飾美，便于營造舒適溫馨的居住環(huán)境。木梁的裝飾化在現代化木結構裝飾中已逐步得到應用且得到大眾的重視，尤其在日本，木梁在作為構件使用的同時兼具裝飾效果。木梁及其他構件需要結合建筑不同風格類型、室內藝術效果呈現角度等來進行木梁的選料、設計及加工制作，從源頭做起，可以起到事半功倍的效果。

3.2 木梁裝配化

近年來，中國、加拿大等國家相繼出臺了裝配式建筑相關規(guī)范及政策，明確提出了建筑裝配化具有構件生產工廠化、施工機械化、設計標準化程度高等優(yōu)勢，引導和規(guī)范了整個裝配式行業(yè)的發(fā)展。木梁及其他構件作為建筑的重要構件，通常尺寸大、笨重不易運輸，力學性能要求高，采取傳統(tǒng)的手段生產安裝運輸需要耗費大量人力物力，通過采用裝配化方式進行設計、生產與施工可以做到結構的高效生產、快速安裝施工等效果，其裝配化程度對建筑結構的整體裝配化有著重要意義。合理運用金屬件、榫卯等連接方式相配合，可以實現木梁模塊化單元的組合，實現木梁的裝配化。對木梁進行模塊化拆解、裝配化設計生產，便于實現木梁規(guī)格的標準化，利于工廠的批量生產，提高構件工廠生產化的效率。木梁作為建筑的重要構件不是獨立存在的，需要統(tǒng)籌考慮整體建筑結構與模塊化分塊同步進行，為達成尺寸標準化等需求，還需要專業(yè)人員對此進行大量工作，實現木梁構件的模塊化設計生產施工。

3.3 結構組合多元化

當前組合梁大多采用同種木質材組合、不同材料組合等方式，圍繞如何提高梁的強度、剛性、延性及節(jié)點連接強度等方面進行了一系列的探索研究。木梁主要的材料為木質材料，優(yōu)點很多，但不足也很明顯，表現為材性較軟、強度剛性較差、長時間服役后易發(fā)生蠕變，通過與其他材料采用不同方式進行復合，利用其他材料的優(yōu)勢，彌補木質材料的不足，相互取長補短，可以提高木梁的強度、剛度及節(jié)點連接強度，避免出現“強構件弱節(jié)點”或“強節(jié)點弱構件”等不足。

為了滿足力學性能的需求，將鋼材與木材采用嵌入式方式復合，利用鋼材剛性大的優(yōu)勢，可以大幅度提升鋼木復合梁的整體剛度、強度及延性，可以滿足更高力學性能的使用。為了滿足建筑中大斷面構件的需要，通?？梢圆捎每招牧簛頋M足，并且能夠較大程度節(jié)省原材料。盡管當前實際工程中已經出現空心箱梁等空心梁應用，但空心梁的研究仍處于探索階段，尚缺乏足夠的理論依據及技術支持。在一些特殊受力薄弱點部位，可以采用局部復合結構來增強其整體力學性能。

3.4 木梁評估與修復

木結構建筑特別是古建筑木結構經過長時間的洗禮，期間遭受各種天災人禍，在自然環(huán)境的長期作用及長時間服役情況下，均存在不同程度的損傷破壞，因此對梁、柱等重要構件進行適時評估與修復是非常有必要的。采用阻力儀、超聲波、應力波等無損檢測技術，及時對缺陷木梁進行評估檢測，然后采取相應的措施對其進行修復加固，同時需要建立相應的評估標準及評估檢驗方法，完善整個評估檢測流程。

對于損傷較為嚴重的缺陷木梁，需要及時對其進行更換，以保證整個建筑的安全性。對在安全允許范圍的損傷木梁，也應及時采取相應措施對其進行修復加固。開裂是木梁等構件最為常見的敗壞形式，宜采取多種手段對其進行及時修復，修復手段不宜采用傳統(tǒng)的添加膩子、剔補加固、構件更換等方式，傳統(tǒng)修復方式只能短暫對木梁等構件進行加固修復保護，不能從根本上解決其力學性能衰減的現狀，宜采用新型修復加固技術如FRP加固，起到拉結作用，避免開裂處裂紋進一步擴展，同時還可以使分離的木纖維壁重新復合，起到重新受力作用。對于腐朽的木梁構件，宜及時對其進行腐朽等級評估檢測，及時剔除腐朽缺陷，然后對其進行表面防腐處理，再使用干燥后的原木梁依照原樣修補整齊并粘接，應做到“修舊如舊”的原則。

4 小結

木梁是建筑結構的重要組成，這些構件一方面承擔建筑荷載的重任，另一方面給建筑更廣泛設計提供多種可能性。梁是重要的結構受力構件，研究人員針對不同使用需求，已提出了不同方式組合梁、新技術加固木梁、預應力加固木梁等不同的木梁形式，基于試驗理論的研究，在一定程度上已經能夠滿足工程實際應用的要求。同時，隨著現代木結構的建房高效、設計新穎等新要求的提出，在木梁裝飾化、木梁裝配化、評估修復等方面仍有巨大的潛力值得挖掘。