張月強，丁潔民，張 崢

（1.同濟大學建筑設(shè)計研究院，上海 200092；2.同濟大學土木工程學院，上海 200092）

木材因其溫暖自然的特性給人以積極向上、幸福安寧的感覺，同時木材綠色環(huán)保、耐久性好，因此大型的公共建筑（如游泳館、體育館、展覽館）采用木結(jié)構(gòu)較為合適［1-2］。基于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展［3］以及大跨度鋼-木結(jié)構(gòu)抗震性能研究［4］、鋼-木混合結(jié)構(gòu)體系在大跨度建筑中的應(yīng)用研究［5］、施工技術(shù)研究［6］，使大跨度鋼-木混合結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用成為可能。在大跨度空間結(jié)構(gòu)中常采用鋼-木混合結(jié)構(gòu)，以充分利用鋼材和木材的優(yōu)點。以上海市崇明區(qū)體育訓練中心游泳館（下文簡稱崇明游泳館）的鋼-木混合結(jié)構(gòu)為例，研究大跨度鋼-木混合結(jié)構(gòu)的體系選型和關(guān)鍵設(shè)計問題。本工程的設(shè)計難點在于：如何利用膠合木的力學特性選擇合理的木結(jié)構(gòu)體系和木結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍，以最經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)型式實現(xiàn)建筑效果；木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的設(shè)計及節(jié)點剛度的確定；在結(jié)構(gòu)分析中考慮木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點剛度的影響，并采取構(gòu)造手段防止由節(jié)點破壞而造成的單層筒殼破壞。

1 崇明游泳館簡介

崇明游泳館位于上海市崇明區(qū)陳家鎮(zhèn)，地處長江入海口。屋蓋投影為矩形，軸網(wǎng)正交布置，如圖1所示。根據(jù)建筑造型、建筑功能和受力性能，采用鋼-木混合筒殼結(jié)構(gòu)，筒殼的矢高為6 m，跨度為45m，矢跨比為1/7.5。結(jié)構(gòu)的中間27 m采用膠合木結(jié)構(gòu)，兩邊跨各9 m范圍采用鋼結(jié)構(gòu)。游泳館縱向長64 m，屋蓋筒殼兩端處的標高為7.5 m，鋼木轉(zhuǎn)換節(jié)點的標高為11.5 m，屋蓋最高處的標高為13.5 m。崇明游泳館結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural rendering

圖2 崇明游泳館結(jié)構(gòu)體系Fig.2 Structural system of the Chongming natatorium

2 膠合木材料性能分析

膠合木順紋為工程中主要使用方向，順紋抗壓、抗拉強度均較大，但順紋抗拉強度略小于順紋抗壓強度，順紋抗剪強度最小。由表1可知，膠合木順紋抗壓強度為鋼材的1/20，順紋抗拉強度為鋼材的1/28，順紋抗彎強度為鋼材的1/18，順紋抗剪強度為鋼材的1/85。因此，膠合木結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量利用其抗壓強度，并避免在木構(gòu)件中承受剪力。

表1 鋼與膠合木的強度對比Tab.1 Comparison of strength between steel and glulam

表2為鋼與膠合木的彈性模量對比。膠合木的彈性模量為鋼材的1/31，同時膠合木的彈性模量因環(huán)境或荷載條件不同而變化。膠合木的強度比與鋼材基本相當，因此在工程中可以采用鋼-膠合木組合結(jié)構(gòu)。

表2 鋼與膠合木的彈性模量對比Tab.2 Comparison of elastic modulus between steel and glulam

由表3可見，膠合木的線膨脹系數(shù)為鋼材的2/3。因此，對大跨度膠合木結(jié)構(gòu)或大跨度鋼-膠合木組合結(jié)構(gòu)，溫度的影響不可忽視。

表3 鋼與膠合木的線膨脹系數(shù)對比Tab.3 Comparison of linear expansion coefficient between steel and glulam

通過膠合木與鋼的力學性能對比可知，膠合木與鋼有共同作用的力學基礎(chǔ)和物理基礎(chǔ)，在使用時應(yīng)揚長避短，盡量利用膠合木的抗壓強度，在剪力和彎矩較大時，可采用鋼-膠合木組合構(gòu)件或者鋼夾板連接節(jié)點。

3 體系選型

木結(jié)構(gòu)體系選型是指，在屋面網(wǎng)格布置確定的情況下，選擇木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，以及在節(jié)點無法實現(xiàn)剛接的情況下通過結(jié)構(gòu)體系布置來保證單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。采用SAP2000軟件進行結(jié)構(gòu)分析。對于梁柱構(gòu)件采用梁單元，對于拉索采用兩端彎矩釋放的只拉單元。采用Q355B鋼材、高釩索、強度等級為TCT24的膠合木。對于鋼材采用理想的彈塑性模型，對于拉索與木材采用線彈性模型［7-10］。筒殼結(jié)構(gòu)下部為混凝土框架柱，采用固定支座模擬柱底端；對于外部支撐柱與下部基礎(chǔ)進行銷軸連接，并采用固定鉸支座模擬。屋面采用金屬屋面系統(tǒng)，附加恒載取0.8 kN·m-2，不上人屋面活荷載取0.5 kN·m-2，結(jié)構(gòu)構(gòu)件重力按照材料容重由軟件自行計算。金屬屋面通過連接件安裝在鋼-木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的上方，實際設(shè)計中不考慮金屬屋面對主體結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)，只作為安全儲備。

3.1 網(wǎng)格形式與膠合木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍

對于屋蓋結(jié)構(gòu)采用四邊形交叉菱形網(wǎng)格的筒殼結(jié)構(gòu)（見圖3a），該結(jié)構(gòu)具有較好的縱向和橫向剛度，為空間作用結(jié)構(gòu)體系。交叉菱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)更能適應(yīng)建筑的外表皮紋理和內(nèi)部空間效果，如圖3b所示。

圖3 網(wǎng)格布置與建筑效果Fig.3 Grid layout and architectural effect

如圖4所示，結(jié)構(gòu)中間三跨以受壓為主，彎矩較小，端部兩跨的彎矩較大。中間三跨的最大彎矩為27 kN·m，端部兩跨的彎矩分別為97 kN·m和174 kN·m。由表1可知，膠合木適用于順紋軸心受壓結(jié)構(gòu)，對于彎矩較大的位置木構(gòu)件材料利用不充分，同時在節(jié)點處存在較大的剪力。為充分利用鋼材和膠合木的各自優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)的中間采用木結(jié)構(gòu)，兩端采用鋼結(jié)構(gòu)，如圖5所示

圖4 沿跨度方向的彎矩分布Fig.4 Bending moment distribution along the span

圖5 鋼-木結(jié)構(gòu)布置Fig.5 Arrangement of steel-timber structure

3.2 拉索的布置形式

木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點無法完全實現(xiàn)剛接，為保證木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在中間木結(jié)構(gòu)下部布置拉索。下部拉索施加預(yù)應(yīng)力后，一方面可以提高結(jié)構(gòu)的豎向剛度，減小結(jié)構(gòu)的豎向變形，同時提高結(jié)構(gòu)的極限承載力，另一方面拉索作為上部結(jié)構(gòu)的第二道防線，防止了由于局部木結(jié)構(gòu)節(jié)點破壞而造成的結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌，提高了整個結(jié)構(gòu)的安全性［1］。拉索的布置如圖6所示。

圖6 拉索布置Fig.6 Layout of the cable

拉索采用直徑30 mm抗拉強度1 570 MPa的高釩索。拉索通過撐桿與上部木構(gòu)件連接，撐桿上端采用鉸接，下端采用梭子端頭，并伸出4個耳板與索頭節(jié)點相連（見圖7）。撐桿的上端節(jié)點板與木結(jié)構(gòu)節(jié)點做成一體化，既保證傳力的直接性，又使節(jié)點板隱藏在木構(gòu)件中。整個節(jié)點不但受力合理，而且輕巧美觀。

圖7 拉索與撐桿節(jié)點Fig.7 Joint of the cable and braced rod

通過分析可知，拉索能夠提高木結(jié)構(gòu)區(qū)域的豎向靜力剛度，中間區(qū)域的變形從25 mm減小到16 mm，變形減小36%。布置拉索后，屋面變形趨于均勻，屋蓋豎向靜力剛度增加30%。圖8為有無拉索結(jié)構(gòu)變形對比。

圖8 有無拉索結(jié)構(gòu)變形對比Fig.8 Comparison of structural deformation with and without the cable

4 節(jié)點剛度對結(jié)構(gòu)受力性能的影響

鋼-膠合木節(jié)點無法實現(xiàn)剛接，本節(jié)中主要研究木結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，并通過試驗驗證節(jié)點的實際剛度。

4.1 節(jié)點構(gòu)造及抗彎剛度試驗

木構(gòu)件連接節(jié)點為鍍鋅鋼板+螺栓+銷釘?shù)幕旌线B接節(jié)點，其中鍍鋅鋼板厚30 mm，螺栓和銷釘直徑均為24 mm。木構(gòu)件截面尺寸為600 mm×250 mm，主次梁連接處采用25顆螺栓連接，豎向間距80 mm，水平間距140 mm。為提高節(jié)點的抗拉能力和抗彎能力，對于連接的上下兩排采用8顆8.8級M24帶套筒的高強度螺栓，鋼套筒的主要作用是防止由高強度螺栓施加的預(yù)緊力而造成的木構(gòu)件螺栓孔附近的劈裂裂紋；其余連接采用5.6級M 24的普通螺栓（見圖9a和圖9b）。次梁與鍍鋅鋼板連接采用5排5列M24的銷釘連接（見圖9c）［11-14］。

圖9 木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點構(gòu)造Fig.9 Joint form of timber structure

對于鋼-木構(gòu)件連接節(jié)點（見圖10）采用鑄鋼件節(jié)點，與鋼結(jié)構(gòu)采用焊接，與木結(jié)構(gòu)連接采用5排5列M20的銷釘連接。模型計算中假定木構(gòu)件與鑄鋼件連接為鉸接，鋼構(gòu)件與鑄鋼件連接為剛接。

圖10 鋼-木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點構(gòu)造Fig.10 Joint form of steel-timber structure

為驗證節(jié)點的受力性能和抗彎剛度，進行了節(jié)點試驗。通過液壓千斤頂對構(gòu)件緩慢加載，并利用位移計測量節(jié)點轉(zhuǎn)角。節(jié)點試驗簡圖和實際加載如圖11所示，節(jié)點試驗裝置如圖12所示。

圖11 節(jié)點試驗簡圖Fig.11 Diagram of joint test

圖12 節(jié)點試驗裝置Fig.12 Joint test device

由圖13和圖14可知，節(jié)點具有一定的轉(zhuǎn)動能力，隨著彎矩的增大，節(jié)點的抗彎剛度先增大后減小。節(jié)點的抗彎剛度指節(jié)點發(fā)生單位弧度的轉(zhuǎn)角所要施加的彎矩。彎矩達到42 kN·m時，連接節(jié)點處沿最外側(cè)螺栓產(chǎn)生縱向劈裂裂紋（見圖15）。節(jié)點的最大抗彎剛度為2 128 kN·m，發(fā)生破壞時節(jié)點抗彎剛度為1 520 kN·m。

圖13 節(jié)點轉(zhuǎn)角和位移關(guān)系Fig.13 Relationship between angle and displacement of the joint

圖14 節(jié)點抗彎剛度和彎矩關(guān)系Fig.14 Relationship between bending stiffness and moment of the joint

圖15 木節(jié)點破壞形態(tài)Fig.15 Failure mode of timber joint

4.2 節(jié)點對結(jié)構(gòu)受力性能的影響

大跨度木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點通常采用鋼夾板連接節(jié)點，節(jié)點一般為彈性節(jié)點，無法實現(xiàn)剛接。為了研究節(jié)點剛度對結(jié)構(gòu)受力性能的影響，提出了全節(jié)點體系結(jié)構(gòu)和Zolinger體系結(jié)構(gòu)。

全節(jié)點體系結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件在節(jié)點處斷開（見圖16a），而Zolinger體系結(jié)構(gòu)在節(jié)點處由一根木構(gòu)件貫通，其余2個構(gòu)件與木結(jié)構(gòu)連接。圖16中黑色部分為木結(jié)構(gòu)，加粗黑實線部分為一個Zolinger單元的木構(gòu)件連接形式（見圖16b）。Zolinger體系結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造優(yōu)點是由一個構(gòu)件貫通，節(jié)點的剛度大，結(jié)構(gòu)整體剛度較好。

圖16 體系結(jié)構(gòu)Fig.16 System structure

全節(jié)點體系結(jié)構(gòu)的整體剛度對節(jié)點剛度依賴性大，隨著節(jié)點剛度的增加結(jié)構(gòu)整體剛度增加，當節(jié)點的抗彎剛度小于1 750 kN·m時，結(jié)構(gòu)整體剛度出現(xiàn)突變，屋蓋變形劇增。Zolinger體系結(jié)構(gòu)整體剛度對節(jié)點剛度依賴性小，節(jié)點剛度的變化不會帶來整體剛度的變化。當節(jié)點剛度達到3 500 kN·m時，2種體系結(jié)構(gòu)的整體靜力剛度相同（見圖17）。本工程中采用Zolinger體系結(jié)構(gòu)。

圖17 結(jié)構(gòu)變形隨節(jié)點剛度變化Fig.17 Variation of structural deformation with joint stiffness

4.3 考慮節(jié)點剛度的結(jié)構(gòu)極限承載力分析

取節(jié)點試驗中的最低剛度1 507 kN·m。結(jié)構(gòu)分析中采用連接單元模擬節(jié)點剛度。由于木結(jié)構(gòu)（殼結(jié)構(gòu)）的極限承載力分析沒有規(guī)范可供參考，因此借鑒《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于空間結(jié)構(gòu)屈曲和極限承載力的分析方法［15］，同時考慮木材材質(zhì)的天然缺陷（木材本身沒有塑性），鋼-木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的非線性極限承載力因子按照《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中彈性極限承載力取值，建議大于4.2。

在全跨荷載和半跨荷載作用下筒殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和極限承載力為結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點和重點。結(jié)構(gòu)的極限承載力分析采用Ansys12.0，對于梁和柱剛性構(gòu)件采用beam188單元，對于拉索采用LINK10單元。支撐柱下部為鉸接，其余柱子下端為剛接。結(jié)構(gòu)極限承載力分析時采用S+D+L的荷載組合，其中S為結(jié)構(gòu)自重，D為附加恒荷載，L為屋面活荷載。

4.3.1 特征屈曲模態(tài)分析

通過特征屈曲模態(tài)分析可判斷結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)方式。圖18表明，屋蓋以反對稱失穩(wěn)為主，符合筒殼結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞的一般特征。結(jié)構(gòu)的第1階屈曲模態(tài)因子為18.63，說明結(jié)構(gòu)有足夠的穩(wěn)定承載力。

圖18 屈曲模態(tài)Fig.18 Buckling modes

4.3.2 彈性與彈塑性極限承載力分析

為了真實模擬結(jié)構(gòu)的極限承載力，分別采用彈性全過程分析和彈塑性全過程分析模擬結(jié)構(gòu)發(fā)生極限承載力破壞的過程。

彈性極限承載力分析時，只考慮幾何非線性，并按一致模態(tài)法對結(jié)構(gòu)施加跨度1/300的初始缺陷。達到極限承載力時荷載因子為8.55，木構(gòu)件發(fā)生破壞，鋼-木結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。達到極限狀態(tài)時，中間的木結(jié)構(gòu)下?lián)?，兩端的鋼結(jié)構(gòu)上拱（見圖19）。結(jié)構(gòu)的荷載因子-位移曲線如圖20所示。

圖19 結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展機制（彈性極限承載力）Fig.19 Development mechanism of structural plasticity（elastic ultimate bearing capacity）

圖20 帶缺陷結(jié)構(gòu)的荷載因子-位移曲線（極限荷載因子8.55）Fig.20 Load factor-displacement curve of the structure with defect(limit load factor is 8.55)

在彈塑性極限承載力分析時，考慮幾何非線性和材料非線性，同時按一致模態(tài)法給結(jié)構(gòu)施加跨度1/300的初始缺陷。結(jié)構(gòu)達到極限承載力時荷載因子為5.81，木網(wǎng)殼發(fā)生破壞，而達到極限狀態(tài)時鋼構(gòu)件只有部分支撐柱發(fā)生屈曲。達到極限狀態(tài)時，中間的木結(jié)構(gòu)下?lián)?，兩端的鋼結(jié)構(gòu)上拱（見圖21）。

圖21 結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展機制（彈塑性極限承載力）Fig.21 Development mechanism of structural plasticity（elastoplasticity ultimate bearing capacity）

由圖22可見，考慮材料非線性后，結(jié)構(gòu)的彈塑性極限承載力（荷載因子5.81）與彈性極限承載力（荷載因子8.55）相比有所下降，彈塑性極限承載力大于結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)定的彈塑性全過程分析時的4.2限值，結(jié)構(gòu)偏于安全。

圖22 彈性與彈塑性極限承載力下荷載因子-位移曲線Fig.22 Load factor-displacement curve at elastic and elastoplasticity ultimate bearing capacity

4.3.3 半跨活荷載對結(jié)構(gòu)彈塑性極限承載力的影響筒殼結(jié)構(gòu)對半跨活荷載比較敏感，因此需要分析半跨活荷載對屋蓋結(jié)構(gòu)彈塑性極限承載力的影響。半跨活荷載作用下的彈塑性極限承載力分析時，考慮幾何非線性和材料非線性，同時按一致模態(tài)法給結(jié)構(gòu)施加跨度1/300的初始缺陷。結(jié)構(gòu)達到極限承載力時荷載因子為5.28，達到極限狀態(tài)時結(jié)構(gòu)呈反對稱屈曲（見圖23）。

圖23 半跨活荷載下結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展機制Fig.23 Development mechanism of structural plasticity under half-span live load

由圖24可知，木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的彈塑性極限承載力在半跨活荷載作用下有所下降，彈塑性極限承載力荷載因子為5.28，大于結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)定的彈塑性全過程分析時的4.2限值，結(jié)構(gòu)偏于安全。

圖24 全跨活荷載與半跨活荷載下彈塑性極限承載力的荷載因子-位移曲線Fig.24 Load factor-displacement curve for elastoplasticity ultimate bearing capacity under full-span and half-span live load

5 結(jié)論

（1）在建筑造型確定的情況下，應(yīng)根據(jù)內(nèi)力分布選擇木結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍，避免木構(gòu)件應(yīng)用在彎矩和剪力較大部分。對于大跨度空間結(jié)構(gòu)，采用鋼-木混合結(jié)構(gòu)體系是一種經(jīng)濟可行的方案。

（2）木結(jié)構(gòu)體系和節(jié)點應(yīng)結(jié)合起來設(shè)計，可采用一根構(gòu)件貫通，其余構(gòu)件與之相連的結(jié)構(gòu)體系，最大程度提高節(jié)點剛度。

（3）木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點構(gòu)造無法實現(xiàn)全剛接，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)實際構(gòu)造計算結(jié)構(gòu)的等效剛度，并在結(jié)構(gòu)分析中考慮節(jié)點實際剛度對整體受力性能的影響。

（4）木結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼極限承載力沒有規(guī)范可依據(jù)。對于鋼-木混合空間結(jié)構(gòu)極限承載力計算可以參考《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，但由于木材材質(zhì)的天然缺陷，鋼-木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的雙非線性極限承載力荷載因子建議大于4.2。

作者貢獻說明：

張月強：試驗數(shù)據(jù)處理，論文初稿撰寫并修改。

丁潔民：指導(dǎo)研究，修改論文。

張 崢：指導(dǎo)研究，修改論文。