黃春曉，潘福婷，王穎

（1.建筑結(jié)構(gòu)安徽省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（安徽新華學(xué)院），安徽 合肥 230088；2.安徽新華學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

從國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略考慮，選用綠色環(huán)保的建筑材料和結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)成為了行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。2017年發(fā)布的《關(guān)于加快發(fā)展裝配式建筑的實(shí)施意見(jiàn)》中提出要加快裝配式建筑的產(chǎn)業(yè)化，積極推廣鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)，特別是在地震多發(fā)地區(qū)積極發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)建筑。薄壁型鋼-木組合截面柱是一種新型的組合構(gòu)件，由薄壁型鋼、木板（方木）以及結(jié)構(gòu)膠粘層（自攻螺釘連接件）三部分組合而成，常見(jiàn)的截面形式見(jiàn)圖1。組合柱可以充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)兩者的缺陷，在工程領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

圖1 組合柱常見(jiàn)截面形式

2 鋼木組合結(jié)構(gòu)的形式、特點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 組合結(jié)構(gòu)形式

鋼木組合結(jié)構(gòu)的形式有分離式和一體式兩種。分離式組合結(jié)構(gòu)中鋼材和木材相分離，各自組成基本構(gòu)件再連接形成結(jié)構(gòu)，在鋼木桁架、景觀建筑、鋼框架木結(jié)構(gòu)住宅和鋼木組合樓梯中應(yīng)用廣泛。一體式組合結(jié)構(gòu)則是將木與鋼合為一體組成基本構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)體系的承載力，常見(jiàn)的有鋼芯材-膠合木面層的組合結(jié)構(gòu)形式。

2.2 組合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

木結(jié)構(gòu)作為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，木材作為一種可再生資源，通過(guò)科學(xué)種植與采伐，能夠做到可持續(xù)使用。其次，與鋼結(jié)構(gòu)和混凝土相比，木結(jié)構(gòu)可以減少耗能，對(duì)環(huán)境的污染指數(shù)較小，符合國(guó)家關(guān)于節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。第三，木材作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)材料，特別是順紋理抗壓抗拉強(qiáng)度甚至超過(guò)某些金屬。同時(shí)，木結(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)，例如木材受力各向異性特點(diǎn)明顯、干縮濕漲、易燃易朽、不耐蟲(chóng)蛀、連接形式受局限等。

鋼結(jié)構(gòu)擁有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能好、可工廠化預(yù)制生產(chǎn)、施工周期短，可回收再利用等優(yōu)勢(shì)，在大跨建筑、高層高聳建筑以及橋梁工程中應(yīng)用廣泛。然而，失穩(wěn)問(wèn)題包括整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)，使得鋼構(gòu)件容易發(fā)生較大形變而喪失承載力，鋼材不耐火、不耐腐蝕，同時(shí)制約著鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

鋼木組合結(jié)構(gòu)同時(shí)發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成裝配程度高、綠色環(huán)保的新型建筑形式。以鋼木組合柱為例，鋼材作為主要受壓構(gòu)件，木材能提供一定的側(cè)向支撐，有效防止鋼構(gòu)件的局部屈曲，提高構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定承載力；另外，面層木材對(duì)核芯鋼材的包裹作用不但能有效防止鋼材的銹蝕，還能作為后期木包鋼的前期裝修。

2.3 國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用

美國(guó)林肯公園動(dòng)物園南池（圖2）作為當(dāng)?shù)赜忻穆糜尉包c(diǎn)之一，選用的木結(jié)構(gòu)屋面殼體為花瓣造型，使得該場(chǎng)地?fù)碛辛藨敉饨虒W(xué)的功能，展示了自然與城市環(huán)境的共存。所有構(gòu)件均為弧形，極富韻律感，下端采用鋼結(jié)構(gòu)銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)與基礎(chǔ)相連，形成完美的過(guò)渡。

圖2 美國(guó)林肯公園動(dòng)物園南池

被譽(yù)為“上海最美游泳館”的崇明體育訓(xùn)練中心游泳館（圖3）端部?jī)煽绮贾脼殇摻Y(jié)構(gòu)，上部的木結(jié)構(gòu)拱殼屋蓋選用交叉菱形網(wǎng)格殼體方案，屋蓋與下弦拉索結(jié)合橫向布置，形成鋼木混合張弦殼體結(jié)構(gòu)體系。木結(jié)構(gòu)在游泳館項(xiàng)目中的應(yīng)用可以有效利用其保溫和耐腐蝕的優(yōu)勢(shì)，減少冷熱橋，防止結(jié)露，更耐游泳池含氯水汽腐蝕；鋼構(gòu)件和結(jié)構(gòu)木構(gòu)件在工廠預(yù)制鉆孔開(kāi)槽后到現(xiàn)場(chǎng)拼裝，大大縮短了施工周期。

圖3 崇明體育訓(xùn)練中心游泳館

3 薄壁型鋼-木組合柱研究現(xiàn)狀

3.1 薄壁型鋼柱受力性能研究

薄壁型鋼屬于輕質(zhì)高強(qiáng)材料的一種，廣泛用于別墅、低層住宅和輕鋼廠房中。寬厚比較大的薄壁型鋼構(gòu)件被稱(chēng)為薄柔構(gòu)件，容易發(fā)生局部屈曲，降低結(jié)構(gòu)的延性和承載力。目前我國(guó)規(guī)范中主要通過(guò)限制板件寬厚比和受壓構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比來(lái)控制局部屈曲和整體失穩(wěn)，當(dāng)薄壁型鋼柱腹板高厚比不滿足條件時(shí)，往往利用有效寬度法加以處理，雖然簡(jiǎn)化了計(jì)算，但是并不經(jīng)濟(jì)，學(xué)者們針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究。

2004年，趙靜以翼緣寬厚比、腹板高厚比和柱軸壓比為參數(shù)，對(duì)薄柔H型鋼柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析，發(fā)現(xiàn)柱的破壞均由局部屈曲引起。

2006年，陳以一分別用試驗(yàn)和有限元模擬的方式，進(jìn)行了10個(gè)薄柔高頻焊接H鋼柱試件的單調(diào)和反復(fù)加載試驗(yàn)研究和系統(tǒng)的數(shù)值分析。結(jié)果表明，在一般低多層框架結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)細(xì)比范圍內(nèi)，翼緣和腹板的寬（高）厚比以及柱的軸壓比嚴(yán)重影響柱的受力性能，并提出了罕遇地震作用下如何控制鋼柱的承載力下降的設(shè)計(jì)原則。

2011年，姚行友歸納總結(jié)了各國(guó)規(guī)范方法，并采用有限元數(shù)值模擬的方法，針對(duì)薄腹工字型截面軸壓柱，采用不同腹板寬厚比和柱軸壓比作為參數(shù)，進(jìn)行有效面積的計(jì)算和分析。根據(jù)模擬結(jié)果，建議采用《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018-2002）相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

2016年，張愛(ài)林綜述了國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于薄柔截面構(gòu)件的穩(wěn)定承載力計(jì)算相關(guān)內(nèi)容，比較了有效寬度法、直接強(qiáng)度法和有效截面法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)相關(guān)構(gòu)件的屈曲問(wèn)題提出了深入研究的建議。

3.2 木結(jié)構(gòu)柱受力性能研究

由于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)在受力上的缺陷，例如孔洞對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度的較大影響，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)木結(jié)構(gòu)柱的研究主要集中在普通木構(gòu)件中增配鋼筋或鋼絲或配置纖維增強(qiáng)材料上，研究結(jié)果表明，增強(qiáng)后的木構(gòu)件剛度和承載力有所增加，但仍存在短期變形較大等問(wèn)題。

2016年，顧迅杰系統(tǒng)地闡述了徽州傳統(tǒng)建筑中木柱的破壞形式及修繕加固辦法，并建立有限元模型進(jìn)行分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明巴掌榫在垂直榫面的方向變形最大。

2018年，高潮建立了木柱分析模型，研究了水平地震作用下木柱在四種可能的運(yùn)動(dòng)方式下的響應(yīng)特征，以及木柱對(duì)地震能量的轉(zhuǎn)化和耗散。

2019年，陳松軍結(jié)合工程實(shí)例，從建筑施工技術(shù)的角度對(duì)碳纖維加固技術(shù)在木結(jié)構(gòu)柱中的作用進(jìn)行了具體分析。

3.3 薄壁型鋼-木組合柱受力性能研究

薄壁型鋼-木組合柱將鋼材與木材的材料性能進(jìn)行整體考慮，以最有效的方式發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)。

2016年，潘福婷運(yùn)用ANSYS軟件建立軸壓荷載下鋼柱和鋼木組合柱的有限元模型，考慮了幾何非線性和材料非線性。對(duì)比結(jié)果表明，組合柱核芯鋼板的強(qiáng)度在破壞前得到了充分利用，承載力顯著提高，并提出了鋼木組合柱的設(shè)計(jì)方法。

2017年，孟穎通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的辦法，研究一種適用于裝配式結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力鋼木組合柱結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)性能，明確了其抗震耗能機(jī)理，印證了鋼木組合柱的抗側(cè)力性能以及耗能能力。

2018年，趙東拂對(duì)三組鋼木組合柱進(jìn)行擬靜力足尺試驗(yàn)，研究鋼筋彎折形式對(duì)組合柱抗震性能指標(biāo)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明鋼木組合柱有良好的耗能能力。建立ABAQUS有限元模型，進(jìn)行低周反復(fù)荷載作用下的數(shù)值模擬，結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

2020年，李家安以偏心距、螺栓直徑和間距為參數(shù)，進(jìn)行了偏壓荷載作用下六組螺栓連接的鋼木組合異形柱的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，組合柱符合平面假定，兩種材料協(xié)同作用良好，破壞呈現(xiàn)延性特征。另外，提出了鋼木組合異形柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以及節(jié)點(diǎn)連接方式。

2020年，劉朋進(jìn)行了12個(gè)鋼木組合柱的軸心受壓試驗(yàn)，研究了鋼材厚度、柱長(zhǎng)細(xì)比、螺栓間距對(duì)軸壓承載力的影響。研究表明，組合柱中鋼骨主要承受軸壓荷載，外圍方木提供一定的屈曲約束。

目前針對(duì)鋼木組合柱的研究，主要是從靜力分析層面，證明了組合柱的受力性能比純薄壁型鋼和純木結(jié)構(gòu)具有更大優(yōu)勢(shì)。型鋼承受外荷載，木材作為面層材料能夠提供足夠的側(cè)向剛度，抑制鋼材的局部屈曲。但是針對(duì)鋼木組合柱的抗震性能的試驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬分析較少，也缺乏考慮連接方式、組合形式以及不同受力階段的柱承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。

4 發(fā)展前景及待解決問(wèn)題

4.1 發(fā)展前景

當(dāng)今世界科技高速發(fā)展，相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，新型組合結(jié)構(gòu)具有更明顯的受力和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在建筑領(lǐng)域倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保、綠色可持續(xù)發(fā)展的大形勢(shì)下?lián)碛懈蟮陌l(fā)展?jié)摿Αｄ撃窘M合結(jié)構(gòu)保留了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)自然溫馨的物質(zhì)屬性，加入了現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代建筑、橋梁、構(gòu)筑物方面會(huì)有很好的發(fā)展前景。

4.2 待解決問(wèn)題

4.2.1 鋼木組合結(jié)構(gòu)形式的推廣

鋼木組合結(jié)構(gòu)體系在保證受力合理的基礎(chǔ)上，還要注重與美學(xué)和建筑功能的結(jié)合。如何充分利用鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)各自獨(dú)特的力學(xué)特性，同時(shí)滿足建筑的美觀要求，逐漸改變?nèi)藗儗?duì)傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的依賴，鋼木組合結(jié)構(gòu)的推廣問(wèn)題成為新型結(jié)構(gòu)形式研究發(fā)展道路上迫在眉睫的問(wèn)題。

4.2.2 組合構(gòu)件之間連接構(gòu)造

在分離式組合結(jié)構(gòu)中，為了使節(jié)點(diǎn)連接受力明確，易于加工，已經(jīng)逐漸淘汰了傳統(tǒng)的榫卯連接，而采用鋼節(jié)點(diǎn)。無(wú)論是采用螺栓連接或者鉚釘連接均要在木構(gòu)件中打孔，對(duì)木材的強(qiáng)度影響較大。另外對(duì)于一體式組合構(gòu)件，木面層和鋼芯材之間主要采用結(jié)構(gòu)膠粘劑和自攻螺釘?shù)姆绞竭B接，目前大量試驗(yàn)研究表明，這兩種連接方式均不能很好地起到組合作用，需要探索新型連接方式，使其能夠較好地協(xié)同工作，發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)。

4.2.3 溫度作用下材料性能差異

鋼材與木材在溫度作用下的膨脹系數(shù)差異明顯，全干木材的膨脹系數(shù)為3-4.5×10-8/℃，鋼材為 8.31-14.68×10-6/℃。在實(shí)際工程中，尤其在嚴(yán)寒地帶，溫度作用下鋼材和木材之間容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，對(duì)鋼木組合之間的協(xié)調(diào)性有很大影響，所以針對(duì)兩種材料在溫度作用下的協(xié)調(diào)變形研究有重要意義。

5 結(jié)論

鋼木組合結(jié)構(gòu)作為一種節(jié)能綠色的結(jié)構(gòu)形式，有效地利用了兩種材料的性能優(yōu)勢(shì)，在綠色建筑和裝配式建筑領(lǐng)域值得被推廣使用。目前針對(duì)薄壁型鋼-木組合柱在建筑工程中的相關(guān)理論研究還不夠成熟，材料之間的連接組合、溫度應(yīng)力下的性能差異和協(xié)同工作，都是當(dāng)前需要攻克的技術(shù)難題。但伴隨著我國(guó)社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，薄壁型鋼-木組合柱乃至鋼木組合結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用必將迎來(lái)美好的未來(lái)。