钢木组合结构在土木工程中的应用与发展.pdf

2 0 1 4年第 1期 ( 总 1 9 5期 ) 安徽建筑 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 1 2 8 l 钢木组合结构在土木工程中的应用与发展 St e e l a n d W o o d St r u c t u r e i n t h e Ap p l i c a t i o n a n d De v e l o p me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g 李闻影 ， 潘福婷 ， 云浩 ( 安徽新华学院土木与环境l丁程学院 安徽合肥2 3 0 0 8 8 ) 摘 要 ： 目 前， 随着钢材产量的不断提高， 钢材在建筑结构中的使用越 来越 多 而禾材作为一种天然 可再 生的建筑材料越 来越 受到设 计者们 的青睐 文章分析了钢木组合结构的形式、 特点及其在结构中的应用 与发展前号 ， 关键词 ： 钢木组合结构； 工程应用； 发展前景 中图分类号 ： T U 3 9 8 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 1 2 8 0 2 1 概述 在众多建材中， 木材是惟一可冉生且能够多次循环利用的 天然材料。木材除了给人舒适、 温暖、 具有亲和力的感受之外， 同时还给人带来健康的生活环境。同时， 木材作为一种建筑材 料 ， 具有轻质高强、 抗震性能好 、 易加工等特点， 相比较钢材， 其 存高温下的强度损失较小， 凶而木结构建筑在世界上许多国家 应用已很普遍。尤其伴随着现代科技和计算机产业的不断进 步， 木结构从取材、 加T 、 设计、 安装均已融入了科技成分， 现代 术结构建筑已成为传统营造概念和现代科技的完美结合物I I 。 虽然木材的优点很多， 但也有易变形、 质地不均匀、 明显的各向 异性等天然缺陷。 木材在顺其生长方向上的纤维长度及强度较 径向大得多。这决定了木材特别适合单向承受顺纹方向的拉 、 及弯矩。 钢材是一种轻质高强的材料， 材质较为均匀。钢材的塑性 及韧性非常好， 可焊性也非常好。 除此之外， 还可以采用螺栓连 接 、 铆接等多种方式 ， 使不同构件之间及与其他材料之间的连 接更为方便， 这是其他材料所不能比拟的。 钢结构是一种高效、 快速、 经济 、 可持续发展的环保型建筑结构， 不仅可以大大节约 施_T时间且施1 二 不受季节影响， 同时还增大了住宅空间使用面 积， 节能效果好 ， 抗震性能好， 可避免钢筋混凝土湿式施工所造 成的环境污染和噪声污染， 便于拆卸回收和循环利用。 通过不同材料构成的结构构件或结构形式组合 ， 最大限度 地发挥材料各 自的属性， 弥补各 自的力学缺陷， 从而达到结构 能效的优化， 基于这种结构体系的建筑即为组合结构I 1 。 木结构 中辅以钢材使整个结构具备了较强的拉 、 压、 弯能力， 许多新型 高效的结构同样可以采用木结构， 而钢节点的设计也极大的简 化了构件的连接， 易形成简洁的形象； 钢结构中辅以木材， 不仅 基 金项 目： 2 【 】 1 2年度 国家级创新创业训 练计划创新 训练项 目 ( 编 号 ： 2 0 1 2 1 2 2 1 6 0 0 8 ) ； 2 o 1 2年度 安徽 高校 省级优 秀青年人 才基金 项 目 ( 编 号 ： 2 ( 1 1 2 S QRL 2 2 9 ) 。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 卜 2 8 图 1 站房屋顶结构 图 2 公 园休息长廊 图 3 钢 木组合桥面 可以提高钢结构的稳定性、 耐火性， 还I I 以使整个建筑富 意， 不再给人冰冷的感觉。 钢木组合结构是指运H 钢材和木材相互组合的方式 的构筑物结构体系。 这种组合结构体系卜 匕 传统的小结构休 加坚固耐用， 又比现代的纯钢结构更丰富多彩 被广泛地 于多种建筑结构当中。钢材和木材这两种材料进行组合， 计师带来了与以往不同的设计感受： 钢材作为檄富现代气 材料与木材这种自然又充满暖意的材料相互结合， 他得运 碧 一 安徽建筑 2 0 1 4年第 1期( 总 1 9 5期 ) 图 4 钢木组合梁 木组合结构进行设计和建造的建筑物很容易被赋予一种独有 的气质， 既具有时代气息又不失亲和力。钢木组合结构最大的 优势在于两种材料的性能互补、 协同作用 ， 既有利于各自材料 性能的高效发挥， 同时也能够使结构抵抗各种拉 、 压 、 弯 、 剪等 应力作用。 基于不同力学承载机制的结构形态被引入现代钢木 组合结构的设计中，其结构类型与建筑的表现形式也 日益丰 富。钢木组合结构形式不仅能创造木质空间的效果， 而且能够 大大增强结构整体的强度 ，可以J 泛应用在各种公共建筑中， 尤其是体育馆 、 展览馆等大跨度建筑。 与传统的钢结构 、 混凝土 结构相比， 大有崛起追赶之势 ， 而木质空间的效果及材料的生 态可持续性则是其突出的优势。 2 钢木组合结构的形式、 特点及应用 2 1分离式组合结构 2 1 1 钢木桁架 木材与钢材相分离， 分别组成结构的基本构件。由于木材 的强度相对其他建材较低， 这样往往导致木结构建筑的跨度和 高度都不大， 限制了木结构在大跨建筑中的使用。如果将钢材 运用到木结构中去， 形成钢木桁架 ， 木结构建筑有了局部的钢 结构辅助， 就能有效地放开建筑本身的结构形式。在这种类型 的建筑结构中， 往往是木构件或木结构起主导作用 ， 常常决定 着建筑的整体结构和空间造型； 钢构件或局部钢结构仅仅作为 辅助结构穿插于木结构建筑体系中， 这样容易形成更加高效合 理的结构新形式， 如展览馆 、 多功能厅、 体育馆和站房的屋盖结 构等( 如图 1 ) 。 这种钢木组合结构形式的建筑是对现代木结构建筑的有 益扩展。它不失木结构建筑温暖 自然具有人情味的空间特质， 同时合理有效的钢木构成充分发挥了材料各 自的力学特性， 建 筑的表现形式也具有强烈的时代特征。不论在设计的可能性、 结构的功能性及材料的多样性上 ， 都能符合现代建筑的艺术及 技术要求。 2 1 2景观建筑 景观构筑物往往会成为人们生活中的一个视觉焦点， 一个 兼具实用性和观赏性的构筑物。在当代的风景园林设计中， 我 们总能发现大量运用钢木组合结构设计建造的景观构筑物 ， 如 景观码头、 餐厅茶室 、 观景塔楼、 休息平台、 栈道、 桥梁等嗍 ( 如图 2 ) 。 现代钢木组合结构形式的创新表现在灵活运用现代结构 理论成果， 以及基于不同的承载体系的组合， 综合各种结构优 势的混合和空间结构等等。 此外， 由于采用了新型的节点， 许多 传统的结构整体性能得到显著提高 ， 在当代建筑创作中也不断 推陈出新。 这些结构形式不仅可以解决众多传统木结构面临的 跨度问题 ， 而且还带来了现代木结构丰富的表现形式。 2 1 3钢框架木屋盖住宅 钢框架木楼盖住宅嘲 是一种新型的住宅结构体系。在传统 的钢结构住宅中引入木楼盖， 具有承载力高、 自重轻、 工业化程 度高、 施工速度快、 绿色环保等特点， 避免了混凝土楼盖湿作业 和自重大的缺点，使得钢结构住宅结构更趋向于绿色环保、 循 环利用的可持续发展。 2 1 4钢木组合楼梯 这种组合楼梯的特点是轻盈， 线条感性， 大都耐用 ， 不需任 何维护， 所以钢木组合楼梯比较受业主的喜爱， 也是市面上最 畅销的产品。其综合了钢木两种楼梯的优点 ， 多用钢制透空主 梁( 单梁及双梁) 实木踏板 ， 栏杆采用不锈钢与玻璃组合 ， 扶手 则采用与踏板配套的木制扶手。 它既有木楼梯的温馨感也有钢 梯的轻盈大方， 且最为坚固免于楼梯的维护。 2 2一体式组 合结构 2 2 1 钢木组合桥面系 钢木组合桥面系是利用剪力连接件把纵向叠合桥面板与 钢梁组合起来( 如图3 ) 。桥面木板在上， 主要抵抗荷载作用下 引起的压应力； 钢梁在下， 主要抵抗荷载作用下引起的拉应力。 长安大学高诣民 对这种桥面系结构的力学性能进行了分析， 分析表明这种桥面结构可以大大降低桥梁的自重， 提高桥梁的 跨越能力 ， 桥梁结构的经济1生也将随之增强。钢木组合桥面系 在以下桥梁结构领域具有广阔的应用前景： 中小跨径， 尤其是 在云南等森林资源丰富的地区将具有更大的经济效益； 抗灾抢 险、 战备桥梁等快速安装的装配式桥梁以及便携式桥梁； 城市 人行天桥 ， 木桥造型美观、 与环境相协调 ， 风景区景观桥梁建设 中将具有独特的优势； 旧桥维修加固， 具有良好的技术优势。 如 果使用预制木桥面板替换混凝土桥面板， 由于 自重上的减少可 以大大提高活载的比例 ，同时也可以减少施工安装的复杂性， 大大缩短施工周期， 从而降低维修成本， 而且桥面板的使用寿 面能达到 5 O年。 2 2 2 几字形钢木组合梁 木与钢合为一体组成结构的基本构件。这种组合梁( 如图 4 ) 是由较薄的热镀锌钢板轧制成的“ 几” 字形外壳， 中空填充木 方( 防止钢制外壳被压屈) ， 再用螺栓连接而成的。这种组合梁 一 般作为混凝土结构模板的主、 次龙骨， 其优点是性能稳定 、 可 工厂 自动化加工 、 质量可靠 、 周转次数多、 重量较轻 、 易于人工 操作。 ( 下转 第 1 4 3页) 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 圜 匡 安徽建筑 2 0 1 4年第 1期( 总 1 9 5期 ) A 为试件承压面积( mm 2 ) 由于试验选用的不是标准尺寸试件 ， 应乘以尺寸转换系数 0 9 5。 2 2试验结果及分析 2 2 1 试验结果 粉煤灰陶粒混凝土的立方体抗压强度试验结果见表 9及 表 1 O 。粉煤灰陶粒混凝土的立方体抗压强度 比对见图 1 和图 2 。 2 2 2立方体抗压强度分析 从表 9及表 1 0可以看出，不同组别的粉煤灰陶粒混凝土 2 8 d立方体抗压强度在 1 8 2 MP a 4 2 7 M P a之间， 按 轻骨料混 凝土技术规程 中根据用途对轻骨料混凝土的划分可知 ， 本次 试验所配制的粉煤灰陶粒混凝土可用做结构轻骨料混凝土。 由图 1 和图2可以看出， 同种粉煤灰陶粒配制的粉煤灰陶 粒混凝土的立方体抗压强度随混凝土水胶比的减小而增大， 当 到达一定程度后 ， 继续降低水胶比， 粉煤灰陶粒混凝土的强度 上升幅度很小， 这说明水胶 比是决定粉煤灰陶粒混凝土立方体 抗压强度的关键因素。 C类粉煤灰陶粒的筒压强度为 1 8 M P a ， D类粉煤灰陶粒的 筒压强度为4 0 MP a ， 上述两种陶粒， 以相同的体积砂率配制的 粉煤灰陶粒混凝土，在相同的水胶比 0 3 6下， 2 8 d立方体抗压 强度分别为 2 0 2 MP a和 3 8 2 MP a ， 这是说明粉煤灰陶粒的筒压 强度是影响粉煤灰陶粒混凝土立方体抗压强度的重要因素。 3总结 本文采用 4种陶粒配制了L C 1 5 一 L C 5 5的轻骨料混凝土， 并 以粉煤灰陶粒混凝土为主要研究对象 ， 结合同强度等级普通混 凝土进行抗压试验 ， 通过试验得出以下结论： 轻骨料混凝土强 度等级主要与混凝土的水胶比和轻骨料的强度有关 ； 在轻骨料 强度一定的条件下， 轻骨料混凝土的强度随水胶比的减小而增 大 ； 在一定水胶 比下， 轻骨料的强度对轻骨料混凝土的强度起 决定性作用； 因此， 配制 L C 4 0以上的轻骨料混凝土， 陶粒筒压 强度要达到 4 0 MP a以上 。 参考文献 1 】I 龚洛书 我国轻骨料和轻骨料混凝土的发展概况 J 】 中国建筑科学 院 ， 1 9 8 0 【 2 】 龚洛书， 柳春圃 轻集料混凝土 M 】 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 6 【 3 】 刘巽伯 发展粉煤灰陶粒以加强混凝土绿色程度 粉煤灰 ， 2 0 0 1 ( 1 ) 【 4 】 李培基 轻集料混凝土 J 】 上海建材， 2 0 0 1 ( 2 ) 5 范锦忠 我国轻骨料及其混凝土和制品生产、 应用综述【 J 硅酸盐通 报 ， 2 0 0 5 ( 2 4 ) 6 丁艳， 杨正宏 ， 陈刚 陶粒混凝土性能研究 J J 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