...型木结构建筑中组合木构件研究进展.pdf
单亮 周超 李冰琳 刘雁
摘 要：本文介绍了国内外学者在近几年对组合木构件的研究情况，介绍了加拿大我国与加拿大木结构规范设计组合木构件的构造和设计要求，最后提出了组合木结构设计的发展前景。
关键词：组合木柱；组合木梁；设计；发展前景
1.组合木的构造规定
组合木构件（Built-up timber member）是一种由多片规格材用钉或螺栓固定并排平行排列组合而成的木构件，该组合木构件分为组合梁和组合柱。
《木结构设计手册》[1]中，介绍了应用较广的现场组合梁和组合柱，其中矩形木柱截面尺寸不应小于140×140mm，且不小于所支承构件的宽度。由整根规格材组成的组合柱，其每一层应用长76mm、钉间距为300mm的钉子固定，或者用直径10mm、中心距为450mm的螺栓固定，每层的厚度不小于40mm。
当组合截面梁采用40mm宽的规格材组成时，规格材之间应沿梁高采用等分布置的双排钉连接，钉长不得小于90mm，钉之间的中心距不得大于450mm，钉子到每根规格材端部的距离应为100～150mm。组合梁也可以通过直径不小于12mm、中心距为1.2m的螺栓连接，螺栓到规格材端部的距离不超过600mm。
我国《木结构设计规范》[2]第9.4条“梁、柱和基础的设计”中所给出组合梁的构造设计的相关规定和《木结构设计手册》相同；对于组合梁和柱具体的计算方法没有明确给出，在附录J中做了如下说明：当规格材搁栅数量大于3根，且与楼面板、屋面板或其他构件有可靠连接时，设计搁栅的抗弯承载力时，可将表中的抗弯强度设计值fm乘以1.15的共同作用系数。
加拿大《木结构设计标准》[3]规定组合柱沿构件长度的钉间距不应超过最薄构件厚度的6倍，且垂直构件长度方向的间距不超过钉直径的20倍；所有钉应至少穿入最后一根单独构件厚度的3/4，且钉子应沿组合构件长度从两面交替打入；若组合构件中单独构件的宽度大于其厚度的3倍以上，则构件宽度上至少有2排钉。
2.国内外研究现状
1988年Allotey，I.A[4]等人发现在许多发展中国家，由于关键材料和核心技术的缺乏，桥梁建筑相当耗费金钱和精力。然而许多国家拥有丰富的可用于桥梁的木材资源。于是作者提出了一个适用于桥梁结构的机械组合木梁，该研究理论基于实木梁的结构性能，得到了机械组合木梁的有效惯性矩和有效横截面剪切面积定义方法。
2003年澳大利亚全国林业产业协会提出组合梁的耐久性问题，主要强调钉在其连接处因周围环境会产生一定锈蚀，尤其是当周围存在腐蚀环境时要特别注意钉连接处的保护[5]。
2007年Donald E Breyer在《木结构设计》 （Design ofWood Structures）6]一书中指组合柱是由多根木片材用钉或螺栓连接在一起作为一个整体共同工作的柱。它有别于格构柱（spaced columns），片材间传递剪力的连接件需要特别设计。由于组合柱片材间的连接不能完全有效地传递剪力，其承载力可先按相同截面的原木计算，再由调整系数Kf折减，Kf由连接形式确定（如钉或螺栓连接），同时要考虑两个方向的长细比（le/d）x与（le/d）y；其中，le为柱的有效长度，d为截面宽度。
2009年Kamachi Ken[7]等通过对机械锚固的组合木梁大量的试验研究，建立了考虑层间滑移的多层组合梁的一般理论。并且得出了组合梁的性能介于平行弦桁架的弯曲性能和实木梁弯曲性能之间。
2010年Chancey，Ryan[8]等提出用石膏板做饰面来支撑木立柱墙，在木结构设计中越来越常见。但必须认识到石膏板在大荷载、非重复柱构件等条件下的局限性。这些局限性在设计组合木柱时应特别注意作者建议：两个或两个以上的墙骨柱的承载力应比设计成组合柱的单墙骨柱大；石膏板或其他墙壁嵌板只考虑对一根墙骨柱有支撑作用，且不应提高墙骨柱的承载力；组合柱应根据规范要求，单独设计。
2011年陈迪、熊海贝[9]等通过4组共22根组合木柱构件的轴心受压试验，对此类轴心构件轴心受压性能进行研究。根据各组试验数据的对比，提出组合木柱连接钉对轴心受压性能的提高没有显著影响；减小组合柱长细比，增设金属套箍能有效提高其承载力；长细比的提高及片材数的增加能增强组合木柱的协同工作能力。
3.组合木构件的设计
3.1组合木梁的计算公式
组合木梁的设计计算参见加拿大《木结构手册》[10]的规定，计算公式为：
（N·mm） （1）
（N） （2）
（N·mm2） （3）
（N） （当搁栅支座槽口开在受拉边） （4）
式中：Mr—抗弯承载力（N·mm0；Vr—抗剪承载力（N）；Fr—槽口抗剪承载力（N）；ESI—抗弯刚度（N·mm2）；Φ—0.9；Fb—fb（KDKHKSbKT） （MPa）；fb —规定抗弯强度（MPa）；S —截面模量（mm3）；Fv—fv（KDKHKSbKT）（MPa）；fv —规定抗剪强度（MPa）；A—毛截面面积（mm2）；E—规定弹性模量（MPa）；I —惯性矩（mm2）；当搁栅支座缺口开在受拉边：Ff—ff（KDKHKSbKT）（MPa）；ff —规定缺口抗剪强度。对锯材全部取0.5MPa；KD—加载时间影响系数。当结构承受长期荷载时取0.65，承受风雪、地震等短期荷载时取1.15；KH—系统影响因素；KS—使用环境影响因素。干燥环境取1.0；KSE取0.94；KSb取0.84；KT—搁栅处理影响因素。对未经防火、防腐等处理的或是经过不减强度的药剂处理过的搁栅取1.0；KZ—尺寸影响系数；KN—缺口位置影响系数；KL—横向稳定系数。
3.2轴心受压组合柱的计算公式
（N） （5）
（6）
（7）
对组合柱弱轴：
（N） （8）
（9）
（10）
式中：Pr —轴心受压承载力（N）；ΦFc—考虑Φ的规定抗压强度（MPa）；
A —毛截面面积（mm2）；KZc —尺寸影响系数；KC —长细比；Fc/E—强度和刚度比；Ke —计算长度系数；Ld，Lb—沿长度或宽度方向的构件自由长度（mm）；d —构件长度（mm）；
b —构件宽度（mm）；
Cc — 和 之间的较大值并且不得大于50；
4.组合木构件的发展方向
目前国内对组合木构件的研究还很少，规范也没有给出组合木构件的计算方法。我国木结构住宅主体框架材料几乎都是从加拿大、美国进口，木结构的设计和建造技术也是来源于国外，而且大部分已建成的木结构住宅未得到真正意义上的验收。随着我国木结构住宅的国产化，这些以国外特别是加拿大木结构规范为基础的木结构规范也会慢慢变得不适用。因此需要我们对：
（1）组合木构件的力学性能及破坏形式研究，建立力学理论模型，即“屈服理论”。在该理论的基础上，结合国外规范确定一个合理的设计方法，为国内工程设计人员设计结构提供参考，保证设计结果的正确性和合理性，解决国内轻型木结构组合构件设计方法及施工中存在的问题。
（2）组合木构件的连接节点研究。组合木构件的连接节点有别于普通木构件和胶合木构件，其构造要求及力学性能有一定的特殊性。因此有必要对其进行深入研究。
（3）组合木构件的抗震性能研究，与钢结构和混凝土结构相比，轻型木框架建筑具有轻质高强、较好的延性优点。组合木构件钉节点、螺栓等在经受地震荷载作用时，使其具有较好的延性，在经受地震荷载作用时耗能性能如何。
（4）组合木构件的耐久性研究，影响木结构使用耐久性的因素除火灾、风化、机械或化学等物理和化学方面的作用，主要还有由微生物、昆虫（包括白蚁）等引起的生物性破坏。由于耐久性研究是一项长期的工作，目前国内外对这方面的研究较少，只是提出了一些需要注意的问题和保护措施。
（5）组合木构件的防火性能研究，由于组合木构件是由规格材组合而成的，规格材间有一定的空隙，抗火性能弱于原木和胶合木，因此对组合木构件进行防火性能研究，采用安全合理的防火措施有一定的必要性。
（6）结构复合木材（Structural Composite Lumber， SCL），如旋切板胶合木（Laminated Veneer Lumber， LVL）、平行木片胶合木（Parallel Strand Lumber， PSL）、及层叠木片胶合木（Laminated Strand Lumber， LSL）组合木构件的力学性能及耐久性的研究。
参考文献
[1] 龙卫国.木结构设计手册.编辑委员会.木结构设计手册[M].3.北京：中国建筑工业出版社，2005：241-243.
[2] 中华人民共和国建设部主编.木结构设计规范[M].中国建筑工业出版社，2005：61-62.
[3] 加拿大木结构设计标准CSA O86-01（2001）[M]，2005：40-41.
[4] Allotey， I.A. STUDY INTO THE BEHAVIOUR OF MECHANICALLY BUILT-UP TIMBER GIRDERS FOR BRIDGE CONSTRUCTION[J]. Mater Struct， 1988， 21（124）：256-267.
[5] Timber Design for Durability[S].National Association of Forest Industries， 2003： 30-31.
[6] Breyer D E， Fridley K J， Design of wood structures-ASD /LRFD[M]， 2007， 7： 39.
[7] Ken K， Masahiro I， Masafumi I. Design method for the built-up-beams-Solution method based on the parallel chord truss model for the multi-layered built-up-beams Part 1[J]. Journal of Structural and Construction Engineering， 2009， 74（638）：691-700.
[8] Ryan C. Built-up column stability in wood construction[C]. Forensic Eng Proc Congress， American Society of Civil Engineers， 2010：143-152.
[9] 陈迪、熊海贝、刘正虎.现代轻型木结构建筑中组合木柱轴心受压性能研究[J].结构工程师，2011（S1）：206-207.
[10] Canadian Wood Council. Wood Design Manual[M]. Ottawa，2005：33-38 73-74 141-147.
