鋼木裝配式住宅的探討與應(yīng)用

孫亞楠，張輝，田超，李鵬飛

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100；2.淄博市建筑設(shè)計(jì)研究院，山東 淄博 255000）

關(guān)鍵字：鋼木組合住宅；裝配式；節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造；木剪力墻

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能優(yōu)越、工業(yè)化裝配化程度較高、生產(chǎn)的過(guò)程中對(duì)環(huán)境污染程度小等優(yōu)點(diǎn)，較適用于現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)制與安裝和綠色施工；木結(jié)構(gòu)相比于其他材料有質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，并且綠色環(huán)保，裝配程度較高。將鋼木結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，形成裝配程度較高、綠色環(huán)保的建筑物。在現(xiàn)代的建筑結(jié)構(gòu)中，不斷的追求高度以及跨度的創(chuàng)新與突破，僅憑傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)形式并不能完全滿(mǎn)足建筑物中高度與跨度的需求，而木結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的巧妙結(jié)合形成了全新的鋼木組合裝配式新型結(jié)構(gòu)形式。我們通過(guò)對(duì)鋼木組合裝配式結(jié)構(gòu)分析可知，將鋼材與木材結(jié)合在一起有許多的優(yōu)越性，劉洋、陳志華等人對(duì)輕型鋼木組合剪力墻抗側(cè)性能試驗(yàn)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一個(gè)輕型的鋼框架對(duì)比的試件，進(jìn)行單調(diào)加載實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)輕型鋼木組合剪力墻試件，進(jìn)行低周反復(fù)實(shí)驗(yàn)，考察有無(wú)OSB板及板厚對(duì)輕型鋼木組合剪力墻抗側(cè)性能的影響，研究表明可以提高其抗震性能；經(jīng)過(guò)王希珺等人的研究對(duì)多層鋼木混合結(jié)構(gòu)提出了抗震設(shè)計(jì)方法。由此可見(jiàn)鋼木裝配式組合結(jié)構(gòu)無(wú)論是對(duì)構(gòu)件性能的提升還是抗震性能的提升均有很好的效果，并且響應(yīng)了國(guó)家綠色環(huán)保的大趨勢(shì)。當(dāng)前的國(guó)內(nèi)外建筑物中采用鋼木組合結(jié)構(gòu)的使用性能僅局限于大型旅游、觀光等作用，可以試想是否可以將其大量推廣于住宅中使用，現(xiàn)如今經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)的查證，已經(jīng)可以證實(shí)鋼木組合裝配式結(jié)構(gòu)是可以使用在高層以及多層的住宅中使用的，并且住宅中的剪力墻結(jié)構(gòu)可以采用木結(jié)構(gòu)代替[4]，鋼木組合加之以裝配式，不僅節(jié)約材料又能方便施工。

1 概況

1.1 國(guó)內(nèi)研究

近年來(lái)，何敏娟等人對(duì)鋼木裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究表明鋼木混合式結(jié)構(gòu)樓蓋在水平力作用下具有良好的轉(zhuǎn)動(dòng)性能[3]。

該樓板結(jié)構(gòu)較為特殊，其結(jié)構(gòu)組成采用輕鋼柵欄以及方木形樓板組合而成，使用騎馬釘將鋼筋與木材進(jìn)行可靠連接，將其錯(cuò)位搭接，貫穿鋼柵欄固定于木材上，為保證其穩(wěn)定性，再鋪設(shè)一層雙向鋼筋網(wǎng)，最后為了確保結(jié)構(gòu)的整體性對(duì)其澆筑水泥砂漿。樓蓋鋪設(shè)木材，提高了其側(cè)向的變形性能，并且大大的改善了樓板的受力性能。潘福婷對(duì)鋼木裝配式結(jié)構(gòu)研究其受力性能，最終得出結(jié)論其主要承重構(gòu)件仍是鋼筋，用螺栓的連接方式進(jìn)行搭接。采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方式，木材與鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合可以提高整體結(jié)構(gòu)的剛度性[3]。

圖1 鋼木樓板布置圖

圖2 樓板整體示意圖

圖3日本鬼石多功能廳

圖4日本AIRA綜合運(yùn)動(dòng)公園體育館

1.2 國(guó)外工程實(shí)例

日本鬼石多功能廳，將木材運(yùn)用到屋頂?shù)母拱鍢?gòu)件中，木材的邊緣粘貼鋼材，鋼筋與木材的組合作為結(jié)構(gòu)中的一部分應(yīng)用于各大建筑物中，結(jié)構(gòu)的承載性能有了很大的提高。鋼木裝配式結(jié)構(gòu)體系局部區(qū)域采用了鋼木組合構(gòu)件[4]。

日本的AIRA綜合運(yùn)動(dòng)公園體育館采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案使木材與鋼材各自發(fā)揮優(yōu)越性，部分的木材取代了鋼材發(fā)揮作用，其屋頂采用特殊結(jié)構(gòu)-不完整桁架體系，桁架的上弦桿處采用木材取而代之。

2 鋼木組合體系亟需解決的問(wèn)題

2.1 在溫度作用下材料性能差異顯著

當(dāng)兩種材料的溫度熱膨脹系數(shù)相接近時(shí)，兩種材料才可以在不同溫度下協(xié)同工作，而鋼材與木材兩種材料的膨脹系數(shù)相差深遠(yuǎn)，全干木材的膨脹系數(shù)為3～4.5×10－8／℃，而鋼材的膨脹系數(shù)8.31～14.68×10－6／℃。因此二者組合結(jié)構(gòu)處于溫度的作用下時(shí)易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)是不利的。若溫度較低時(shí)，二者的協(xié)調(diào)變形能力下降幅度更加的顯著。

2.2 組合構(gòu)件連接構(gòu)造問(wèn)題

目前，對(duì)于二者復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究與探討停留在單個(gè)構(gòu)件的性能分析。結(jié)構(gòu)組成形式大多數(shù)為鋼材作為板構(gòu)件，木材結(jié)構(gòu)置于兩邊通過(guò)螺栓或者鉚釘與鋼構(gòu)件連接發(fā)揮支撐的性能。

2.3 結(jié)構(gòu)體系研究尚未成熟

二者復(fù)合結(jié)構(gòu)主要難題是對(duì)于節(jié)點(diǎn)的研究，目前該問(wèn)題的研究并不成熟，節(jié)點(diǎn)問(wèn)題重要性在于節(jié)點(diǎn)對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震性能以及整體穩(wěn)定性的提升。國(guó)內(nèi)的建筑節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造大多還是沿用木結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方式，螺栓連接和鉚釘連接[5]。

3 發(fā)展與展望

鋼木裝配式結(jié)構(gòu)的受力性能分析停留在初步階段，潘福婷等人對(duì)該復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)分析[10],經(jīng)過(guò)試驗(yàn)與分析出二者復(fù)合結(jié)構(gòu)的荷載與應(yīng)變以及荷載與變形的關(guān)系曲線,后期又采用了數(shù)值模擬的分析方式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，定性的對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。然而,相比于各類(lèi)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言,鋼木裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展還不夠完善,普通的構(gòu)造形式的適用范圍以及適用性值得研究，大多數(shù)鋼板為主要受力構(gòu)件、木材發(fā)揮支撐性能，沒(méi)有將各自的性能發(fā)揮到最大化，近幾年的鋼木裝配式結(jié)構(gòu)組成方式主要由鋼框架、內(nèi)填輕型木剪力墻以及鋼木混合樓板組成。對(duì)其研究分析還僅局限于單個(gè)構(gòu)件,對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的性能并沒(méi)有得到很好的研究與分析，比如可以對(duì)組合梁、組合柱采用對(duì)比的方法進(jìn)行分析。近幾年潘福婷等人對(duì)鋼木組合柱采用對(duì)比試驗(yàn)研究的方式對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析，定性的推導(dǎo)出鋼木復(fù)合結(jié)構(gòu)的計(jì)算公式。

4 結(jié) 語(yǔ)

鋼木裝配式結(jié)構(gòu)在工廠中進(jìn)行材料的預(yù)制生產(chǎn)加工為建筑構(gòu)件，然后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配的過(guò)程。預(yù)制裝配是在其施工中最主要的特征。木材、鋼材均是進(jìn)行工廠預(yù)制加工、現(xiàn)場(chǎng)施工安裝，金屬構(gòu)件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)處的連接構(gòu)造處理，而這些金屬構(gòu)件均是工廠中預(yù)制生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)使用安裝。采用裝配式施工方式大大降低了對(duì)環(huán)境的污染程度，并且縮短了施工工期也同時(shí)降低了施工的預(yù)算與造價(jià)。鋼材與木材發(fā)揮其各自的優(yōu)越性并且符合二者置換的要求。鋼木組合裝配式結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代社會(huì)中主要用于一些展覽性、觀光旅游性質(zhì)的建筑物中，在我們的住宅中并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，鋼木復(fù)合結(jié)構(gòu)無(wú)論廣泛應(yīng)用于多層中或者高層中將來(lái)均有可能實(shí)現(xiàn)，目前已有文獻(xiàn)中說(shuō)明鋼木組合結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于多層以及高層住宅中，并且可以采用木剪力墻結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剪力墻結(jié)構(gòu)，為了響應(yīng)綠色節(jié)能高效的大趨勢(shì)，鋼木組合裝配式住宅是可以被國(guó)家廣泛推廣使用的。