膠合木-混凝土組合結構的應用分析

陳 超 （東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著生活的不斷進步和發展，人們為了更好的順應社會并與自然和諧相處，我國引入了膠合木材料作為建筑建材。經歷了多年的孜孜不倦的研究探索，已經可以利用間苯二酚或者酚醛間苯二酚樹脂膠等膠粘劑進行粘接壓制，形成可以達到安全規定標準的膠合木，也成為綠色建筑的首要選材。同時，混凝土技術發展已經達到了非常成熟的地步，可以說幾乎很多的建筑都離不開混凝土的使用，目前已成為使用量最大、應用范圍最廣泛的建筑材料。為了提高其應用性能，相關規范不斷完善，同時不斷研究和探索，均衡同步提高各種各樣的應用性能，滿足人們社會的需要。

膠合木-混凝土組合結構作為近些年一種新型建筑結構，順應社會發展和滿足時代的需要[1]。在2016年國務院印發《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》，要堅決貫徹“適用、經濟、綠色、美觀”的建筑方針，著力轉變城市發展方式，著力塑造城市特色風貌，著力提升城市環境質量，著力創新城市管理服務，著力于興建綠色建筑及推廣使用綠色建材[2]。

1 膠合木-混凝土組合結構特點

1.1 整體性能

膠合木-混凝土組合結構是在木結構和混凝土結構的基礎上發展起來的，木材在順紋方向有較好的受拉性能，而混凝土抗壓能力強，理論上兩者的組合可以充分發揮各自的優點來承擔荷載。除了在力學性能上能有效發揮各自的優點外，膠合木-混凝土組合結構還有以下特點：結構生態，天然再生；抗震和抗沖擊性能好，并且質輕高強、安裝便捷；具有良好的防火性能，這都能促進膠合木一混凝土組合結構的快速發展。

1.2 抗震性能

中國是一個地震頻發的國家，位于世界兩大地震帶——環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍[3]。膠合木-混凝土組合結構的房屋具有良好的抗震性能，利用栓連接和釘連接，兩者可以通過自身的變形消耗能量。據有關研究表明，膠合木在遇到地震時，在方向上的偏移率僅為1.3%。同時，本身也質輕高強，具有良好的韌性，高結構強度和高抗震性能的優勢[4]。

1.3 綠色環保

圖1 Vihantasalmi橋

膠合木與鋼筋類材料相比，其密度小和強度高。據統計，在一棟200m2的建筑上，在耗能方面為鋼結構的66%，二氧化碳排放量為鋼結構的81%，空氣污染指數為鋼結構的57%，生態資源耗用指數為鋼結構的88%，水污染指數為鋼結構的29%[5]。可見膠合木具有低碳環保、綠色節能、保護環境等等的優勢，綜合性能指標要強于鋼結構。膠合木是一種可循環可再生資源，使用壽命也比鋼筋混凝土的房屋要長，最后也可以進行回收處理。

1.4 構造簡單，便于施工

組合結構構造簡單，合理可靠，則必然會易于施工，滿足國家安全規定的標準，對于施工連接構造的質量檢查也會容易許多。連接方式可以參考榫卯連接、齒連接、銷連接、鍵連接、膠（膠粘劑）連接、植筋連接、承拉連接等等。

同時，采用膠合木具有以下的優點：①作為新型材料，合理利用可再生能源，滿足可持續發展戰略。②安裝簡單快速，加工不受時間限制，可以大力推廣裝配式建筑。③輕質高強，滿足實際工程的力學性能，同時抗震能力出色。④與鋼材料相比，有很好的防火性能，結構也更加的牢固。⑤保溫性能，隔音性能良好，可以不用擔心熱量的散失和噪聲污染。⑥使用膠合木，可以更好地融入大自然，美觀大氣，屋里有淡淡的木香，心情舒適。

圖2 Vihantasalmi橋結構

在芬蘭，很早就找到膠合木-混凝土組合結構的足跡，著名Vihantasalm i橋的設計（圖1、圖2）是一個五扇形的桁架橋，其中三個主跨中的承重結構由膠合木制成，兩側跨度構造為膠合木-混凝土組合橋。橋梁的跨度為168m，行車道的有效寬度為11m，人行道的有效寬度為3m[6]。

2 國內外研究現狀

膠合木最開始在北美和歐洲流行，在1900年，舊時德國魏瑪的赫茨首次發現了膠合木，并分別在瑞士和德國申請了專利。而標志著拱形結構膠合木應用的真正開端是赫茨。在1906年，德國注冊的曲線型膠合構件的專利。在北美，大約在1934年，注冊建筑師和工程師麥克斯·海因內希（MaxHanisch）設計了“全膠合”拱形屋蓋結構，是美國歷史上第一座采用膠合的建筑。同年，美國農業部林產品實驗室（FPL）的建筑，至今仍在使用，使用期限大大超出預期。從上世紀50年代至今，歐洲、美國、日本等發達國家已經對膠合木進行大量的研究和改良，取得了不錯的突破。近些年，為了推廣裝配式建筑，加快推進綠色建筑的進程。在純膠合木建筑和純混凝土建筑的基礎上，提出了利用兩者各自的優勢彌補各自的缺陷，可以使兩種材料得到最大的利用。而為了達到這個目標，也可以通過不同的組合形式進行實現。

2002年，Ario Ceccotti認為木材是一種可再生的綠色建材，易加工能耗低，但是木結構自身有許多的問題，所以挖掘出一種新的結構形式-復合混凝土木結構，這種新型的結構可以突破木結構本身的特性，更好的滿足人們的需要[7]。之后于 2010年，L.F.Jorge等對 SFS螺釘連接件在短期荷載和長期荷載下受力性能進行研究分析，這項研究利用了在科英布拉大學進行的實驗程序的優勢，通過600天對數個木-混凝土結構進行測試，分析了螺釘的直徑、混凝土的類別、有無層間隔板對SFS螺釘連接件的受剪承載力及剛度的影響。試驗結果表明，螺釘連接件的受剪承載力和剛度隨螺釘直徑的增大而增大；螺釘連接件的受剪承載力在輕骨料混凝土中較在普通混凝土中降低30%～50%，剛度基本相同；釘連接件的受剪承載力在設有層間隔板提高不大。發現SFS螺釘連接件對于整個結構重要性，同時還提出了一種簡化的程序，可以將其作為設計理念的擴展[8]。

對于木-混凝土組合結構中的連接，國內外學者通過理論分析、有限元分析和試驗驗證等方法開展了相關探索和研究。Hossain等對植入自攻螺釘的膠合木板連接節點進行了加載試驗，研究節點的承載力、屈服強度、變形、剛度和延性。結果表明：垂直植入自攻螺釘的節點延性好，十字交叉傾斜植入自攻螺釘的節點剛度大但延性較差[9]。

目前，膠合木-混凝土組合結構的研究主要在美國、日本等國家，我國對膠合木-混凝土組合結構還處于起步階段，沒有可供參考的設計規范和設計標準，只能通過其他國家的設計規范和設計標準進行設計研究，所以更要重視對膠合木-混凝土組合結構之后的研究過程。迄今為止，僅有南京工業大學、中南林業科技大學和同濟大學對膠合木-混凝土組合結構有初步的研究，但是膠合木-混凝土組合結構應用廣泛，為了實現裝配式建筑的推廣，為以后的工程應用要提供理論支持和設計依據。

3 結論

膠合木也可以在其他領域有不俗的發展前景，目前可以通過特殊化學工藝把膠合木進行處理，得到純凈、透明、強度高、保溫、隔熱，可以和玻璃相媲美的材質，同時不會像玻璃那樣容易破損，可以說技術成熟后，使用該材質建造會更加的美觀，也會對社會的發展起到非常大的作用。

混凝土現在也在不斷的進行改良，比如陶粒-普通混凝土，防止在近海混凝土腐蝕的性能研究，新型活性粉末混凝土等等，都是在原有技術上不斷突破，順應社會的進步和人類需求的發展，同時盡可能降低和避免環境的污染。

膠合木作為新型綠色建材，擁有很高的抗拉強度和抗壓強度，可以與混凝土組合，結構充分利用兩者的特性可以滿足建筑的需要，以后可以在中國推廣使用。同時，膠合木使用前也必須進行防腐、防蟲、防火處理，避免在施工完成后會出現住房安全質量問題。