一种新型框架式“钢木结构”的研制与设计

陈孝柱，董 岩

（安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

一种新型框架式“钢木结构”的研制与设计

陈孝柱，董 岩

（安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

本文综合利用钢材与木材的优点，提出了一种框架式“钢木结构”的设计方法，同时介绍了梁和柱的设计以及梁与柱，柱与地基，板与柱、梁之间的连接问题.该设计通过对梁板、柱中加钢筋增强了其承重能力和强度，采用钢砼的节点，保证了节点能承受较大的载荷并保持稳定性.该结构具有耐久性好，抗震性强，节能环保等优点，具有广阔的应用前景.

框架式；钢木结构；节点

1 引言

近年来，钢木结构成为研究的热点.所谓钢木结构是指把钢和木通过某种方式结合起来，构成框架式建筑物的组成材料.钢材具有强度高的特性，而木材具有生态特性.通过钢材形成建筑物的总体承重框架，而用木材起到一种近似“代替”混凝土的作用，包裹住钢材，一方面防止钢材生锈，另一方面也可起到共同承重的作用.

众所周知，钢筋与混凝土能够很好地结合，除考虑两种材料的各种性质相近外，也取决于混凝土在凝结之前具有良好的流动性，所以它们能在混凝土凝结后紧密的结合.然而木材是固体，不具有流动性.本文采用在木材中打孔的方式，将带肋钢筋穿入孔中，并且在孔中加入强力胶，使它们紧密结合.

针对框架式结构，主要研究梁、柱、板，即对传统的梁、柱、板进行重新设计，使钢木结构更加牢固.由于地板和墙板目前市场上已有，本文不再重新设计.故主要设计以下几方面内容：梁的设计、柱的设计、梁、柱、板之间的连接以及钢与木的连接.由于钢木结构比较轻，因此地基采用钢筋混凝土结构，可按目前楼房地基处理方式.框架式结构主要承重构件为柱，本文重点考虑梁与柱的连接问题.

2 框架式“钢木结构”的设计

2.1 梁的设计

原木材需要削成矩形，设其长、宽、高分别为l、b、h.打孔方向沿着长度的方向，孔的最下层距离最近矩形梁边缘设置为45mm，这样设计一方面是考虑到木材燃烧时碳化层约为40mm，在燃烧时木材中的钢筋仍能保持其强度.另一方面，也是为了防止梁受力时，梁下侧木纤维不发生拉伸破坏.

图1 木材的剪切

由表1可知，木材的顺纹抗拉和抗压强度相差不多，但是抗拉强度略高.从木梁承重的微观角度讲，当承受载荷时，上侧纤维受压，下侧纤维受拉，这与混凝土截然相反.当发生破坏时，则表现为上侧纤维逐渐发生压缩破坏，下侧纤维逐渐发生拉伸破坏，故配筋时应当注意考虑木梁的上部配筋.从宏观上考虑，抗弯强度相当于抗拉强度与抗压强度的平均.木材各种强度间的关系如下图：[1]

表1 木材各种强度间的关系

梁的两端处，即梁与柱连接处，会承受较大的剪切力，若发生破坏，可认为是横纹切断破坏.但是如若从梁的整体考虑，一般首先出现的并不是剪切破坏，而是压缩破坏.

在对梁进行设计时，要优先考虑抗压强度.这与混凝土相反，因为混凝土抗压强度远大于抗拉强度.混凝土配筋时有单轴配筋和双轴配筋，而木梁配筋时必为双轴配筋.梁作为钢木结构重要的构成部分，应采用木材承重与钢材承重相结合的方式，两者是相辅相成的.

图2 梁设计简图

钢筋在一般情况下，采取一排布置，且不宜布置过多，因为本框架式钢木结构建筑多为居民楼式建筑，不会出现特别大的大跨结构.若钢筋布置过多，则会在原木中打孔过多，破坏木纤维之间的粘结作用，从而降低钢木结构中木结构的承重作用，使木结构易被破坏，进而导致整根梁的损坏.

从保守角度讲，为了提高梁的耐久性和稳定性，应尽可能考虑到能够发生的任何因素，应在梁的表面添加一层1～2mm的钢板保护层，使其与梁的轮廓紧密贴附，并且必须在钢板外侧涂绝缘保护层.因为本结构中的钢材均是相连的，当建筑过高时，会在楼顶安置避雷针，将雷电的能量传给大地.为了防止钢板的导电作用，应当涂绝缘材料.从另一个角度讲，钢板的添加，也可在火灾发生时，提高房屋的稳定性.

2.2 柱的设计

柱分为主柱和辅助柱，主柱采用圆柱形，其断面半径为R（≧b，b为梁的宽，前已提及），辅助柱采用正方形，且正方形的边长为b.关于主柱，考虑到原条的髓心强度较低，且易发生腐蚀、虫蛀等破坏，因此宜在柱心穿孔放置钢筋，作为原髓心处的一种替代品，其余钢筋应在以中心钢筋为圆心的圆上均匀放置.柱的两端也应预留钢筋，并做出螺纹.

图3 主柱截面图

一般情况下采取图3形式放置即可，中间一根钢筋直径记为r0，向外第一圈钢筋直径为r1，以此类推.

框架结构中，与梁相比，柱若发生破坏，产生的危害更大.如果柱的配筋以及直径选用达到要求，那么柱的破坏表现为逐渐破坏，进而导致整体破坏，因此保护层的设置更为重要.保护层应大于60mm（40mm+20mm）,即从原条的最大直径处向里不允许配筋.60mm中40mm是防止发生火灾形成的碳化层厚度，剩余的20mm一方面是为了柱子更加稳固，另一方面是为了柱与墙连接时，需要在原条与板接触处刨平.

当主柱承受载荷时，钢筋有可能承受拉力，也可能承受压力.在计算承压时，可把柱尺寸选大一些，可适当增加柱的尺寸，从而减少钢筋的影响.在计算拉力时（如风载产生的载荷），几乎全部的拉力由钢筋承担，应在考虑风载以及地震载荷的基础上配置钢筋，防止钢筋被拉断，避免建筑物整体倾覆.木结构具有天然的抗震性能，因此只要在柱梁连接处保证强度，以防其在地震中被破坏即可[2].

辅助柱的设计与主柱类似，只不过配筋时只沿正方形四周配筋，并且无需在两端预留钢筋，在这里不再重复.从受力角度讲，只是为了帮助承重，防止梁弯矩过大，进而产生过大的挠度.辅助柱的边长之所以与梁的宽度相等，是为了房子的整体美观.因为辅助柱在结构设计时可能会出现在梁下的任何位置，但进行装修时，不得任意去除辅助柱.

2.3 梁与柱的连接

梁与主柱连接，初步采用钢连接，即通过一个钢套进行梁与柱的连接.

施工步骤如下：

（1）在柱子上加一个大钢板帽，钢帽有预留孔可让柱上的钢筋穿过，然后在中心钢筋上加一个方形钢套（侧壁上有孔，用以连接梁上的预留钢筋），并用螺栓帽将其与柱子预留的钢筋通过钢筋螺纹连接紧密（在施工时柱子两端同时连接紧密）.

（2）将木梁放置在钢板帽上，并且梁下端要压至柱的r/4以下处，且与柱上的长螺栓孔错开放置.

（3）将梁上的螺栓头穿过方形钢套，并用螺栓帽连接.

（4）施工上层柱依然在此连接处对接好，通过大钢帽上预留的螺栓孔，用长螺栓连接.

（5）上、下柱上的大钢板帽，以及大钢板帽与梁上的钢板进行焊接.

（6）由于上、下柱、梁连接时会在连接处形成圆柱形，且会产生一定空间的空腔，因此要在上层柱的柱根处预留孔，通过孔浇筑高性能混凝土.

（7）用钢片将浇筑混凝土的预留孔封住，清理施工痕迹，并在圆柱形连接处加防锈和绝缘的具有木质颜色的涂料.

（8）进行上层柱柱脚处的混凝土浇筑，使混凝土淹没长螺栓头.

梁与柱的连接和设计细节图如下所示：

图4 梁柱连接立体图

图5 柱顶大钢帽剖面图

图6 方形钢套示意图

图7 柱顶大钢帽主视图

图8 柱脚大钢帽剖面图

图9 柱脚大钢帽主视图

通过模拟实验，钢板套的形状参数主要为最大圆形直径R0=kR（R为原木柱的半径），其中k应大于等于1.2，从而保证有足够的空间浇筑混凝土，保证连接处的强度.其次为大钢板帽的厚度，可取2～3mm.焊接处应进行紧密性检验，确保焊缝处无空隙，以防浇筑混凝土时出现渗漏.柱脚混凝土浇筑时也可再布置些钢筋，并使这些钢筋与长螺栓头相连，使柱脚槽内形成钢筋混凝土结构，进一步提高柱脚强度.

2.4 柱与地基的连接

在基础施工时，应在混凝土浇筑时，预留出竖直向上的一小截钢筋，并在其上用螺纹机做出螺纹，通过螺栓帽把柱脚的大钢板帽与预留的钢筋连接.但必须注意的是，第一层柱施工完毕后，应在底层另浇筑一层混凝土至淹没柱脚槽.预留钢筋也不应高出凹槽，否则应当截断.

2.5 板与柱、梁的连接

目前关于木地板的制作技术已经相当成熟，本文在此不再赘述，但在施工拼装时，顺序应是：主柱→梁→墙板→辅助柱→上层地板→上层主柱.前面在讲梁柱连接施工时，为了简便，未能提及板的施工.之所以先施工墙板，再施工辅助柱，是为了方便拼接，因为板均为一定形状的长方形板，在中间接口处便可用辅助柱.再者，与板连接时，不管是柱还是梁，均采用螺钉连接.螺钉应是有间距的打入，在施工外墙板时，为保证强度，提高安全系数，可根据《木结构设计规范》，进行外墙的施工.

3 结语

本结构设计从某种程度上也减少了室内装修材料的使用，特别是木质地板、木质墙板的使用.故钢木结构能起到在木材利用上的相对平衡，不会导致木材的大量滥用.该设计易于组装，拆卸也较方便，能提高建材中木和钢的回收利用率，减少了房屋建材的浪费.该结构具有耐久性好，抗震性强，节能环保等优点，并具有造价低、施工周期短、平面布置更加灵活等特点，有着广阔的应用前景.

〔1〕张立伟.土木工程概论[M].北京：机械工业出版社,2011.56.

TU398

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1673-260X（2014）10-0018-03