钢木装配式住宅的探讨与应用

孙亚楠，张辉，田超，李鹏飞

(1.山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250100；2.淄博市建筑设计研究院，山东 淄博 255000）

关键字：钢木组合住宅；装配式；节点连接构造；木剪力墙

0 引言

钢结构具有轻质高强、抗震性能优越、工业化装配化程度较高、生产的过程中对环境污染程度小等优点，较适用于现场的预制与安装和绿色施工；木结构相比于其他材料有质量轻的优点，并且绿色环保，装配程度较高。将钢木结构进行组合，可以充分发挥各自的优势，形成装配程度较高、绿色环保的建筑物。在现代的建筑结构中，不断的追求高度以及跨度的创新与突破，仅凭传统的木结构形式并不能完全满足建筑物中高度与跨度的需求，而木结构与钢结构的巧妙结合形成了全新的钢木组合装配式新型结构形式。我们通过对钢木组合装配式结构分析可知，将钢材与木材结合在一起有许多的优越性，刘洋、陈志华等人对轻型钢木组合剪力墙抗侧性能试验进行研究，设计一个轻型的钢框架对比的试件，进行单调加载实验，两个轻型钢木组合剪力墙试件，进行低周反复实验，考察有无OSB板及板厚对轻型钢木组合剪力墙抗侧性能的影响，研究表明可以提高其抗震性能；经过王希珺等人的研究对多层钢木混合结构提出了抗震设计方法。由此可见钢木装配式组合结构无论是对构件性能的提升还是抗震性能的提升均有很好的效果，并且响应了国家绿色环保的大趋势。当前的国内外建筑物中采用钢木组合结构的使用性能仅局限于大型旅游、观光等作用，可以试想是否可以将其大量推广于住宅中使用，现如今经过文献的查证，已经可以证实钢木组合装配式结构是可以使用在高层以及多层的住宅中使用的，并且住宅中的剪力墙结构可以采用木结构代替[4]，钢木组合加之以装配式，不仅节约材料又能方便施工。

1 概况

1.1 国内研究

近年来，何敏娟等人对钢木装配式结构进行研究表明钢木混合式结构楼盖在水平力作用下具有良好的转动性能[3]。

该楼板结构较为特殊，其结构组成采用轻钢栅栏以及方木形楼板组合而成，使用骑马钉将钢筋与木材进行可靠连接，将其错位搭接，贯穿钢栅栏固定于木材上，为保证其稳定性，再铺设一层双向钢筋网，最后为了确保结构的整体性对其浇筑水泥砂浆。楼盖铺设木材，提高了其侧向的变形性能，并且大大的改善了楼板的受力性能。潘福婷对钢木装配式结构研究其受力性能，最终得出结论其主要承重构件仍是钢筋，用螺栓的连接方式进行搭接。采用数值模拟与实验对比的方式，木材与钢结构结合可以提高整体结构的刚度性[3]。

图1 钢木楼板布置图

图2 楼板整体示意图

图3日本鬼石多功能厅

图4日本AIRA综合运动公园体育馆

1.2 国外工程实例

日本鬼石多功能厅，将木材运用到屋顶的腹板构件中，木材的边缘粘贴钢材，钢筋与木材的组合作为结构中的一部分应用于各大建筑物中，结构的承载性能有了很大的提高。钢木装配式结构体系局部区域采用了钢木组合构件[4]。

日本的AIRA综合运动公园体育馆采用独特的设计方案使木材与钢材各自发挥优越性，部分的木材取代了钢材发挥作用，其屋顶采用特殊结构-不完整桁架体系，桁架的上弦杆处采用木材取而代之。

2 钢木组合体系亟需解决的问题

2.1 在温度作用下材料性能差异显著

当两种材料的温度热膨胀系数相接近时，两种材料才可以在不同温度下协同工作，而钢材与木材两种材料的膨胀系数相差深远，全干木材的膨胀系数为3～4.5×10－8／℃，而钢材的膨胀系数8.31～14.68×10－6／℃。因此二者组合结构处于温度的作用下时易产生结构内应力，这种内应力对结构是不利的。若温度较低时，二者的协调变形能力下降幅度更加的显著。

2.2 组合构件连接构造问题

目前，对于二者复合结构的研究与探讨停留在单个构件的性能分析。结构组成形式大多数为钢材作为板构件，木材结构置于两边通过螺栓或者铆钉与钢构件连接发挥支撑的性能。

2.3 结构体系研究尚未成熟

二者复合结构主要难题是对于节点的研究，目前该问题的研究并不成熟，节点问题重要性在于节点对于整个结构抗震性能以及整体稳定性的提升。国内的建筑节点的构造大多还是沿用木结构的构造方式，螺栓连接和铆钉连接[5]。

3 发展与展望

钢木装配式结构的受力性能分析停留在初步阶段，潘福婷等人对该复合结构进行试验分析[10],经过试验与分析出二者复合结构的荷载与应变以及荷载与变形的关系曲线,后期又采用了数值模拟的分析方式与实验结果进行拟合，定性的对复合结构进行了分析。然而,相比于各类钢结构构件而言,钢木装配式结构的发展还不够完善,普通的构造形式的适用范围以及适用性值得研究，大多数钢板为主要受力构件、木材发挥支撑性能，没有将各自的性能发挥到最大化，近几年的钢木装配式结构组成方式主要由钢框架、内填轻型木剪力墙以及钢木混合楼板组成。对其研究分析还仅局限于单个构件,对于整体结构的性能并没有得到很好的研究与分析，比如可以对组合梁、组合柱采用对比的方法进行分析。近几年潘福婷等人对钢木组合柱采用对比试验研究的方式对其力学性能进行分析，定性的推导出钢木复合结构的计算公式。

4 结 语

钢木装配式结构在工厂中进行材料的预制生产加工为建筑构件，然后运输至施工现场进行装配的过程。预制装配是在其施工中最主要的特征。木材、钢材均是进行工厂预制加工、现场施工安装，金属构件进行节点处的连接构造处理，而这些金属构件均是工厂中预制生产、现场使用安装。采用装配式施工方式大大降低了对环境的污染程度，并且缩短了施工工期也同时降低了施工的预算与造价。钢材与木材发挥其各自的优越性并且符合二者置换的要求。钢木组合装配式结构在现代社会中主要用于一些展览性、观光旅游性质的建筑物中，在我们的住宅中并没有得到广泛的应用，钢木复合结构无论广泛应用于多层中或者高层中将来均有可能实现，目前已有文献中说明钢木组合结构可以广泛应用于多层以及高层住宅中，并且可以采用木剪力墙结构代替传统的剪力墙结构，为了响应绿色节能高效的大趋势，钢木组合装配式住宅是可以被国家广泛推广使用的。