木结构梁研究现状与发展趋势

王佳阳， 陈泽华， 杨小军， 付 帅， 董浩然

(南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

我国传统木结构建筑历史悠久、造型独特、气势磅礴，被广泛应用于宫殿、寺庙和园林建筑等[1]。随着经济发展和科技进步，以工程木为主要材料的现代木结构受到了世人的追捧，出现了轻型木结构、胶合木结构、原木结构等建筑形式[2]。建筑结构决定了建筑类型及建筑造型的表达，结构合理更是建筑安全的基本要求。对于框架结构木建筑而言，其建筑结构主要由梁、柱及连接节点构成，主要承受建筑的竖向及水平荷载，各构件在连接节点的作用下相辅相成，保证了整个结构的安全可靠性。随着现代工程木等新型材料的出现及建筑技术的发展，木建筑结构实现了从小跨结构向大跨结构、低层建筑向高层建筑、单一框架体系向多元化结构形式的转变。

木结构梁是建筑结构的重要组成部分，起承受外力荷载及联系整个结构的作用。木结构梁在结构中由柱或墙体支承，承受横向力和剪力为主的外力，抗弯刚度、强度及延性是其主要评价技术指标。近些年来，国内外学者针对建筑木结构梁在破坏机理、构件结构、构件承载性能、防火及耐久性等方面进行了大量研究，取得了较大进展。然而，随着现代木结构的发展，对木梁等结构构件在建筑结构中的要求愈发提高，在木梁结构组合多元化、木梁装配化等方面提出了更高的要求。笔者以木梁为研究对象，对木梁在建筑中的败坏模式、受力特点、物理力学性能的国内外研究进展进行阐述，并在现有的研究成果上探讨木梁未来可能的发展趋势，以促进我国现代木结构的发展。

1 木建筑构件败坏特点

木结构建筑使用的主要材料为木材，是一种天然生长的生物质材料，长时间服役时常常承受持续荷载、地震、风、温湿度等多种复合作用，建筑结构构件易产生腐朽、开裂、拔榫或断裂等破坏，给建筑结构带来安全隐患。木结构梁不同于其他结构构件，在发生败坏时易被察觉，便于及早评估与修复，从而确保建筑结构的安全性。

虫害多发地区，木建筑结构易遭白蚁、甲虫等侵蚀，表现为虫眼、虫沟或缺损[3]，如不及时采取防治措施，易导致结构失稳或构件断裂。潮湿环境对木建筑设计及保护要求较高，如设计不当或经长期服役后屋盖出现漏雨，建筑结构或构件易出现腐朽败坏，表现为木质疏松易脱落，严重时将导致结构或构件丧失承载能力[4-5]。开裂是建筑结构件常见的败坏现象[6]，环境中变化的温湿度、持续受载时间、荷载变化等因素均易引起构件内应力变化，当内应力超出木构件横纹抗拉强度，木构件将出现一条或多条沿木构件顺纹方向的开裂，且开裂程度随服役时间延长逐步加大[7]。开裂一方面易直接削弱木构件承载性能，同时也易给菌虫害提供入侵的通道，是较严重的损伤。

榫卯连接是我国传统木建筑常用的连接方式，类型多样，应用于各类结构构件间节点连接，榫卯连接相对金属件连接优点较多，但不足也较突出，如节点刚性差、构件因榫卯加工损伤大、设计及加工精度要求高等，如设计或加工不当，易出现结构构件的受力分配不均，导致结构构件脱出的拔榫现象[8]。结构失稳是木建筑常见的破坏现象，主要结构构件承载能力不足或随服役时间承载能力衰减过大是结构失稳的主要原因，木结构柱设计时截面尺寸过小、长细比过大导致压弯破坏失稳，木结构梁设计安全系数过低及持续承载引起的蠕变变形等易导致弯曲挠度过大失稳。

2 木结构梁研究现状

2.1 物理性能

木结构建筑的防火性能一直备受关注，在很大程度上影响了木结构的推广应用。木结构及其构件的火灾耐久性是建筑防火的基本要求。当前木结构防火或阻燃性能的相关研究主要集中在木材阻燃涂料、木梁受火后残余力学性能及防火处理方法等方面[9-10]。木结构梁是木结构的重要结构构件，在受火后其抗弯性能随受火时间延长而大幅降低。许清风等[11]对断面为10 cm×20 cm的胶合木木梁进行了三面受火后力学性能试验研究，发现受火后木梁的剩余承载力随着受火时间增加而降低，在受火20～40 min后剩余承载力降低幅度较大，此时木梁表层出现较厚的碳化保护层，通过有限元软件模拟分析能够准确模拟木梁的碳化速度，进而评价木梁的耐火极限。采用阻燃剂或防火涂料可有效延缓或阻止构件在火灾中燃烧。张晋等[12]采用B60-2膨胀木结构防火涂料对胶合木梁进行表面处理，通过受火试验及静力加载试验，发现防火涂料能使木梁碳化速度明显减小，木梁的防火性能显著提高。目前木梁防火性能的相关研究较少，关于木梁受火后力学性能的相关理论计算和防火设计方法研究亟待加强。

木建筑在长期的风化及生物侵害等环境作用下，其结构及其构件极易产生多种损伤或败坏，导致木构件的物理力学性能衰减，严重降低木结构的耐久性及安全性。当前关于木梁等结构构件耐久性能的相关研究主要集中在防腐剂种类、腐朽木材无损检测技术、腐朽木梁力学性能等方面[13]。木梁防腐通常采用水溶性防腐剂通过高压浸注方法处理，能有效改善其防腐性能。刘磊等[14]采用铬砷铜(CCA)、柠檬酸铜(CC)、季铵铜(ACQ)三种不同防腐剂对马尾松木梁进行抗蚁蛀能力测试，发现三种防腐剂处理后的木材均有较强的抗蚁蛀能力，CC及ACQ防腐剂在0.6%～2.0%高浓度处理下，抗腐蚀性能很强，外表几乎无腐蚀现象。木梁等构件的内部损伤，如构件内部腐朽的位置、大小及腐朽木材力学参数等，肉眼难以辨别，常采用无损检测方法进行。腐朽木梁无损检测方法主要有微钻阻力仪检测、应力波检测、超声波检测等，其中超声波检测法在众多木梁构件无损检测方法中，应用最为广泛。谷雨等[15]采用超声波检测仪，测定不同腐朽等级木材的力学参数，发现计算得到的小试件木梁的等效弹性模量与试验值具有显著相关性，验证了超声波检测腐朽木材力学参数的可行性。木梁产生腐朽是导致木结构承载性能下降的重要因素，因此对腐朽木梁的力学性能是否能达到结构设计强度展开研究成为重中之重。不同的腐朽状况对木梁力学性能的影响也不尽相同，应考虑腐朽位置、腐朽深度及腐朽等级对木梁承载力产生影响时的折减系数，为木结构加固修缮提供理论依据[16]。目前木梁耐久性的相关研究中，无损检测技术已较为成熟，但对于腐朽损伤木梁的力学性能研究还较少，后期有待加强。

2.2 力学性能

2.2.1 普通木结构梁

普通木结构梁的断面形状及结构形式多样，是未经过增强或加固，未施加预应力的木梁。普通木梁是木结构建筑的主要结构材，应用最为广泛，国内外相关研究较多。木梁的力学性能研究主要围绕抗弯强度、刚度及破坏形态表现来展开；其结构类型较多，有工字型木梁、方木梁、实木梁、圆形木梁、工艺复合梁等；力学性能研究主要采用四点受弯方法进行，木梁破坏特征及承载性能预测主要采用ABAQUS、ANSYS等有限元软件模拟[17-20]。

木材的天然缺陷对木材的强度和刚度性能影响较大，节子的存在改变了木材纹理的完整性，致使木材的强度降低，尤其是受拉强度降低最为显著。同木质复合梁相比较实木梁有着巨大的优势，可以有限减少实木梁中天然节子、缺陷等影响，将优质木材更好地组合利用，其抗弯承载力较锯材或实木梁得到了大幅度提升，可应用于对承载力要求较高的建筑工程[21]。

根据木梁构件受力特点，优化设计梁的截面形式，在满足承载性能要求的同时，可以减少木质材料的消耗。工字型组合梁的腹板主要起支撑两侧翼缘作用，翼缘需采用抗拉性能好的材料，根据这一特性，进行截面尺寸设计，一方面满足承载需要，另一方面可以大幅度节省材料。木结构工字梁相较于实木梁具有更高的强度、刚度、尺寸稳定性，以及不易发生翘曲等优点[22]。中空结构空心梁依据受力特点在满足承载性能的同时可以有效减少材料的损耗。尚澎等[23]在对矩形截面空心胶合木梁的抗弯性能研究中发现空心胶合木梁的极限承载力和延性与高度方向的壁厚及空心率有关。空心木梁的壁厚越小，承载性能及延性越小；空心率越小，承载力越大，延性越小。空心木梁的变形可采用弹性理论计算，在计算弯曲刚度时需引入折减系数0.88。

利用定向刨花板(OSB)面内抗弯性能好的特点，对木结构空心梁进行钉接复合，是一种增大木梁截面面积、提高抗弯承载性能的有效技术举措。杨小军等[24]在木桁架两侧采用OSB来增强木桁架，研究发现采用OSB增强的木桁架能有效提高其抗弯承载力，其初始抗弯刚度及极限荷载均提升200%以上，且增强型木桁架连接方式简单，木材用料少，这便于现场施工的优点非常适用于木结构工程。

裂纹是木梁构件长期服役期间常见的缺陷，严重的开裂现象对木梁的承载性能有很大的影响。宋晓滨等[25]通过对裂纹对木梁承载性能的影响、裂纹木梁力学计算与理论模型推导等方面开展了相应的研究，发现裂纹对木梁承载力的影响体现在削弱木梁构件抗剪截面面积，降低程度与裂纹宽度、深度等方面；且裂纹处于木梁弯剪短截面中部时，木梁承载力下降最多。通过大量试验研究并结合相应的有限元软件进行模拟，提出考虑纵向裂纹引起的木梁受弯承载力明显降低裂纹界限指标计算方法[26]。

普通木梁研究较多，范围很广，研究方法简单直接，能够直接为工程应用提供设计指导及理论依据，根据建筑中的受力特点，采取多种复合方式，实现了承载性能的提升。然而这些试验研究大多采用新鲜木材，对服役中存在问题的木梁缺少必要的探索。

2.2.2 增强型木结构梁

普通木梁在受外力荷载时易出现脆性受拉破坏，复合其他高强材料是一种克服普通木梁抗弯刚度不足的有效技术手段。国内外学者在木梁增强研究中，增强材料大多采用纤维增强材料(FRP)及钢质材料[27-28]等。

在FRP增强方面，常采用玻璃纤维(GFRP)、树脂纤维(BFRP)、碳纤维(CFRP)等高性能纤维材料加固木梁，其中CFRP增强技术运用较多，采用CFRP增强技术效果明显优于其他纤维材料[29]。采用粘贴CFRP布、板或植入CFRP筋等方式，可以有效改善木梁的承载性能。杨会峰等[30]对采用CFRP板增强杨木胶合木梁进行四点受弯试验，发现CFRP增强的木梁较未增强的木梁，受弯承载力与刚度可分别达到常用松木实木构件的1.82倍和1.35倍。采用FRP材料对含缺陷木梁进行增强，是一种提高缺陷木梁承载力及延长服役时间的有效措施。欧阳煜等[31]对采用侧面粘贴CFRP布加固的裂纹木梁进行理论分析，发现CFRP布可明显减小裂纹深度和数量对承载性能的影响，且在裂纹较深处加固效应愈加明显。在增强型木梁中，FRP与木材之间的粘结性能是保证其共同工作的关键，粘结承载力直接影响到FRP材料增强效果，FRP材料与木材之间有限粘结长度决定了粘结承载力的大小。庄荣忠等[32]研究粘黏剂种类、纤维布种类、粘结宽度、纤维布层数等不同参数对纤维布与木材粘结性能影响的变化规律，得到了有效粘结长度、粘结强度等重要参数，提出了粘结承载力计算公式，为进一步研究FRP加固木结构的效果和机理奠定了基础，并证明在木结构工程领域具有一定的应用前景。在理论公式推导方面，通过对FRP板不同放置方式、FRP筋以及钢筋增强方法的对比，比较不同增强材料和方法对木梁承载性能的增强，通过大量试验数据的推导，提出了增强型木梁的计算理论，并验证理论具有科学性[33]。

钢材材料刚性较好，可采取粘贴、钉接等方式与木材进行复合，这种采用钢板增强的木梁，可以很好地改善其承载性能。YANG等[34]通过对比未增强、在底部粘贴钢板、在两侧中部粘贴钢板三种不同木梁进行抗弯承载试验的结果表明各增强方式均可显著提高木梁的承载性能，在侧面粘贴钢板不仅能提高木梁的抗剪能力，还能在一定程度上抑制裂缝的发展，并提出侧面粘贴钢板木梁计算承载力推导公式。

木梁经FRP或钢板增强后，其承载性能及抗弯刚度也得到较大提高，与此同时木梁在增强后仍存在较大的变形，因此在应用于一些大跨木梁结构中仍需对木梁变形采取更加深入的研究以改变变形较大的现状。

2.2.3 预应力木结构梁

预应力是为了改善结构受力表现，在施工期间给结构预先施加的压应力，结构服役期间预加压应力可全部或部分抵消荷载导致的拉应力，避免结构破坏。目前愈来愈多大跨度木建筑结构的出现，对木梁等构件的刚度、强度及延性提出了更高的要求。为了进一步提高木梁的承载性能，拓宽木梁的应用范围，许多学者将预应力技术引入木结构领域。近年来，预应力木梁的相关研究主要从承载性能、破坏形态、预应力损失、理论模型推导等方面进行研究[35]。

在破坏形态及承载性能方面，预应力增强木梁较未增强木梁承载性能有大幅度提升。杨会峰等[36]发现预应力增强胶合木梁比未增强木梁受弯承载力和刚度分别提高了28.8%～81.8%和44.9%。由于张拉工艺及材料因素会导致拉应力筋中张拉力不断下降，因此准确估计和计算预应力损失也是预应力木梁的一个重要研究方向。在预应力损失方面，通过有限元软件模拟预应力木梁的长期蠕变行为，研究木梁由于蠕变引起的预应力损失，得出了木材蠕变的预应力损失计算公式，与试验结果较为吻合[37-38]。在理论模型推导方面，通过对胶合木梁施加预应力，开展了试验研究和理论分析，并推导出相关的力学计算模型[39]，如图1所示。

图1 预应力胶合木梁截面与理论计算模型

施加预应力可以有效提高木梁的抗弯刚度、极限承载力及延性，在大跨度木结构领域具有很好的应用前景。但如何减少预应力的损失，亟待学者去探索研究。

3 发展趋势

3.1 木梁装饰化

在木建筑结构中，木梁及其他主要构件与整个空间并存，不仅起到承重的作用，还有划分各个空间的功能，对室内设计风格的影响有着重要作用。舒适的居住环境是人们追求高品质生活的永恒主题，而木结构梁具有一种天然美和亲切感，能够缩小人与人之间的距离，加之合理的颜色搭配会产生一种舒适的感觉，也会给人们带来不同的情感体验。室内作为人们日常生活久居的场所之一，在满足使用功能的同时还要兼具美观高雅效果，木结构梁的美观性恰好符合其要求。木结构梁断面尺寸大，给人以一种震撼的视觉效果，便于营造宏伟壮观、富丽堂皇的建筑装饰效果。在一些特殊装修风格需求中，采用对木梁表面进行雕刻，涂刷鲜艳色彩等手段，点缀出木梁的建筑美及装饰美，便于营造舒适温馨的居住环境。木梁的装饰化在现代化木结构装饰中已逐步得到应用且得到大众的重视，尤其在日本，木梁在作为构件使用的同时兼具装饰效果。木梁及其他构件需要结合建筑不同风格类型、室内艺术效果呈现角度等来进行木梁的选料、设计及加工制作，从源头做起，可以起到事半功倍的效果。

3.2 木梁装配化

近年来，中国、加拿大等国家相继出台了装配式建筑相关规范及政策，明确提出了建筑装配化具有构件生产工厂化、施工机械化、设计标准化程度高等优势，引导和规范了整个装配式行业的发展。木梁及其他构件作为建筑的重要构件，通常尺寸大、笨重不易运输，力学性能要求高，采取传统的手段生产安装运输需要耗费大量人力物力，通过采用装配化方式进行设计、生产与施工可以做到结构的高效生产、快速安装施工等效果，其装配化程度对建筑结构的整体装配化有着重要意义。合理运用金属件、榫卯等连接方式相配合，可以实现木梁模块化单元的组合，实现木梁的装配化。对木梁进行模块化拆解、装配化设计生产，便于实现木梁规格的标准化，利于工厂的批量生产，提高构件工厂生产化的效率。木梁作为建筑的重要构件不是独立存在的，需要统筹考虑整体建筑结构与模块化分块同步进行，为达成尺寸标准化等需求，还需要专业人员对此进行大量工作，实现木梁构件的模块化设计生产施工。

3.3 结构组合多元化

当前组合梁大多采用同种木质材组合、不同材料组合等方式，围绕如何提高梁的强度、刚性、延性及节点连接强度等方面进行了一系列的探索研究。木梁主要的材料为木质材料，优点很多，但不足也很明显，表现为材性较软、强度刚性较差、长时间服役后易发生蠕变，通过与其他材料采用不同方式进行复合，利用其他材料的优势，弥补木质材料的不足，相互取长补短，可以提高木梁的强度、刚度及节点连接强度，避免出现“强构件弱节点”或“强节点弱构件”等不足。

为了满足力学性能的需求，将钢材与木材采用嵌入式方式复合，利用钢材刚性大的优势，可以大幅度提升钢木复合梁的整体刚度、强度及延性，可以满足更高力学性能的使用。为了满足建筑中大断面构件的需要，通常可以采用空心梁来满足，并且能够较大程度节省原材料。尽管当前实际工程中已经出现空心箱梁等空心梁应用，但空心梁的研究仍处于探索阶段，尚缺乏足够的理论依据及技术支持。在一些特殊受力薄弱点部位，可以采用局部复合结构来增强其整体力学性能。

3.4 木梁评估与修复

木结构建筑特别是古建筑木结构经过长时间的洗礼，期间遭受各种天灾人祸，在自然环境的长期作用及长时间服役情况下，均存在不同程度的损伤破坏，因此对梁、柱等重要构件进行适时评估与修复是非常有必要的。采用阻力仪、超声波、应力波等无损检测技术，及时对缺陷木梁进行评估检测，然后采取相应的措施对其进行修复加固，同时需要建立相应的评估标准及评估检验方法，完善整个评估检测流程。

对于损伤较为严重的缺陷木梁，需要及时对其进行更换，以保证整个建筑的安全性。对在安全允许范围的损伤木梁，也应及时采取相应措施对其进行修复加固。开裂是木梁等构件最为常见的败坏形式，宜采取多种手段对其进行及时修复，修复手段不宜采用传统的添加腻子、剔补加固、构件更换等方式，传统修复方式只能短暂对木梁等构件进行加固修复保护，不能从根本上解决其力学性能衰减的现状，宜采用新型修复加固技术如FRP加固，起到拉结作用，避免开裂处裂纹进一步扩展，同时还可以使分离的木纤维壁重新复合，起到重新受力作用。对于腐朽的木梁构件，宜及时对其进行腐朽等级评估检测，及时剔除腐朽缺陷，然后对其进行表面防腐处理，再使用干燥后的原木梁依照原样修补整齐并粘接，应做到“修旧如旧”的原则。

4 小结

木梁是建筑结构的重要组成，这些构件一方面承担建筑荷载的重任，另一方面给建筑更广泛设计提供多种可能性。梁是重要的结构受力构件，研究人员针对不同使用需求，已提出了不同方式组合梁、新技术加固木梁、预应力加固木梁等不同的木梁形式，基于试验理论的研究，在一定程度上已经能够满足工程实际应用的要求。同时，随着现代木结构的建房高效、设计新颖等新要求的提出，在木梁装饰化、木梁装配化、评估修复等方面仍有巨大的潜力值得挖掘。