文/冯远
摘 要
首先对适宜于大跨胶合木构造常见构造体系的构造构成、受力特点、适用范围进行了剖析，包含木桁架构造、木网架构造、木网壳构造、木拱构造以及木张弦构造等大跨胶合木构造体系。然后通过青岛胶东国际机场航站楼指廊屋盖胶合木构造等4个实际工程项目磋商了大跨度胶合木构造选型和构造设计，比拟了不同构造方案力学性能指标、木材用量指标。末了针对大跨胶合木构造设计还须要进一步完善的问题，如木材本构模型、节点剖析、蠕变和湿度影响以及整体稳定剖析等进行了谈论。
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引 言
胶合木是用胶将木层板沿木材顺纹方向加压胶合而成的工程木产品，常日是由四层或四层以上的木层板叠层胶合而成，可被加工身分歧的形状，如变截面构件、弧形或自由曲线形构件等，战胜了传统木构件截面尺寸、长度和形状受原木的影响。因制作胶合木层板剔除了大的木材毛病，胶合木毛病分布更加均匀，因此其强度较锯材强度有较大提升，实现了木材资源小材大用，极大地提高了木材资源的利用率[1-2]。
胶合木最早起源于欧洲，至今已有100多年运用历史，在欧洲和北美地区被广泛用于大跨构造，已有诸多实际工程案例，例如：美国塔科马穹顶体育馆，直径162m，穹顶最高处45.7m；日本小国町民体育馆，最大跨度56m；挪威哈马尔奥林匹克圆形竞技场，最大跨度70m；加拿大列治文奥林匹克椭圆速滑馆，最大跨度100m[3]。
自20世纪六七十年代，大跨胶合木构造开始逐渐在我国的一些工程中得到运用。1989年，北京亚运村落康乐宫嬉水乐园的60m跨度屋盖采取了胶合木构造；同年，四川省江油电厂88m跨度干煤棚也采取了胶合木构造。近几年，在海内大空间公共建筑采取大跨木构造的项目更这天渐增多，如已投入利用的长春市民中央拍浮馆、天津华侨城欢快谷演艺中央木构造网壳、太原植物园木构造、云南太平湖国际会议中央等项目都采取了木构造屋盖。
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大跨度木构造类型
大跨木构造的分类方法有很多，根据利用材料可分为大跨纯木构造、大跨钢木稠浊构造；根据受力单元可分为杆单元构造、梁单元构造、板壳单元构造；根据受力办法可分为大跨平面木构造体系、大跨空间木构造体系。下文先容几种常见的大跨度木构造类型。
1.1 木桁架构造
木桁架构造是由木杆件组成的一种格构式体系，节点多为铰接，在外力浸染下，桁架中的木杆件以承受轴向力为主。木桁架在新中国成立初期建造的工业厂房中被广泛用于屋盖。根据桁架下弦所用的材料，木桁架可分为纯木桁架和钢木桁架，个中钢木桁架常日运用在跨度较大的屋盖中，常日将下弦杆用圆钢或型钢替代，由于木材受拉毁坏属于脆性毁坏，且钢材的强度和弹性模量远高于木材，采取钢木桁架可提高桁架的刚度，减小变形，从而实现较大跨度的超过。木桁架根据构件的空间支配可以分为空间木桁架和平面木桁架，个中平面木桁架在工程中运用较多，根据其形状分为三角形、矩形、梯形以及多边形等类型，详细形状根据屋面布局、跨度、造型等成分确定。图1为上海某工程采取的大跨胶合木桁架作为屋盖承重构件。
图1 木桁架屋盖
1.2 木网架构造
木网架构造与钢网架构造一样，是由多根木杆按照一定规律组合而成的空间网格杆系构造。在节点处一样平常利用钢连接件连接木杆，常见的连接办法有螺栓连接和植筋套筒连接等。木网架构造具有空间刚度大、构件规格统一等特点，多用于公共建筑中。木网架构造杆件以受轴向力为主，材料性能发挥比较充分[2]。日本小国町民体育馆即采取了木网架构造，1988年建造完成，最大跨度达56m，见图2。
图2 日本小国町民体育馆木网架
1.3 木网壳构造
木网壳构造是指将木构件沿球面或柱面有规律支配而形成的空间构造体系，其受力特点与薄壳构造类似，大部分荷载由网壳杆件轴力承受[1]。木杆可以为直线形，也可以为曲线形来靠近球面或柱面的效果。球面网壳的造型都雅、受力合理、跨度大，非常适宜运动场等大型公共建筑，是大跨度空间木构造的空想形式[4]。美国塔科马穹顶采取了球面木网壳构造，直径达162m，建筑物最高处达45.7m，由三角形木网格组成，紧张构件采取波折形，通过钢夹板节点连接，用木檩条支撑屋面，于1980年建成，为目前环球最大的单层胶合木网壳构造，见图3。
图3 塔科马穹顶木网壳 图3 塔科马穹顶木网壳
1.4 木拱构造
木拱构造是一种紧张承受轴向压力并由两端推力坚持平衡的曲线形平面构造，是实现大跨度较为经济的构造体系。木拱构造可以充分发挥材料性能。水平推力的存在有效地降落了构件弯矩，从而使木拱能够充分发挥木材受压的性能。同时，构件截面内的竖向压力分量平衡了却构的整体剪力，使构造内部剪应力减小，应力分布均匀，因而木拱构造同样是大跨度木构造的空想形式。胶合木是制作木拱构造的空想材料，可以实现大跨度木拱所须要的较大截面，同时，胶合木可以方便地制作成曲线形构件，知足几何形状哀求。图4为四川省江油电厂干煤棚胶合木拱构造，胶合木拱构造跨度为88m，拱高为27m，拱截面宽为230mm、高为1.625m，由两块宽为115mm的弧形胶合木构件用螺栓拼合而成。从拱顶分为两个半拱作为吊装施工单元，然后用钢板和螺栓进行安装连接。拱脚置于约6m高的钢筋混凝土支墩上。
图4 四川省江油电厂干煤棚胶合木拱构造
1.5 木张弦构造
木张弦构造由刚度较大的刚性木构件、柔性钢索以及钢撑杆或木撑杆组成。木张弦梁是较为常见的木张拉构造，它紧张由三部分组成，分别是刚性木梁、柔性索和撑杆。刚性木梁也可为木拱或木桁架，撑杆可以由钢杆或木杆制成。柔性索一样平常为钢索，张弦构造中钢拉索参与事情，使木张弦构件刚度大于纯挚刚性构件的刚度，同时调度了木构件的内力分布，可以使木材强度得到充分发挥。木张弦构造为自平衡受力体系，须要钢弦在木构件端部可靠锚固[5-6]。木张弦构造也被广泛运用于大跨度的运动场馆、会议厅、展馆等建筑。图5为长春全民健身中央拍浮馆木张弦构造。
图5 长春全民健身中央拍浮馆木张弦构造 图5 长春全民健身中央拍浮馆木张弦构造
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工程运用探索
2.1 青岛胶东国际机场航站楼指廊屋盖胶合木构造选型设计
青岛胶东国际机场航站楼由大厅和5个指廊组成，指廊屋盖面积约9.4万m2，见图6。指廊中A，B区指廊长360.1m，宽22.9～38.6m；C，D，E区指廊长395.0m，宽40.3～55.4m。原始建筑方案指廊屋盖拟采取胶合木构造。
图6 青岛胶东国际机场航站平面图
结合建筑都雅及经济性对指廊胶合木屋盖进行了交叉网格和平行弦两大类共6个方案的比较剖析(图7)，见表1。同时对每个胶合木方案还进行了相同支配的钢构造比拟剖析。各方案的构造变形、内力、构件尺寸以及材料用量详见表2和表3。
图7 指廊胶合木屋盖方案
根据上述构造剖析，结合建筑造型哀求，选择方案1胶合木屋盖作为履行方案，图8为方案1胶合木屋盖效果图。但终极因各种缘故原由，指廊屋盖采取方案1钢构造屋盖替代了胶合木方案。
图8 方案1胶合木屋盖效果图
2.2 郑州奥体中央拍浮馆屋盖胶合木构造设计
郑州奥体中央拍浮馆平面尺寸为220m×102m，包括演习区、比赛区和不雅观众安歇区三个部分，见图9。根据不同分区的利用环境和跨度，采取了不同的屋盖构造形式。考虑拍浮区受氯离子水气影响，比赛区和演习区屋盖采取胶合木屋盖。演习区屋盖跨度34.500m，采取胶合木密肋梁；不雅观众安歇区属于干燥区，采取钢构造屋盖。因各种缘故原由终极未采取木构造。
不同方案的胶合木屋盖构造支配 表1
采取胶合木屋盖构造打算结果 表2
采取钢构造屋盖构造打算结果 表3
图9 拍浮馆屋盖构造平面示意图
比赛区屋盖的跨度最大，达64.750m，且两端支座标高不一致。针对屋盖特点，提出了一种新型的交叉张弦胶合木网格屋盖构造，由胶合木桁架上弦、下弦、竖腹杆、钢拉杆及钢拉索等组成，详见图9～11。
图10 拍浮馆比赛区交叉张弦胶合木网格屋盖效果图
图11 交叉张弦胶合木网格屋盖
该屋盖的胶合木桁架上弦交叉支配，供应了较好的面内刚度(图12(a))；胶合木桁架下弦阵列平行支配，空中有两点与上弦相交(图12(b))；桁架斜置竖腹杆采取胶合木或钢杆，连接高下弦，形成空间桁架构造(图12(c))；两端部的斜向钢拉杆和中部下弦索提高构造的抗剪能力、竖向刚度及承载力(图12(d))。
图12 交叉张弦胶合木网格构成图
拍浮馆比赛区屋盖选型时，对三种不同的构造方案进行了剖析比较。个上钩划A为上述履行的屋盖体系；方案B为钢构造，支配与方案1相同；方案C将方案1中部的钢拉索取消。同时对胶合木方案，考虑构件运输长度不超过17m，桁架下弦现场拼接点按刚接节点和铰接节点进行打算。三种方案的构造参数见表4，力学性能剖析比拟见表5。
由打算剖析可知，三个构造模型都是可行的，所有指标均知足规范哀求；取消中部钢拉索的构造竖向刚度丢失较多，须要较大幅度地加大构件截面。
不同屋盖构造方案参数 表4
不同屋盖构造方案打算结果 表5
注：D为恒荷载，L为活荷载，W为风荷载；挠跨比限值为1/250，应力比限值为0.8。
2.3 四川航空基地活动中央屋盖胶合木构造设计
四川航空基地活动中央(简称川航活动中央)紧张用场为篮球、羽毛球和乒乓球场。川航活动中央屋盖平面投影为椭圆形，长轴82.4m，短轴48.4m，采取交叉张弦胶合木拱构造,交叉木拱最大矢高为4.05m，最小矢高1.4m，下弦索垂度2m，最大矢跨比约为1/12，见图13～15。
图13 屋盖俯视图
图14 屋盖侧视图
图15 交叉张弦胶合木拱构造
川航活动中央木拱采取花旗松胶合木，强度等级为TCT32，截面为240mm×750mm，钢拉索为φ48的1 670MPa级高钒索，钢撑杆截面为φ133×4，钢系杆截面为φ133×4。构造静力剖析结果见表6。木拱最大应力比为0.44。
川航活动中央屋盖构造打算结果 表6
对屋盖构造进行整体稳定屈曲剖析，考虑构造初始毛病的双非线性屈曲荷载系数为3.25，屈曲模态为中间榀木拱的面外屈曲。图16为建成实景图。
图16 川航活动中央屋盖建成实景图
2.4 新疆石河子体育公园拍浮馆屋盖胶合木构造设计
新疆石河子体育公园拍浮馆及附属配套总建筑面积为14 333m2，为乙级中型拍浮馆，包括比赛池、热身池、大小戏池塘等。拍浮馆平面呈梭形，主体构造平面尺寸约为230.5m×88.2m。地下两层，地上两层，屋盖构造最高点约22.610m。拍浮馆屋盖分为南北侧：北侧为主门厅，屋盖采取钢构造；南侧为水上功能区(图17)，屋盖采取胶合木斜柱张弦梁三铰拱架构造(图18)。南侧胶合木屋盖跨度为38.5～69.8m，个中胶合木张弦梁跨度为32.0～57.5m。胶合木强度等级为TCT32，张弦梁上弦为双拼胶合木梁，截面为400×1 000～400×1 400，钢拉索为1 670MPa级密封钢丝绳，截面采取φ66和φ72两种规格。胶合木斜柱也为双拼，截面为400×1 200～400×1 400。项目培植中。
图17 南侧胶合木屋盖
图18 南侧胶合木屋盖剖面图
打算剖析结果为：胶合木梁最大应力比0.77，胶合木柱最大应力比为0.60；考虑构造初始毛病的双非线性极限荷载系数大于2.5。知足设计哀求。
03
大跨度木构造设计须要完善的几点问题
3.1 构造用木材本构模型
木材是一种天然成长的纤维束非均质材料，其材料的力学性能离散性大，且各向异性。木材的力学特性与诸多成分有关，如树种类型、木材含水率、构件尺寸大小等，确定合理的本构模型是大跨木构造有限元剖析的关键。木材在顺纹受拉时的毁坏表现为脆性断裂，其应力-应变呈线性变革，可视其存在线性的本构关系；但在顺纹受压时的应力-应变曲线表现为非线性，存在软化阶段；横纹受压时，木材又会被压密导致硬化，总体来看，木材的受压性能本构关系较受拉繁芜，呈非线性关系[7]。要精确认识木材各向异性，抗拉、抗压强度不等，受拉或受剪时发生脆性毁坏，受压时发生塑性变形等特性。针对不同问题，研究职员提出了单轴和多轴受力状态下，考虑弹塑性、粘弹性、机器吸湿、损伤等多种成分的本构模型[8]，但目前还未有公认的统一木材本构模型。在工程实践中，将构造构件的应力水平掌握在弹性阶段，当对大跨木构造进行整体剖析时，可采纳木材的单向本构模型，选取空想弹塑性模型，该模型纤维单元对木构造受弯的仿照比较准确。但在进行节点剖析时，为了仿照木材的屈从和毁坏，还须要采取三向本构模型。因三向本构模型繁芜，须要针对所剖析的构件尺寸和选用材料，通过试验去得到，参数浩瀚，本钱较高。因此研究一种简化且统一的木材本构模型，是亟待须要办理的问题，可使打算结果在担保精度的条件下，设计事情更加高效和易用。
3.2 节点力学性能研究
节点连接设计是木构造设计的关键部分。对大跨木构造建筑，常日木构件长度较大，会受到道路运输限定，须要在工厂对构件进行分段，然后运输至现场进行连接，连接节点就尤为主要。大跨木构造的节点形式紧张有钢插板(夹板)螺栓(销)节点、植筋节点、长自攻螺钉节点等。这些节点常日都为半刚性节点[9]。关于节点的力学性能，海内学者已开展了大量的试验和理论研究，研究紧张集中在节点的毁坏模式、弯矩-转角关系等方面，并对特定的节点形式提出了承载力和刚度打算方法[10-11]。由于木材自身材性繁芜，节点的力学性能受构件木材密度、尺寸、布局等诸多成分的影响，以是节点的通用性还有待进一步研究。
3.3 蠕变和湿度的影响研究
木材的力学性能会随韶光发生变革，尤其是在高应力水平的持续浸染下，木构造会发生蠕变。设计时，需选取得当的构造体系以减少蠕变对构造整体性能的影响，同时采纳相应的布局方法减少蠕变的影响[12-13]。其余木材材性会受环境影响,尤其是湿度影响。环境湿度的变革会导致木构造几何尺寸发生细微变革，可能会使构造和构造受力有变革[14]。由于木材不受氯离子的影响，以是拍浮馆中利用木构做作为大跨屋盖具有上风，但因木材干缩湿涨的特性，拍浮馆采取木构造时应考虑湿度对构造受力性能的影响。胶合木蠕变和干缩湿涨问题须要进一步研究。
3.4 整体稳定屈曲剖析
目前，海内尚未有针对大跨木构造整体稳定屈曲剖析的干系规范。构造设计时，一样平常参照行业标准《空间网格构造技能规程》(JGJ 7—2010)[15]中大跨钢构造的打算方法，对大跨木构造进行整体稳定屈曲剖析，其弹塑性屈曲安全系数K取为2.0。该方法及取值是否合理，还需开展进一步研究事情。
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结 语
木材作为一种低碳、温暖、有生命力的建筑材料，可为建筑师供应更多的创作空间。在国家“3060目标”双碳背景下，木构造因其绿色低碳的特点，也受到越来越多建筑师的关注，如东京奥运会的多个体育场馆采取了大跨度胶合木构造建造，海内近几年也有越来越多的大跨度胶合木构造在公共建筑项目中落地履行。与此同时，大跨木构造构造设计理论和技能完善是支撑当代大跨木构造发展的根本，海内须要开展更多的研究事情来推动大跨度胶合木构造的发展。
评析：木构造海内虽然起步早，但是多存在于古建筑，当代建筑运用不多，包括目前海内部分高档院校也很少系统学习木构造课程，这篇论文也是木构造论文的佳作。
注：该篇文章转载自“《建筑构造》（2021年第17期）《大跨度胶合木构造设计探索》冯远、龙卫国、欧加加、张彦、廖理安、王立维、杨文、陈迪”，仅用于分享学习，如涉及侵权，请联系删除！
