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钢木组合桁架拱结构体系在公共建筑中的应用

钢木组合桁架拱结构体系在公共建筑中的应用

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近年来,钢木组合空间结构在国内外发展迅速,已在会展中心、体育场馆、影剧院、站台雨篷、工业厂房中得到广泛应用。随着人们对使用功能及建筑效果的追求,对结构高度及跨度也提出了更高的要求,而实现大跨度空间最好的结构形式为拱结构。弦杆采用胶合木,用于抗压及维持整体稳定性。腹杆受力复杂,采用各向同性的钢结构符合力学要求,两者之间形成了钢木组合桁架拱结构体系,钢结构表面通过仿木纹油漆工艺技术处理,可达到木材的视觉效果。通过两种材质之间的节点连接构造技术,可充分发挥两种材质的优势,促进现代大跨度钢木组合结构建筑的发展,实现丰富多彩的建筑形态。


1 工程概况


某博览园主展馆钢木棚架结构模型,属于公共建筑,总建筑面积131 769 m2。G1~G5室外共5个棚架,结构形式为钢木组合桁架拱结构(图1)。

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图1 钢木棚架结构模型


单个展馆轴测图如图2所示,上弦杆为双拼的欧洲落叶松胶合木,下弦杆为欧洲云杉胶合木,钢腹杆为Q355B钢板切割后组焊而成的三角形结构。桁架拱之间连接的檩条为欧洲云杉。5个棚架的结构体系均为异形几何体,每跨桁架的跨度和高度均不一致,共计77榀巨型拱。G1跨度最大(117.65 m),G5高度最高(43.768 m)。三角桁架最大截面尺寸为3 450 mm。胶合木最大截面尺寸为280 mm×1 120 mm,钢板最大厚度为85 mm。


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图2 单个展馆轴测示意


钢木桁架典型节点如图3所示,根据建筑设计的要求,钢木组合桁架拱的结构体系均为异形几何体。每跨桁架的跨度和高度的变化,体现到桁架本身,造成了上下弦杆和腹杆的变化。具体表现在胶合木梁的弧度、位置和腹杆的连接角度的不同。因对截面的削减严重,利用传统的榫卯连接形式很难满足大跨度结构的受力要求。近年来,成熟的对穿螺栓连接工艺能够满足结构受力要求,但成千上万个外露部分的螺栓影响整体的建筑效果,因此基于高强螺钉、销栓隐藏连接的工艺设计,是控制建筑效果和结构体模型的合理方法。


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图3 钢木桁架典型节点示意


2 钢木连接节点理论分析


钢材具有力学性能稳定、各向同性且强度高、材质均匀、便于加工、截面形式多样、抗震性能好等优点,是一种非常优异的结构用材。钢结构中存在的关键问题主要集中于“稳定”及“防火”。同时,木材轻质高强且绿色低碳,保温性能和抗震性能优异,是一种非常环保的结构用材,其优异的受压性能尤其适用于大跨度结构。


当然,木结构中存在的关键问题主要为节点处结构受力复杂及脆性破坏问题。因木材本身材质各向异性,抗拉强度低,节点连接强度损失严重,所以木构件仍不适于受拉。而且传统的木与木节点由于连接处的截面削弱,节点体积庞大,构造复杂,受力不均,限制了现代纯木结构在大型公共建筑中的应用。


钢木结构通过不同的连接方式进行组合,可达到发挥各自力学性能的优势,钢木连接节点在大跨度钢木结构中发挥着重要作用。木结构与钢结构相似,但木材通常不能用钢结构中典型的简单焊接或螺栓连接。销钉和销栓等新型金属连接件和节点的出现符合以上要求,并实现了结构与美观的统一,这也是将来钢木构件节点连接的一种趋势。


钢木组合结构一般是木结构既作为结构受力构件,也同时作为外饰面,通过外表进行防火防腐处理,可达到设计要求的防火防腐功能。设计时若首先满足结构受力,再增加木构件的截面尺寸,可以形成足够厚的碳化层,能够满足不同等级防火要求。


钢结构的防火防腐涂装材料及施工更是成熟的技术,所以钢木结构组合在一起形成一种新型可靠的受力体系,同时也满足了防火防腐功能,是一种值得大力推广的新型材料组合体系。


3 钢木连接节点


农博园主展馆钢木组合桁架拱结构体系采用了很多新型钢木连接构造节点,确保了工程顺利完工并实现了建筑效果。主要节点连接形式为:大断面胶合木螺钉连接节点、钢盖板与胶合木连接节点、胶合木与型钢隐藏式销栓连接节点。


用螺钉、销栓进行钢木构件之间的连接既能满足节点强度和刚度的要求,同时因螺钉、销栓隐藏在木材内部,也保证了木材作为外饰面的美观,所以螺钉、销栓连接将成为一种钢木组合结构发展的趋势。


3.1 大断面胶合木螺钉连接节点


受限于工厂对大跨度曲线形构件的预制条件及运输条件,胶合木弧梁构件需多段拼接,所以拼接节点不可避免(图4)。胶合木材料选用欧洲进口云杉及落叶松,强度等级GL–24 h,自攻螺钉选用某公司 VGS 系列产品。螺钉规格型号数量根据构件的截面尺寸及受力情况由设计给定。最小直径螺钉为M6×200 mm,最大直径螺钉为M13×800 mm。不同规格型号的螺钉按照使用功能的不同分为4种,分别为定位功能(角度30 °)、抗剪功能(角度90 °)、抗拉弯功能(角度45 °)、抗裂功能(角度90 °)。全部胶合木弧梁在欧洲工厂数控加工而成,其中胶合木弧梁之间企口连接形式也在工厂精密加工完成。


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图4 大断面胶合木螺钉连接节点示意


在钉孔位置工厂化数控定位进行设置引孔,确保安装现场钻孔位置精准,排列美观。引孔的深度为50 mm,直径比设计螺钉直径小2 mm。在现场桁架拱拼装完成后进行螺钉的钻孔及施拧工作,需要精准确定钉孔的角度、深度、直径及最终施拧的力矩。全部螺钉均嵌入胶合木内部,施拧完毕后进行隐蔽工程验收,验收合格后在钉帽处进行防火防腐密封,最终形成与胶合木一样的颜色纹理,达到美观统一的建筑视觉效果。


3.2 钢盖板与胶合木连接节点


每榀桁架拱均由3根大截面胶合木弧梁组成,其中上弦1根双拼木弧梁,下弦2根木弧梁。上下弦之间通过多个间隔排列的钢三角腹杆连接组成,钢腹杆与胶合木弧梁侧面的节点(图5)对桁架拱的整体性能至关重要,其力学性能直接决定3根胶合木弦杆是否能够很好地协同工作。

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图5 钢盖板与胶合木连接节点示意


钢腹杆通过钢盖板与木弧梁弦杆相连,连接件采用自攻螺钉。胶合木材料选用欧洲进口云杉及落叶松,强度等级GL–24 h,自攻螺钉选用某公司VGS系列产品。钢盖板选用国产Q 355碳钢板,经数控激光切割下料、边缘加工后三维数控钻床制孔成型。


螺钉的规格型号数量、钢盖板的厚度尺寸根据胶合木构件的截面尺寸及受力情况由设计给定。不同规格型号的螺钉按照使用功能的不同分为定位功能(角度90 °)、抗剪功能(角度90 °)、抗拔功能(角度45 °)3种。全部胶合木弧梁在欧洲工厂数控加工而成,其中胶合木弧梁与钢腹杆连接的钢盖板凹槽在工厂精密加工完成。全部螺钉施拧完毕后进行隐蔽工程验收,验收合格后在钢盖板与钉帽处进行防火防腐密封,最终钢盖板与钉帽面漆层的外表面与胶合木齐平,达到美观统一的建筑视觉效果。


3.3 胶合木与型钢隐藏式销栓连接节点


每榀钢木组合桁架拱上下木弦杆是通过型钢与承台基础预埋板进行连接固定,桁架拱支座处水平力及竖向力通过型钢传递给钢筋混凝土基础。同时在地震及风载作用下,支座处节点将发生往复运动,其耗能能力及抵抗疲劳破坏能力显得非常关键。支座处钢木连接节点的性能对结构整体力学性能尤为重要。


本工程胶合木材料选用欧洲进口云杉及落叶松,强度等级GL–24 h,销栓选用20号碳钢、表面进行热镀锌处理。型钢支座选用国产Q 355碳钢板,经数控激光切割下料、边缘加工后组焊成箱形柱。与销栓连接的钢插板选用国产Q 235碳钢板,经数控激光切割下料后与箱形柱焊接成一体。


销栓的规格型号数量、钢板的厚度尺寸根据胶合木构件的截面尺寸及受力情况由设计给定。上下弦胶合木弧梁支座与钢插板连接槽孔在欧洲工厂数控加工完成,到现场与钢插板配钻制孔,利用液压千斤顶将12 mm×240 mm的销栓采用轴孔过盈组合方式压入胶合木内。全部销栓压入完毕后进行隐蔽工程验收,验收合格后进行防火防腐密封处理,销栓隐藏在胶合木内部不显现,可达到美观统一的建筑视觉效果。


4 结束语


木材因其在结构与美学方面的优越性能以及在生态环境上的独特优势,一直是备受青睐的建筑材料。但因木材本身各向异性、不宜受拉、节点处脆性破坏等缺点,单独使用在大跨度结构中很难实现。所以将钢材与木材合理地组合,通过有针对性的设计,最大限度地发挥钢材与木材各自的性能优势,同时有效规避两者的劣势,形成集美观、合理、经济、环保于一体的大跨度钢木组合结构,组成装配程度较高、绿色环保的建筑物是极具生命力的研究及实践方向。


将钢与木合理美观地连接在一起共同受力是关键的核心技术问题,仍需要开发和研究更先进的钢木连接节点形式。钢木连接节点技术的逐渐发展,将带动更大跨度、更大高度的钢木组合结构发展。


摘自《建筑技术》2023年5月,苗子良


延伸阅读:

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