6g坊Sichuan Building Materials 第47卷第1期2021年1月
Vol.47,No.l
January,2021
雍博昭
(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海200092)
摘要：钢木组合结构作为新型结构形式的一种，材料分布
及作用的机理一直是结构设计中的热点。本文通过对钢木
组合结构案例进行分析梳理，对钢材与木材在大跨度结构中
的组合与分布特点进行研究。
关键词：大跨度空间结构；钢木组合结构；
中图分类号:TU755.2文献标志码:A
文章编号：1672-4011(2021)01-0058-02
DOI：10.3969/j.issn.1672-4011.2021.01.028
木材结构受限于本身强度，选用时要尽量利用材料受压
强度，减少受弯和受剪。在大跨度结构设计中，尽量选用木
材受压的结构体系，提高木材的力学效率，以拱结构和网壳
结构体系作为大跨度木结构首选的结构体系，对于弯矩或者
推力较大的结构部分，可以通过布置拉索，减小弯矩并提高
结构的极限承载力。
般包含的形式如：柱脚支座连接节点、木结构构件连接节点
和其他相贯节点等。
2钢木组合结构的应用特点
2.1材料的力学特性
承重结构用木材分为用于普通木结构的原木、方木和板
材，胶合木三大类，大跨度钢-木组合结构一般选用胶合木
作为承重工程木材。
通过对胶合木及钢材弹性模量对比分析可知，木材的强
度和弹性模量约为钢材的1/20，密度约为钢材的1/15，因
钢结硬质合金此，木结构可根据整个结构体系的经济性，选择合适的钢木
组合结构体系。大跨度钢木组合结构可根据跨度、结构体系
和建筑效果选择适宜的钢木组合结构形式。
表1钢-胶合木材料性能对比表
材尉抗压强度/抗剪强度/弹性模量/密度/
(N•mm_2)(N•mm_2)(N•mm_2)(kg•m_3)
钢力学指标310(Q345)170(Q345) 2.06xlO57850
胶合力学指标木
木/钢
23.2
(TC t40)
2.2
(TC t40) 1.25xo4400-600 1/151/801/151/15
注：表中木材的力学指标采用针叶材的锯材最高强度等级TC17o常用胶合木的抗压强度应比锯材提高40%左右。
2.2材料的组合方式
2.2.1连接节点采用钢材
为了便于连接、传力直接，木结构的节点通常采用钢节点，常见的节点按期结构作用归类可分为，柱脚支座节点、梁柱连接节点及梁梁连接节点和索夹连接节点四种。
收稿日期：2020-12-08
作者简介：雍博昭(1989—)，男，天津人，硕士，主要研究方向：大跨度钢结构。
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1)节点案例一：柱脚连接节点，美国剧院米德中心的竞技场舞台。
玻璃钢酸洗槽
位于美国华盛顿的美国剧院米德中心的竞技场舞台的新的剧院结构为木/玻璃索支撑的幕墙系统组成。此项目建筑师为Bing Tom Architects，结构工程师为Fast&Epp。通过布置幕墙柱脚节点，一方面优化了木结构截面效果，在空间上带来了一种轻盈感，同时采用的铸钢节点本身也为节点造型带来了更大的溢出，体现了结构的艺术美感(见图l)o
图1美国剧院米德中心的竞技场舞台幕墙柱脚节点
2)节点案例二：梁梁连接节点，崇明体育训练中心游泳馆。
我国上海市崇明体育训练中心游泳馆建筑造型为矢跨比比较小的筒壳，内部不装饰。建筑跨度45m。建筑功能是无看台游泳馆。其结构采用钢木组合的交叉网格壳体结构，节点刚度直接影响着结构体系的传力和整体结构的刚度；游泳馆由最初的节点系统优化为新的节点系统，提高了结构的安全性，同时可以减小结构构件的截面尺寸；优化后的节点螺栓抗弯，钏钉抗剪，节点刚度对结构的极限承载力影响小(见图2)。
(a)第一次优化后节点(b)第二次优化后节点
图2崇明体育训练中心游泳馆梁梁连接节点
3)节点案例三：索夹连接节点，崇明体育训练中心游泳馆。
为了使中央木结构以受压为主，减少对单层网壳节点刚度的依赖，木结构下部布置拉索形成张弦结构(见图3)。
图3崇明体育训练中心游泳馆索夹连接节点
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第47卷第1期6送坊Vol.47,No.l 2021年1月Sichuan Building Materials January,2021
2.2.2受力较大的位置采用钢材
采用桁架作为基本单元，对桁架结构中受拉力作用的杆件进行替换，以提高结构整体的承载能力，是最常见的一种钢-木组合形式。
1)案例一：苏格兰议会大厦。苏格兰议会大厦，由建筑师Enric miralles和Benedetta Tagliabue设计，建筑面积30000 m2o项目以“船”为设计意向，而由于木和船之间千丝万缕的联系，项目从设计的基因开始即融入了大量的木和索的元素。
议事厅的屋盖跨度约40m，主结构采用钢-木组合桁架结构形式，上弦受压部分杆件采用木结构鱼腹梁布置，腹杆采用木结构，下弦杆采用钢结构交叉拉索布置，建筑外表皮采用不锈钢饰面，通过次结构传递到主桁架及预支混凝土组合楼板上，体系精巧，具有韵律感，议事厅入口处的雨棚通过设置于木桁架顶部的立柱与错，从体系层面对钢-木材料进行组合。
议事厅屋盖结构，通过对木桁架进行结构替换，将原本设置于底端的拉杆采用拉索进行替换，在保证截面的前提下，提高了木结构桁架的跨越能力，在杆件连接方面，为了兼顾可靠度及成本，采用了特制的钢结构較接点连接，在满足建筑表皮设计要求的前提下，兼顾了结构和建筑的双重要求，见图4。
木构件
(a)钢木组合桁架模型示意(b)组合桁架断面示意图
图4苏格兰会议大厦议事厅结构体系展示
2)案例二：贝里圣埃德蒙兹礼堂。Apex礼堂位于英国萨福克郡贝里圣埃德蒙兹，该地是英国保存最完好的历史集镇之一，圣埃德蒙兹的许多历史建筑是木制的，因而木质成为了该方案核心的要求。
礼堂于2011年建成，其屋盖高度为7.5m，采用西伯利亚落叶松作为框架材料制成，三个相交的开放式
双坡屋顶空间环绕着礼堂的盒子，通过制作和柱头上的弹簧的组合来保持隔音。礼堂的屋盖采用钢木组合桁架结构，通过对结构施加预应力，使用钢索替代桁架结构的下弦拉杆和腹杆，桁架底部节点采用特制的钢制连接件连接而成，在满足结构承载能力和安全储备的前提下，提高了空间的通透性，室内感官轻巧、舒适，见图5。
图5Apex礼堂结构体系展示
3)案例三：喀山游泳馆项目。喀山游泳馆主场馆长187. 5m，宽为84m，中心内的泳道和看台均被一个巨大的波纹状动态感十足的屋顶所覆盖。中心的最大容量可达到3 540人。
建筑主结构采用钢-木组合设计，半弧状的木质板上配置了較链设计，最终形成了具有传统设计风格的轍靶架构。这种木质板材的设计一方面可以满足环保的设计需求，同时这种可持续利用的资源非常便于回收利用，另外木质的结构有着极高的防潮功用，见图6。U盘笔
(a)盖钢木组合张弦梁(b)结构受力示意简图
电缆转接箱图6俄罗斯喀山游泳馆
2.2.3主结构体系利用钢材，木材做覆盖材料
1)位于加拿大列治文的列治文奥运滑冰馆的建筑造型为单曲筒壳，建筑跨度100m o跨度100主结构采用V形中空钢拱，满足建筑空间要求，室内视觉效果干净；钢拱外包木板，室内建筑风格统一;V形中空横截面钢拱内隐藏加热、通风、空调、管道、声学、电气和照明系统，见图7。
.「
7
(a)钢木组合结构拱结构构件(b)结构构件断面图
图7滑冰馆的钢木组合结构构件
3结论
在“适用、经济、美观、绿”原则的指导下，大跨度钢木组合结构通过钢与木的不同组合形式，拓展了木结构的应用范围和结构形式，通过结构体系和构件形式创新，并注重节点细部设计，从而设计出更多结构与建筑造型、室内环境相吻合的木结构建筑。通过对木材及钢材材料特性的研究及对工程案例的分析，可以得出钢材和木材组合的基本原则如下。
首先，以木材作为主要结构材料的体系中，应充分考虑木材本身的材料特性和力学性能，对于大部分
的受压构件可以采用木结构加工，对于受拉构件及收弯构件的受拉部分应采用钢结构作为主要材料制作。
其次，以木材作为主要结构材料的构件中，应同时考虑到木结构材料不均一的特点，在局部集中力较大处，或受到应力冲击较大处也应采用钢结构进行加工，从而提高结构可靠度。
最后，在超大型的大跨度结构空间中，为了实现建筑内装效果及整体效果，对于木结构的应用可以更多地发挥其材料美学特性，主体结构受力应采用钢结构对高应力区域及受到往复力区域进行替代，在满足空间及功能的前提下，极大地扩展木材的跨度极限，扩大木材的应用范围。
[ID：010819]参考文献:
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