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胶合木大跨度木结构类型

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,通常是由四层或四层以上的木层板叠层胶合而成,可被加工成不同的形状,如变截面构件、弧形或自由曲线形构件等,克服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缺陷,胶合木缺陷分布更加均匀,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多年应用历史,在欧洲和北美地区被广泛用于大跨结构,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,大跨胶合木结构开始逐渐在我国的一些工程中得到应用。1989年,北京亚运村康乐宫嬉水乐园的60m跨度屋盖采用了胶合木结构;同年,四川省江油电厂88m跨度干煤棚也采用了胶合木结构。近几年,在国内大空间公共建筑采用大跨木结构的项目更是日渐增多,如已投入使用的长春市民中心游泳馆、天津华侨城欢乐谷演艺中心木结构网壳、太原植物园木结构、云南太平湖国际会议中心等项目都采用了木结构屋盖。

 

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      大跨度木结构类型

 

大跨木结构的分类方法有很多,根据使用材料可分为大跨纯木结构、大跨钢木混合结构;根据受力单元可分为杆单元结构、梁单元结构、板壳单元结构;根据受力方式可分为大跨平面木结构体系、大跨空间木结构体系。下文介绍几种常见的大跨度木结构类型。

 

1.1 木桁架结构

 

木桁架结构是由木杆件组成的一种格构式体系,节点多为铰接,在外力作用下,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,其中钢木桁架通常应用在跨度较大的屋盖中,通常将下弦杆用圆钢或型钢替代,由于木材受拉破坏属于脆性破坏,且钢材的强度和弹性模量远高于木材,采用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跨越。木桁架根据构件的空间布置可以分为空间木桁架和平面木桁架,其中平面木桁架在工程中应用较多,根据其外形分为三角形、矩形、梯形以及多边形等类型,具体外形根据屋面构造、跨度、造型等因素确定。图1为上海某工程采用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 木网架结构

 

木网架结构与钢网架结构一样,是由多根木杆按照一定规律组合而成的空间网格杆系结构。在节点处一般使用钢连接件连接木杆,常见的连接方式有螺栓连接和植筋套筒连接等。木网架结构具有空间刚度大、构件规格统一等特点,多用于公共建筑中。木网架结构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用了木网架结构,1988年建造完成,最大跨度达56m,见图2。

 

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△ 图2 日本小国町民体育馆木网架

 

1.3 木网壳结构

 

木网壳结构是指将木构件沿球面或柱面有规律布置而形成的空间结构体系,其受力特点与薄壳结构类似,大部分荷载由网壳杆件轴力承受[1]。木杆可以为直线形,也可以为曲线形来接近球面或柱面的效果。球面网壳的造型美观、受力合理、跨度大,非常适合运动场等大型公共建筑,是大跨度空间木结构的理想形式[4]。美国塔科马穹顶采用了球面木网壳结构,直径达162m,建筑物最高处达45.7m,由三角形木网格组成,主要构件采用弯曲形,通过钢夹板节点连接,用木檩条支撑屋面,于1980年建成,为目前全球最大的单层胶合木网壳结构,见图3。

 

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△ 图3 塔科马穹顶木网壳

 

1.4 木拱结构

 

木拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线形平面结构,是实现大跨度较为经济的结构体系。木拱结构可以充分发挥材料性能。水平推力的存在有效地降低了构件弯矩,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结构的整体剪力,使结构内部剪应力减小,应力分布均匀,因而木拱结构同样是大跨度木结构的理想形式。胶合木是制作木拱结构的理想材料,可以实现大跨度木拱所需要的较大截面,同时,胶合木可以方便地制作成曲线形构件,满足几何形状要求。图4为四川省江油电厂干煤棚胶合木拱结构,胶合木拱结构跨度为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。

 

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△ 图4 四川省江油电厂干煤棚胶合木拱结构

 

1.5 木张弦结构

 

木张弦结构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结构,它主要由三部分组成,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。柔性索一般为钢索,张弦结构中钢拉索参与工作,使木张弦构件刚度大于单纯刚性构件的刚度,同时调整了木构件的内力分布,可以使木材强度得到充分发挥。木张弦结构为自平衡受力体系,需要钢弦在木构件端部可靠锚固[5-6]。木张弦结构也被广泛应用于大跨度的体育场馆、会议厅、展馆等建筑。图5为长春全民健身中心游泳馆木张弦结构。

 

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△ 图5 长春全民健身中心游泳馆木张弦结构

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