當前位置:首頁 > 專欄 > 木結構建筑 >

                    鋼木組合桁架拱結構體系在公共建筑中的應用

                    鋼木組合桁架拱結構體系在公共建筑中的應用

                    打印 0條評論來源:建筑技術雜志社

                    近年來,鋼木組合空間結構在國內外發展迅速,已在會展中心、體育場館、影劇院、站臺雨篷、工業廠房中得到廣泛應用。隨著人們對使用功能及建筑效果的追求,對結構高度及跨度也提出了更高的要求,而實現大跨度空間最好的結構形式為拱結構。弦桿采用膠合木,用于抗壓及維持整體穩定性。腹桿受力復雜,采用各向同性的鋼結構符合力學要求,兩者之間形成了鋼木組合桁架拱結構體系,鋼結構表面通過仿木紋油漆工藝技術處理,可達到木材的視覺效果。通過兩種材質之間的節點連接構造技術,可充分發揮兩種材質的優勢,促進現代大跨度鋼木組合結構建筑的發展,實現豐富多彩的建筑形態。


                    1?工程概況


                    某博覽園主展館鋼木棚架結構模型,屬于公共建筑,總建筑面積131?769?m2。G1~G5室外共5個棚架,結構形式為鋼木組合桁架拱結構(圖1)。

                    圖片

                    圖1?鋼木棚架結構模型


                    單個展館軸測圖如圖2所示,上弦桿為雙拼的歐洲落葉松膠合木,下弦桿為歐洲云杉膠合木,鋼腹桿為Q355B鋼板切割后組焊而成的三角形結構。桁架拱之間連接的檁條為歐洲云杉。5個棚架的結構體系均為異形幾何體,每跨桁架的跨度和高度均不一致,共計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為3?450?mm。膠合木最大截面尺寸為280?mm×1?120?mm,鋼板最大厚度為85?mm。


                    圖片

                    圖2?單個展館軸測示意


                    鋼木桁架典型節點如圖3所示,根據建筑設計的要求,鋼木組合桁架拱的結構體系均為異形幾何體。每跨桁架的跨度和高度的變化,體現到桁架本身,造成了上下弦桿和腹桿的變化。具體表現在膠合木梁的弧度、位置和腹桿的連接角度的不同。因對截面的削減嚴重,利用傳統的榫卯連接形式很難滿足大跨度結構的受力要求。近年來,成熟的對穿螺栓連接工藝能夠滿足結構受力要求,但成千上萬個外露部分的螺栓影響整體的建筑效果,因此基于高強螺釘、銷栓隱藏連接的工藝設計,是控制建筑效果和結構體模型的合理方法。


                    圖片

                    圖3?鋼木桁架典型節點示意


                    2?鋼木連接節點理論分析


                    鋼材具有力學性能穩定、各向同性且強度高、材質均勻、便于加工、截面形式多樣、抗震性能好等優點,是一種非常優異的結構用材。鋼結構中存在的關鍵問題主要集中于“穩定”及“防火”。同時,木材輕質高強且綠色低碳,保溫性能和抗震性能優異,是一種非常環保的結構用材,其優異的受壓性能尤其適用于大跨度結構。


                    當然,木結構中存在的關鍵問題主要為節點處結構受力復雜及脆性破壞問題。因木材本身材質各向異性,抗拉強度低,節點連接強度損失嚴重,所以木構件仍不適于受拉。而且傳統的木與木節點由于連接處的截面削弱,節點體積龐大,構造復雜,受力不均,限制了現代純木結構在大型公共建筑中的應用。


                    鋼木結構通過不同的連接方式進行組合,可達到發揮各自力學性能的優勢,鋼木連接節點在大跨度鋼木結構中發揮著重要作用。木結構與鋼結構相似,但木材通常不能用鋼結構中典型的簡單焊接或螺栓連接。銷釘和銷栓等新型金屬連接件和節點的出現符合以上要求,并實現了結構與美觀的統一,這也是將來鋼木構件節點連接的一種趨勢。


                    鋼木組合結構一般是木結構既作為結構受力構件,也同時作為外飾面,通過外表進行防火防腐處理,可達到設計要求的防火防腐功能。設計時若首先滿足結構受力,再增加木構件的截面尺寸,可以形成足夠厚的碳化層,能夠滿足不同等級防火要求。


                    鋼結構的防火防腐涂裝材料及施工更是成熟的技術,所以鋼木結構組合在一起形成一種新型可靠的受力體系,同時也滿足了防火防腐功能,是一種值得大力推廣的新型材料組合體系。


                    3?鋼木連接節點


                    農博園主展館鋼木組合桁架拱結構體系采用了很多新型鋼木連接構造節點,確保了工程順利完工并實現了建筑效果。主要節點連接形式為:大斷面膠合木螺釘連接節點、鋼蓋板與膠合木連接節點、膠合木與型鋼隱藏式銷栓連接節點。


                    用螺釘、銷栓進行鋼木構件之間的連接既能滿足節點強度和剛度的要求,同時因螺釘、銷栓隱藏在木材內部,也保證了木材作為外飾面的美觀,所以螺釘、銷栓連接將成為一種鋼木組合結構發展的趨勢。


                    3.1?大斷面膠合木螺釘連接節點


                    受限于工廠對大跨度曲線形構件的預制條件及運輸條件,膠合木弧梁構件需多段拼接,所以拼接節點不可避免(圖4)。膠合木材料選用歐洲進口云杉及落葉松,強度等級GL–24?h,自攻螺釘選用某公司 VGS 系列產品。螺釘規格型號數量根據構件的截面尺寸及受力情況由設計給定。最小直徑螺釘為M6×200?mm,最大直徑螺釘為M13×800?mm。不同規格型號的螺釘按照使用功能的不同分為4種,分別為定位功能(角度30?°)、抗剪功能(角度90?°)、抗拉彎功能(角度45?°)、抗裂功能(角度90?°)。全部膠合木弧梁在歐洲工廠數控加工而成,其中膠合木弧梁之間企口連接形式也在工廠精密加工完成。


                    圖片

                    圖4?大斷面膠合木螺釘連接節點示意


                    在釘孔位置工廠化數控定位進行設置引孔,確保安裝現場鉆孔位置精準,排列美觀。引孔的深度為50?mm,直徑比設計螺釘直徑小2?mm。在現場桁架拱拼裝完成后進行螺釘的鉆孔及施擰工作,需要精準確定釘孔的角度、深度、直徑及最終施擰的力矩。全部螺釘均嵌入膠合木內部,施擰完畢后進行隱蔽工程驗收,驗收合格后在釘帽處進行防火防腐密封,最終形成與膠合木一樣的顏色紋理,達到美觀統一的建筑視覺效果。


                    3.2?鋼蓋板與膠合木連接節點


                    每榀桁架拱均由3根大截面膠合木弧梁組成,其中上弦1根雙拼木弧梁,下弦2根木弧梁。上下弦之間通過多個間隔排列的鋼三角腹桿連接組成,鋼腹桿與膠合木弧梁側面的節點(圖5)對桁架拱的整體性能至關重要,其力學性能直接決定3根膠合木弦桿是否能夠很好地協同工作。

                    圖片

                    圖5?鋼蓋板與膠合木連接節點示意


                    鋼腹桿通過鋼蓋板與木弧梁弦桿相連,連接件采用自攻螺釘。膠合木材料選用歐洲進口云杉及落葉松,強度等級GL–24?h,自攻螺釘選用某公司VGS系列產品。鋼蓋板選用國產Q?355碳鋼板,經數控激光切割下料、邊緣加工后三維數控鉆床制孔成型。


                    螺釘的規格型號數量、鋼蓋板的厚度尺寸根據膠合木構件的截面尺寸及受力情況由設計給定。不同規格型號的螺釘按照使用功能的不同分為定位功能(角度90?°)、抗剪功能(角度90?°)、抗拔功能(角度45?°)3種。全部膠合木弧梁在歐洲工廠數控加工而成,其中膠合木弧梁與鋼腹桿連接的鋼蓋板凹槽在工廠精密加工完成。全部螺釘施擰完畢后進行隱蔽工程驗收,驗收合格后在鋼蓋板與釘帽處進行防火防腐密封,最終鋼蓋板與釘帽面漆層的外表面與膠合木齊平,達到美觀統一的建筑視覺效果。


                    3.3?膠合木與型鋼隱藏式銷栓連接節點


                    每榀鋼木組合桁架拱上下木弦桿是通過型鋼與承臺基礎預埋板進行連接固定,桁架拱支座處水平力及豎向力通過型鋼傳遞給鋼筋混凝土基礎。同時在地震及風載作用下,支座處節點將發生往復運動,其耗能能力及抵抗疲勞破壞能力顯得非常關鍵。支座處鋼木連接節點的性能對結構整體力學性能尤為重要。


                    本工程膠合木材料選用歐洲進口云杉及落葉松,強度等級GL–24?h,銷栓選用20號碳鋼、表面進行熱鍍鋅處理。型鋼支座選用國產Q?355碳鋼板,經數控激光切割下料、邊緣加工后組焊成箱形柱。與銷栓連接的鋼插板選用國產Q?235碳鋼板,經數控激光切割下料后與箱形柱焊接成一體。


                    銷栓的規格型號數量、鋼板的厚度尺寸根據膠合木構件的截面尺寸及受力情況由設計給定。上下弦膠合木弧梁支座與鋼插板連接槽孔在歐洲工廠數控加工完成,到現場與鋼插板配鉆制孔,利用液壓千斤頂將12?mm×240?mm的銷栓采用軸孔過盈組合方式壓入膠合木內。全部銷栓壓入完畢后進行隱蔽工程驗收,驗收合格后進行防火防腐密封處理,銷栓隱藏在膠合木內部不顯現,可達到美觀統一的建筑視覺效果。


                    4?結束語


                    木材因其在結構與美學方面的優越性能以及在生態環境上的獨特優勢,一直是備受青睞的建筑材料。但因木材本身各向異性、不宜受拉、節點處脆性破壞等缺點,單獨使用在大跨度結構中很難實現。所以將鋼材與木材合理地組合,通過有針對性的設計,最大限度地發揮鋼材與木材各自的性能優勢,同時有效規避兩者的劣勢,形成集美觀、合理、經濟、環保于一體的大跨度鋼木組合結構,組成裝配程度較高、綠色環保的建筑物是極具生命力的研究及實踐方向。


                    將鋼與木合理美觀地連接在一起共同受力是關鍵的核心技術問題,仍需要開發和研究更先進的鋼木連接節點形式。鋼木連接節點技術的逐漸發展,將帶動更大跨度、更大高度的鋼木組合結構發展。


                    摘自《建筑技術》2023年5月,苗子良


                    延伸閱讀:

                    傳統綠色建材再次沖擊“頂流” 低碳木結構建筑煥發生機 重型木結構建筑的三大創新研究 古代木結構建筑有哪些抗震減震設計

                    (1) 凡本網注明“來源:預制建筑網”的所有資料版權均為預制建筑網獨家所有,任何媒體、網站或個人在轉載使用時必須注明來源“預制建筑網”,違反者本網將依法追究責任。 (2) 本網轉載并注明其他來源的稿件,是本著為讀者傳遞更多信息之目的,并不意味著贊同其觀點或證實其內容的真實性,請讀者僅作參考,并請自行核實相關內容。其他媒體、網站或個人從本網轉載使用時,必須保留本網注明的稿件來源,禁止擅自篡改稿件來源,并自負版權等法律責任,違反者本網也將依法追究責任。 (3) 如本網轉載稿涉及版權等問題,請作者一周內書面來函聯系。

                    [責任編輯:Susan]

                    評論總數 0最新評論
                    正在加載內容,請稍等...
                    0條評論發表評論

                    所有評論僅代表網友意見,預制建筑網保持中立。

                    連接件
                    三一
                    江蘇龍騰工程設計有限公司
                    三级在线看中文字幕完整版 <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>|