目前在国外,尤其是北美、欧洲及日本等国家及地区,已有大量可供参考的大跨度木空间结构案例,同时也已取得了一定的研究成果。相比之下,国内的应用正在逐渐扩展,近几年已有一定数量的大跨度公共建筑采用木空间结构形式,如上海崇明体育训练基地游泳馆、海口市民活动中心、天府中心(在建)、江苏省园艺博览会木结构主题展览馆、天津华侨城欢乐谷演艺中心、太原植物园(图 1.6)。
图 1.6 近年国内木空间结构项目案例
上述这些项目的落地实施,能够更进一步促进中国木结构,尤其是大跨度木结构市场的发展,为今后的工程实践提供足够多的项目先例以供参考,同时为今后的研究工作提供一定的工程依据。
近年来,国内外在木空间结构方面做了很多研究,取得了一些成果。但是木材材质复杂、空间结构多样,仍有许多值得进一步研究与探索之处。木空间结构的分析方法在很大程度上与钢结构相类似,但是木材与钢材有很多不同点,主要体现在以下几点:
(1)钢材材料较为均匀,一般可以按各向同性材料分析,而木材存在明显的各向异性。
(2)钢材在受力的初始阶段处于完全弹性状态,卸载后变形可以完全恢复;而木材是黏弹性材料,受力初期就会产生不可恢复的塑性变形。
(3)钢材在长期荷载作用下力学性能不会发生明显变化,而木材会发生明显的蠕变现象。
因此,大跨度木空间结构的研究有其特殊性。近年来,研究人员从多个方面着手,不断丰富研究成果。以下几个方面是当前的研究难点,也是必须解决的研究重点,是大跨度木空间结构中的关键技术。
木结构在加载初期由于缺陷、木纤维管压实等原因会呈现出一些不可恢复的变形,即加载初期塑性发展。这种塑性发展对不同类型的空间结构会产生不同程度的影响。同时,木结构的较大蠕变特性致使其本构关系可以继续向时间维度发展。对木材的本构关系研究经历了很长的历程,提出了许多很好的本构模型。复杂的本构关系模型固然可以得到更加准确的数值分析结果,但是会大大增加计算工作量,影响工程实用性。所以应该研究如何正确地选取合理的材料本构关系,使模拟时采用的本构关系在保证精度的前提下更加高效和易用。
目前,针对多高层木结构、轻型木结构等结构形式,已有较为成熟及常用的节点连接形式来保证节点的刚度、承载力与设计一致。事实上,随着大跨度木空间结构的推广,对于特定结构形式,如木网壳式、网架式、张弦式的木空间结构所适用的节点连接方式应当做到同步推进,尽可能满足设计要求的刚度、承载力要求。同时,设计也应当能够与实际节点性能相结合,全面考虑节点的力学性能。
大蠕变特性在木空间结构研究中是无法回避的,正确地选取结构体系可以减少蠕变对结构整体性能的影响,采取正确的结构构造措施也可以减少蠕变对整体性能的影响,如在张拉节点处可靠锚固或加固等。因此,具体的结构体系和构造措施还需要进一步研究,在结构设计时必须充分考虑设计基准期内蠕变对结构的影响。
某些特定的结构形式,如柔性木空间结构,已经有了比较系统的数值分析方法。对于其他的结构形式,可以从相应钢结构的数值分析方法中吸取经验,建立相应的数值模型。但是目前对木空间结构的试验研究很少,几乎没有试验研究可以验证这些模型的准确性,所以需要进行更多的相关试验研究。
木材具有质量轻的特点,被普遍认为是抗震性能良好的材料。但是目前尚缺乏对木空间结构动力特性的研究。木空间结构的质量分布特征及阻尼特性都与钢结构不同。由于所受地震力相对小,对抗震设防的要求也有所不同,基于性能的抗震目标有待确定,这些需要进一步的理论和试验研究。
木材是一种非常复杂的材料,所以对其可靠性的研究是充分发挥木材材料性能的重要支撑。目前已经存在描述木材材料性能的随机模型,但是对其的试验研究支撑依然不足,对木结构节点的可靠性研究仍然较少,对采用木材单元制成的结构体系可靠性的评估也相应比较复杂,需要进一步研究。
对于木结构而言,“节点”为关键。而木空间结构杆件跨度大,且木材变异性显著、各向异性、蠕变收缩对力学性能影响大等特点,故节点分析更为复杂。一般来说,从连接形式上划分,木空间结构的节点形式主要包含“钢板销式节点”“植筋节点”“叠合式节点”等。其中,“钢板销式节点”最常见,研究成果也最丰富;其他的新型节点形式多在特定工程实例中出现,应用与研究均较少。
“钢板销式节点”在钢板位置上可以细分为“填板”与“夹板”,在销式连接件的选择上可以采用“螺栓”“螺钉”“销轴”等不同紧固件。目前研究相对成熟的是“钢填板-螺栓节点”。国内对这种节点的研究多集中于 2010 年前后至今,学者们针对不同的侧重点进行了大量研究。
在长期的工程实践过程中,螺栓类节点的不足之处逐渐受到关注,主要在于节点初始刚度和节点延性方面。首先,鉴于螺栓的安装要求,螺栓孔径通常比螺栓直径大约1~2mm,故节点受力初期,节点具有空隙,连接件与构件无法紧密接触,导致节点初始刚度不足,对结构产生不利影响。另外,普通的螺栓节点常出现脆性的劈裂破坏,其延性受到木材横纹受力性能薄弱的限制。
图 1.7 钢填板预应力套管连接节点
针对上述问题,学者们提出了多种改进方式,丰富了木结构“钢板销式节点”的类型。例如同济大学的何敏娟等提出了钢填板预应力套管连接的节点形式(图1.7),还曾提出过采用自攻螺钉对普通螺栓类节点进行横纹加强的方式改善节点延性及刚度。
同时,国内外工程技术人员及研究学者正逐渐认识到,除了螺栓,还有力学性能更加优异的其他连接件,其中越来越受到青睐的便是自攻螺钉,当然,光圆销轴连接件也不一而足。自攻螺钉等新型连接件能够很好地解决螺栓连接“空荡段”的问题,从而提高节点的初始刚度。同时,节点在延性、抗震性能中表现出的优势也通过近年来的研究不断得到证实。何敏娟等针对一种螺钉连接胶合木节点[图 1.8(a)]进行了试验探究,并与普通螺栓连接对比,得到了初始刚度大、延性良好的结论。Li Hongmin等在一种胶合木的搭接节点[图 1.8(b)]中,使用自攻螺钉进行连接,并在必要处用自攻螺钉进行恒温加强,构造美观,无钢材外露,非常适合用于木杆件的接长,对木空间结构中杆件的拼接具有较好的借鉴意义。
图 1.8 自攻螺钉连接节点
因此,能够预测,在大跨度木空间结构中,将会越来越多地采用自攻螺钉、销轴等新型连接件,其工业化程度也会越来越成熟。同时,在结构分析中,从现有的研究成果来看,在计算模型中考虑半刚性节点特征成为可能。
随着空间结构的形态越来越复杂,在同时满足结构受力及建筑效果的条件下,往往常规节点不能满足,需要不断研究、开发新型连接节点。