黄春晓，潘福婷，王颖

（1.建筑结构安徽省普通高校重点实验室（安徽新华学院），安徽 合肥 230088；2.安徽新华学院 城市建设学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

从国家可持续发展战略考虑，选用绿色环保的建筑材料和结构形式已经成为了行业发展的趋势。2017年发布的《关于加快发展装配式建筑的实施意见》中提出要加快装配式建筑的产业化，积极推广钢结构、预制装配式混凝土结构和混合结构，特别是在地震多发地区积极发展钢结构和木结构建筑。薄壁型钢-木组合截面柱是一种新型的组合构件，由薄壁型钢、木板（方木）以及结构胶粘层（自攻螺钉连接件）三部分组合而成，常见的截面形式见图1。组合柱可以充分发挥两种材料的优势，弥补两者的缺陷，在工程领域有良好的应用前景。

图1 组合柱常见截面形式

2 钢木组合结构的形式、特点及应用

2.1 组合结构形式

钢木组合结构的形式有分离式和一体式两种。分离式组合结构中钢材和木材相分离，各自组成基本构件再连接形成结构，在钢木桁架、景观建筑、钢框架木结构住宅和钢木组合楼梯中应用广泛。一体式组合结构则是将木与钢合为一体组成基本构件，提高结构体系的承载力，常见的有钢芯材-胶合木面层的组合结构形式。

2.2 组合结构特点

木结构作为传统结构形式具有很多优点。首先，木材作为一种可再生资源，通过科学种植与采伐，能够做到可持续使用。其次，与钢结构和混凝土相比，木结构可以减少耗能，对环境的污染指数较小，符合国家关于节能环保的可持续发展战略。第三，木材作为一种轻质高强材料，特别是顺纹理抗压抗拉强度甚至超过某些金属。同时，木结构也有一些缺点，例如木材受力各向异性特点明显、干缩湿涨、易燃易朽、不耐虫蛀、连接形式受局限等。

钢结构拥有轻质高强、抗震性能好、可工厂化预制生产、施工周期短，可回收再利用等优势，在大跨建筑、高层高耸建筑以及桥梁工程中应用广泛。然而，失稳问题包括整体失稳和局部失稳，使得钢构件容易发生较大形变而丧失承载力，钢材不耐火、不耐腐蚀，同时制约着钢结构的发展。

钢木组合结构同时发挥两种材料的优势，取长补短，形成装配程度高、绿色环保的新型建筑形式。以钢木组合柱为例，钢材作为主要受压构件，木材能提供一定的侧向支撑，有效防止钢构件的局部屈曲，提高构件的刚度和稳定承载力；另外，面层木材对核芯钢材的包裹作用不但能有效防止钢材的锈蚀，还能作为后期木包钢的前期装修。

2.3 国内外工程应用

美国林肯公园动物园南池（图2）作为当地有名的旅游景点之一，选用的木结构屋面壳体为花瓣造型，使得该场地拥有了户外教学的功能，展示了自然与城市环境的共存。所有构件均为弧形，极富韵律感，下端采用钢结构销轴节点与基础相连，形成完美的过渡。

图2 美国林肯公园动物园南池

被誉为“上海最美游泳馆”的崇明体育训练中心游泳馆（图3）端部两跨布置为钢结构，上部的木结构拱壳屋盖选用交叉菱形网格壳体方案，屋盖与下弦拉索结合横向布置，形成钢木混合张弦壳体结构体系。木结构在游泳馆项目中的应用可以有效利用其保温和耐腐蚀的优势，减少冷热桥，防止结露，更耐游泳池含氯水汽腐蚀；钢构件和结构木构件在工厂预制钻孔开槽后到现场拼装，大大缩短了施工周期。

图3 崇明体育训练中心游泳馆

3 薄壁型钢-木组合柱研究现状

3.1 薄壁型钢柱受力性能研究

薄壁型钢属于轻质高强材料的一种，广泛用于别墅、低层住宅和轻钢厂房中。宽厚比较大的薄壁型钢构件被称为薄柔构件，容易发生局部屈曲，降低结构的延性和承载力。目前我国规范中主要通过限制板件宽厚比和受压构件的长细比来控制局部屈曲和整体失稳，当薄壁型钢柱腹板高厚比不满足条件时，往往利用有效宽度法加以处理，虽然简化了计算，但是并不经济，学者们针对这一问题进行了试验和理论研究。

2004年，赵静以翼缘宽厚比、腹板高厚比和柱轴压比为参数，对薄柔H型钢柱进行了试验研究和有限元分析，发现柱的破坏均由局部屈曲引起。

2006年，陈以一分别用试验和有限元模拟的方式，进行了10个薄柔高频焊接H钢柱试件的单调和反复加载试验研究和系统的数值分析。结果表明，在一般低多层框架结构的长细比范围内，翼缘和腹板的宽（高）厚比以及柱的轴压比严重影响柱的受力性能，并提出了罕遇地震作用下如何控制钢柱的承载力下降的设计原则。

2011年，姚行友归纳总结了各国规范方法，并采用有限元数值模拟的方法，针对薄腹工字型截面轴压柱，采用不同腹板宽厚比和柱轴压比作为参数，进行有效面积的计算和分析。根据模拟结果，建议采用《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）相关规定进行计算。

2016年，张爱林综述了国内外钢结构设计规范中关于薄柔截面构件的稳定承载力计算相关内容，比较了有效宽度法、直接强度法和有效截面法各自的优缺点，并对相关构件的屈曲问题提出了深入研究的建议。

3.2 木结构柱受力性能研究

由于传统木结构在受力上的缺陷，例如孔洞对构件强度的较大影响，现代木结构设计中对木结构柱的研究主要集中在普通木构件中增配钢筋或钢丝或配置纤维增强材料上，研究结果表明，增强后的木构件刚度和承载力有所增加，但仍存在短期变形较大等问题。

2016年，顾迅杰系统地阐述了徽州传统建筑中木柱的破坏形式及修缮加固办法，并建立有限元模型进行分析和验证。结果表明巴掌榫在垂直榫面的方向变形最大。

2018年，高潮建立了木柱分析模型，研究了水平地震作用下木柱在四种可能的运动方式下的响应特征，以及木柱对地震能量的转化和耗散。

2019年，陈松军结合工程实例，从建筑施工技术的角度对碳纤维加固技术在木结构柱中的作用进行了具体分析。

3.3 薄壁型钢-木组合柱受力性能研究

薄壁型钢-木组合柱将钢材与木材的材料性能进行整体考虑，以最有效的方式发挥两种材料的优势。

2016年，潘福婷运用ANSYS软件建立轴压荷载下钢柱和钢木组合柱的有限元模型，考虑了几何非线性和材料非线性。对比结果表明，组合柱核芯钢板的强度在破坏前得到了充分利用，承载力显著提高，并提出了钢木组合柱的设计方法。

2017年，孟颖通过试验和数值模拟的办法，研究一种适用于装配式结构的抗侧力钢木组合柱结构形式的力学性能，明确了其抗震耗能机理，印证了钢木组合柱的抗侧力性能以及耗能能力。

2018年，赵东拂对三组钢木组合柱进行拟静力足尺试验，研究钢筋弯折形式对组合柱抗震性能指标的影响。试验结果表明钢木组合柱有良好的耗能能力。建立ABAQUS有限元模型，进行低周反复荷载作用下的数值模拟，结果与试验数据吻合良好。

2020年，李家安以偏心距、螺栓直径和间距为参数，进行了偏压荷载作用下六组螺栓连接的钢木组合异形柱的试验研究。结果表明，组合柱符合平面假定，两种材料协同作用良好，破坏呈现延性特征。另外，提出了钢木组合异形柱的优化设计方案以及节点连接方式。

2020年，刘朋进行了12个钢木组合柱的轴心受压试验，研究了钢材厚度、柱长细比、螺栓间距对轴压承载力的影响。研究表明，组合柱中钢骨主要承受轴压荷载，外围方木提供一定的屈曲约束。

目前针对钢木组合柱的研究，主要是从静力分析层面，证明了组合柱的受力性能比纯薄壁型钢和纯木结构具有更大优势。型钢承受外荷载，木材作为面层材料能够提供足够的侧向刚度，抑制钢材的局部屈曲。但是针对钢木组合柱的抗震性能的试验研究以及数值模拟分析较少，也缺乏考虑连接方式、组合形式以及不同受力阶段的柱承载力的设计计算公式。

4 发展前景及待解决问题

4.1 发展前景

当今世界科技高速发展，相比于传统的结构形式，新型组合结构具有更明显的受力和应用优势，在建筑领域倡导节能环保、绿色可持续发展的大形势下拥有更大的发展潜力。钢木组合结构保留了传统木结构自然温馨的物质属性，加入了现代钢结构的受力优势，在现代建筑、桥梁、构筑物方面会有很好的发展前景。

4.2 待解决问题

4.2.1 钢木组合结构形式的推广

钢木组合结构体系在保证受力合理的基础上，还要注重与美学和建筑功能的结合。如何充分利用钢结构和木结构各自独特的力学特性，同时满足建筑的美观要求，逐渐改变人们对传统混凝土结构的依赖，钢木组合结构的推广问题成为新型结构形式研究发展道路上迫在眉睫的问题。

4.2.2 组合构件之间连接构造

在分离式组合结构中，为了使节点连接受力明确，易于加工，已经逐渐淘汰了传统的榫卯连接，而采用钢节点。无论是采用螺栓连接或者铆钉连接均要在木构件中打孔，对木材的强度影响较大。另外对于一体式组合构件，木面层和钢芯材之间主要采用结构胶粘剂和自攻螺钉的方式连接，目前大量试验研究表明，这两种连接方式均不能很好地起到组合作用，需要探索新型连接方式，使其能够较好地协同工作，发挥两种材料各自的优势。

4.2.3 温度作用下材料性能差异

钢材与木材在温度作用下的膨胀系数差异明显，全干木材的膨胀系数为3-4.5×10-8/℃，钢材为 8.31-14.68×10-6/℃。在实际工程中，尤其在严寒地带，温度作用下钢材和木材之间容易产生结构内应力，对钢木组合之间的协调性有很大影响，所以针对两种材料在温度作用下的协调变形研究有重要意义。

5 结论

钢木组合结构作为一种节能绿色的结构形式，有效地利用了两种材料的性能优势，在绿色建筑和装配式建筑领域值得被推广使用。目前针对薄壁型钢-木组合柱在建筑工程中的相关理论研究还不够成熟，材料之间的连接组合、温度应力下的性能差异和协同工作，都是当前需要攻克的技术难题。但伴随着我国社会发展和科技进步，薄壁型钢-木组合柱乃至钢木组合结构在工程领域的应用必将迎来美好的未来。