組合木構件(Built-up timber member)是一種由多片規格材用釘或螺栓固定并排平行排列組合而成的木構件，該組合木構件分為組合梁和組合柱。

　　摘 要：本文介紹了國內外學者在近幾年對組合木構件的研究情況，介紹了加拿大我國與加拿大木結構規范設計組合木構件的構造和設計要求，最后提出了組合木結構設計的發展前景。

　　關鍵詞：機械傳動雜志,組合木柱,組合木梁,設計,發展前景

　　1.組合木的構造規定

　　《木結構設計手冊》[1]中，介紹了應用較廣的現場組合梁和組合柱，其中矩形木柱截面尺寸不應小于140×140mm，且不小于所支承構件的寬度。由整根規格材組成的組合柱，其每一層應用長76mm、釘間距為300mm的釘子固定，或者用直徑10mm、中心距為450mm的螺栓固定，每層的厚度不小于40mm。

　　當組合截面梁采用40mm寬的規格材組成時，規格材之間應沿梁高采用等分布置的雙排釘連接，釘長不得小于90mm，釘之間的中心距不得大于450mm，釘子到每根規格材端部的距離應為100～150mm。組合梁也可以通過直徑不小于12mm、中心距為1.2m的螺栓連接，螺栓到規格材端部的距離不超過600mm。

　　我國《木結構設計規范》[2]第9.4條“梁、柱和基礎的設計”中所給出組合梁的構造設計的相關規定和《木結構設計手冊》相同;對于組合梁和柱具體的計算方法沒有明確給出，在附錄J中做了如下說明：當規格材擱柵數量大于3根，且與樓面板、屋面板或其他構件有可靠連接時，設計擱柵的抗彎承載力時，可將表中的抗彎強度設計值fm乘以1.15的共同作用系數。

　　加拿大《木結構設計標準》[3]規定組合柱沿構件長度的釘間距不應超過最薄構件厚度的6倍，且垂直構件長度方向的間距不超過釘直徑的20倍;所有釘應至少穿入最后一根單獨構件厚度的3/4，且釘子應沿組合構件長度從兩面交替打入;若組合構件中單獨構件的寬度大于其厚度的3倍以上，則構件寬度上至少有2排釘。

　　2.國內外研究現狀

　　1988年Allotey，I.A[4]等人發現在許多發展中國家，由于關鍵材料和核心技術的缺乏，橋梁建筑相當耗費金錢和精力。然而許多國家擁有豐富的可用于橋梁的木材資源。于是作者提出了一個適用于橋梁結構的機械組合木梁，該研究理論基于實木梁的結構性能，得到了機械組合木梁的有效慣性矩和有效橫截面剪切面積定義方法。

　　2003年澳大利亞全國林業產業協會提出組合梁的耐久性問題，主要強調釘在其連接處因周圍環境會產生一定銹蝕，尤其是當周圍存在腐蝕環境時要特別注意釘連接處的保護[5]。

　　2007年Donald E Breyer在《木結構設計》 (Design ofWood Structures)6]一書中指組合柱是由多根木片材用釘或螺栓連接在一起作為一個整體共同工作的柱。它有別于格構柱(spaced columns)，片材間傳遞剪力的連接件需要特別設計。由于組合柱片材間的連接不能完全有效地傳遞剪力，其承載力可先按相同截面的原木計算，再由調整系數Kf折減，Kf由連接形式確定(如釘或螺栓連接)，同時要考慮兩個方向的長細比(le/d)x與(le/d)y;其中，le為柱的有效長度，d為截面寬度。

　　2009年Kamachi Ken[7]等通過對機械錨固的組合木梁大量的試驗研究，建立了考慮層間滑移的多層組合梁的一般理論。并且得出了組合梁的性能介于平行弦桁架的彎曲性能和實木梁彎曲性能之間。

　　2010年Chancey，Ryan[8]等提出用石膏板做飾面來支撐木立柱墻，在木結構設計中越來越常見。但必須認識到石膏板在大荷載、非重復柱構件等條件下的局限性。這些局限性在設計組合木柱時應特別注意作者建議：兩個或兩個以上的墻骨柱的承載力應比設計成組合柱的單墻骨柱大;石膏板或其他墻壁嵌板只考慮對一根墻骨柱有支撐作用，且不應提高墻骨柱的承載力;組合柱應根據規范要求，單獨設計。

　　2011年陳迪、熊海貝[9]等通過4組共22根組合木柱構件的軸心受壓試驗，對此類軸心構件軸心受壓性能進行研究。根據各組試驗數據的對比，提出組合木柱連接釘對軸心受壓性能的提高沒有顯著影響;減小組合柱長細比，增設金屬套箍能有效提高其承載力;長細比的提高及片材數的增加能增強組合木柱的協同工作能力。

　　3.組合木構件的設計

　　3.1組合木梁的計算公式

　　組合木梁的設計計算參見加拿大《木結構手冊》[10]的規定，計算公式為：

　　(N・mm) (1)

　　(N) (2)

　　(N・mm2) (3)

　　(N) (當擱柵支座槽口開在受拉邊) (4)

　　式中：Mr―抗彎承載力(N・mm0;Vr―抗剪承載力(N);Fr―槽口抗剪承載力(N);ESI―抗彎剛度(N・mm2);Φ―0.9;Fb―fb(KDKHKSbKT) (MPa);fb ―規定抗彎強度(MPa);S ―截面模量(mm3);Fv―fv(KDKHKSbKT)(MPa);fv ―規定抗剪強度(MPa);A―毛截面面積(mm2);E―規定彈性模量(MPa);I ―慣性矩(mm2);當擱柵支座缺口開在受拉邊：Ff―ff(KDKHKSbKT)(MPa);ff ―規定缺口抗剪強度。對鋸材全部取0.5MPa;KD―加載時間影響系數。當結構承受長期荷載時取0.65，承受風雪、地震等短期荷載時取1.15;KH―系統影響因素;KS―使用環境影響因素。干燥環境取1.0;KSE取0.94;KSb取0.84;KT―擱柵處理影響因素。對未經防火、防腐等處理的或是經過不減強度的藥劑處理過的擱柵取1.0;KZ―尺寸影響系數;KN―缺口位置影響系數;KL―橫向穩定系數。

　　3.2軸心受壓組合柱的計算公式

　　(N) (5) 　　(6)

　　(7)

　　對組合柱弱軸：

　　(N) (8)

　　(9)

　　(10)

　　式中：Pr ―軸心受壓承載力(N);ΦFc―考慮Φ的規定抗壓強度(MPa);

　　A ―毛截面面積(mm2);KZc ―尺寸影響系數;KC ―長細比;Fc/E―強度和剛度比;Ke ―計算長度系數;Ld，Lb―沿長度或寬度方向的構件自由長度(mm);d ―構件長度(mm);

　　b ―構件寬度(mm);

　　Cc ― 和 之間的較大值并且不得大于50;

　　4.組合木構件的發展方向

　　目前國內對組合木構件的研究還很少，規范也沒有給出組合木構件的計算方法。我國木結構住宅主體框架材料幾乎都是從加拿大、美國進口，木結構的設計和建造技術也是來源于國外，而且大部分已建成的木結構住宅未得到真正意義上的驗收。隨著我國木結構住宅的國產化，這些以國外特別是加拿大木結構規范為基礎的木結構規范也會慢慢變得不適用。因此需要我們對：

　　(1)組合木構件的力學性能及破壞形式研究，建立力學理論模型，即“屈服理論”。在該理論的基礎上，結合國外規范確定一個合理的設計方法，為國內工程設計人員設計結構提供參考，保證設計結果的正確性和合理性，解決國內輕型木結構組合構件設計方法及施工中存在的問題。

　　(2)組合木構件的連接節點研究。組合木構件的連接節點有別于普通木構件和膠合木構件，其構造要求及力學性能有一定的特殊性。因此有必要對其進行深入研究。

　　(3)組合木構件的抗震性能研究，與鋼結構和混凝土結構相比，輕型木框架建筑具有輕質高強、較好的延性優點。組合木構件釘節點、螺栓等在經受地震荷載作用時，使其具有較好的延性，在經受地震荷載作用時耗能性能如何。

　　(4)組合木構件的耐久性研究，影響木結構使用耐久性的因素除火災、風化、機械或化學等物理和化學方面的作用，主要還有由微生物、昆蟲(包括白蟻)等引起的生物性破壞。由于耐久性研究是一項長期的工作，目前國內外對這方面的研究較少，只是提出了一些需要注意的問題和保護措施。

　　(5)組合木構件的防火性能研究，由于組合木構件是由規格材組合而成的，規格材間有一定的空隙，抗火性能弱于原木和膠合木，因此對組合木構件進行防火性能研究，采用安全合理的防火措施有一定的必要性。

　　(6)結構復合木材(Structural Composite Lumber， SCL)，如旋切板膠合木(Laminated Veneer Lumber， LVL)、平行木片膠合木(Parallel Strand Lumber， PSL)、及層疊木片膠合木(Laminated Strand Lumber， LSL)組合木構件的力學性能及耐久性的研究。

　　參考文獻

　　[1] 龍衛國.木結構設計手冊.編輯委員會.木結構設計手冊[M].3.北京：中國建筑工業出版社，2005：241-243.

　　[2] 中華人民共和國建設部主編.木結構設計規范[M].中國建筑工業出版社，2005：61-62.

　　[3] 加拿大木結構設計標準CSA O86-01(2001)[M]，2005：40-41.

　　[4] Allotey， I.A. STUDY INTO THE BEHAVIOUR OF MECHANICALLY BUILT-UP TIMBER GIRDERS FOR BRIDGE CONSTRUCTION[J]. Mater Struct， 1988， 21(124)：256-267.