木结构桥梁受力特点及连接形式

木结构桥梁受力特点及连接形式

邹赐

重庆交通大学 重庆南岸 400074

摘要：现代木结构的优越性已是有目共睹，并且在国外得到了广泛的应用，然而在国内却属于新型、稀奇结构，尤其是重型木结构实为少数。本文首先结合我国常用木材，分析了木材的力学性能及物理特点，介绍了木材常用的连接形式，并给出了现代化木拱桥的案例。认为现代木结构在我国的发展是可行的，同时也是必要的。

关键词：木结构；拱桥；连接；受力特点

引 言

自古以来，木材作为最易获得的资源备受人们的青睐，其在我国的建筑领域也有着广泛的应用。近100多年以来国外，如美国、加拿大、澳大利亚、日本、瑞典、挪威等国家在木结构桥梁设计和应用上开展了深入而系统的研究，在规范标准、木材加工、构件连接、木材防腐等方面都取得了诸多成果和进步。对于木结构建筑来说，连接件的性能影响着结构强度、可靠性以及使用寿命，同时木结构也有着不耐拉、易断裂、强度随木材含水量变化等显著缺点。因此，受力分析以及连接技术的合理设计，是决定木结构实用性的关键[1]。

一 木结构桥梁的特点

(一) 资源可再生

木材是一种自然资源，它依靠太阳能周期性的自然生长，只要合理科学的砍伐、种植，相比于其他建筑材料，木材最容易生产，一般周期为50-100年，近几年随着科学的进步，许多的速生材料也可用于木结构中，大大缩短了木材资源的再生周期。

(二) 环保节能

传统的建筑材料主要是混凝土和钢材，这类材料的建造时属于高耗能、高污染工业，破坏后比较难处理，而且基本不能循环利用。相比之下，木材所需的产能比较少、对生态的影响也比较少，特别在木材的利用进入良性循环后，其环保优势将更加突出

(三) 自重轻

木材的相对密度是钢材的1/10、混凝土的1/4左右，因此，木材可以大大减轻桥梁的自重，提高活载比例，增强桥梁的跨越能力。

(四) 抗震性和耐久性好

结构物上的地震作用与结构质量有关，木制结构较轻，产生的地震作用相对起来比较小，因此造成的损害比较小，木材的腐蚀一般是木材上的木腐菌造成的，只要做好防护，木材的耐久性就能得到一定的保障。

二 木材的物理性能

木材的物理性质包括密度、含水率以及木材的热学性质等[2]。

(一)木材密度及含水率计算

木材密度作为衡量木材力学性能重要指标之一，主要影响着木材强度。密度较大的木材其强度越高，相反则越小。木材密度一般可分为气干密度、基本密度、绝干密度。计算公式如下：

其中， ---------木材气干密度，g/mm3

   -------------木材气干质量，g

   -----木材气体干时体积，mm3

其中，  -----------木材全干密度，g/mm3

------------木材全干质量，g

------------木材全干时体积，mm3

 其中， --------木材的基本密度，g/mm3

    V--------木材饱和时的体积，mm3

木材含水率是指木材所含水分的质量与木材烘干后质量绝干质量）的比值。

计算公式如下： 
 

其中 ----------木材的含水率，％

---------木材烘干前的质量，g

---------木材烘干后的质量，g

木材易吸湿，因此其含水率也随环境中湿度的变化而变化，从而引起结构的膨胀或收缩，影响其外观、结构受力，甚至会影响到结构的承载力与正常使用。

(二)木材的力学性能

木材作为一种自然生长的材料，其力学性能受到树木生长的速度、生长的条件、树种、材料、含水率和缺陷等诸多因素的影响。木材的受力性能沿纵向、横向都不相同，为各向异性体。以上因素都会影响到木材的强度[3-4]。

木材力学性质包括弹性、抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、扭曲强度、抗剪强度、冲击铺性等、硬度、抗劈力等。

木材具有正交异向弹性和正交对称性；木材组织构造的因素决定了木材其各向异性但由于木材几乎全部细胞和组织都平行于树干并且沿轴向排列，但射线、纤维组织是垂直树干成径向同心环状排列，这就赋予了木材圆柱对称性，它成为近似柱面对称的正交对称性材料。满足正交对称性的物体，可以用虎克定律来分析它的弹性性能。关于木材正交对称的性质，如图所示，假设在距髓心一定距离，取个与年轮相切的正交六面体微小单元。此时该单元便拥有个对称轴。把平行于纵向的作为轴，而轴与径向平行，与弦向平行的是轴；它们相互垂直，将其中任意二轴构成一个平面，分别对应弦切面、横切面和径切面。如果把这三个轴看作弹性对称的轴，那么该单元可视为处在正交坐标系中，然后可以通过正交对称原理研究木材的正交异向弹性。如图1所示。

图1木材正交对称图

三 木结构桥梁的连接形式

(一) 榫卯连接

传统的榫卯连接是依靠木材之间的“挤压阻力”和“剪切阻力”来传递力的连接方法。这样的连接可以使连接部位与原构件形态保持协调，在外观上干净整洁。但是，此法加工复杂，技术要求高，加工精度对连接部位性能有较大影响。

(二) 胶合连接

胶合连接是木材与其他材料之间或木材自身之间用胶合剂进行连接的技术总称。相面上看，对于木材来说用胶黏剂连接或许是最理想的选择。胶合连接具有初期强度大，刚度高的特点，但是一旦发生初期破坏，比较容易引起连接部位的全体崩溃，在强度可靠性上还有待改善。

(三) 连接件连接

连接件连接是使钉、销、螺栓、齿板等金属连接件对构件进行连接的总称，用连接件连接已经成为木质结构连接的主流。连接件连接常采用的一些连接形式包括:纵向接头形式、成角接口形式。

四 现代木结构桥的实例

以拱桥为例，拱桥因其造型优美，自古以来受到了各国工程师的青睐。现代木结构拱桥一般跨径在30-60m的范围之内，施工多采用工厂预制，然后整体吊装的方法，具体有施工方便、工期短、经济性好等优点。

如图2的木结构的大桥，位于苏州市吴中区，是当今世界上跨度最大的木结构拱桥，这座桥梁的名称叫胥虹桥。胥虹桥横跨胥江古运河，全长120米，单跨跨度为75.7米，载重能力为195吨，全部采用7厘米宽、3厘米厚、2米长的小木条拼接胶合而成。

图2胥虹桥全桥图

五结论

木结构桥梁从大方面来说是比较优秀的桥型结构，而我国现在木结构主要以住宅等轻型木结构为主，而在桥梁、展馆等重型木结构上的应用却很少。实际上重型木结构的应用，能够有效地降低建筑对水泥、钢材这种高能耗、高污染材料的依赖性，从而达到与自然环境的和谐。

参考文献

[1]刘永健，刘士林.现代木结构桥梁[M].刘永健，刘士林著. 北京:人民交通出版社，2012: 1-136.

[2]杨冬冬，孙劲舟，蔡郭圣.木结构的连接方式及在桥梁方面的综合运用[J]. 现代装饰理论，2020.

[3]王解军，屈波.国产木材与桥梁模型力学性能实验研究[J].公路工程，2018(3).

[4]张大海.现代木结构拱桥力学性能分析与实验研究[D].中南林业科技大学，2014.

作者简介：邹赐（1996-），男，汉族，四川达州人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：桥梁与隧道工程