进入21世纪，全球气候变化已成为世界各国、各个团体、各个阶层所关注的重要议题。2021年的《国际统计年鉴》表明，2000年到2018年期间，全球二氧化碳排放总量已从23311.8百万t增加到了34041.1百万t,净增10729.3百万t[1]。2000年,中国碳排放量的世界占比为14.35%,到2018年这一数据已达到30.3%，人均二氧化碳排放总量也将近世界平均水平的2倍[2-3]。因此,中国面临着很大的碳减排压力,为改善这个局面,中国政府提出于2030年前后达到二氧化碳排放量峰值,争取在2060年前实现碳中和[4]。是否能够如期实现“双碳”目标，取决于各个行业为减碳所做出的努力。
然而随着全球城市化的进程加快及居民居住水平的提高，特别像在中国这样的发展中国家，对城市住宅建筑的需求量大幅提升[5-6]。2019年我国城镇人均居住面积为37.7㎡/人，初步实现了(35㎡/人)的小康目标，预计到2030年我国人口达到顶峰，总人口为14.42亿人，其中9.8亿人为城市人口[5,7]。如果将城市人均住房面积提高到欧盟水平(42.56㎡/人)，则需建造约120亿㎡的居住建筑，那么从现在起到2030年每年需要建造15亿㎡的居住建筑。城市化的背后是新建建筑需求的不断增长，由此带来的建筑碳排放量也持续走高，2000年至2019年中国城市住宅建筑的二氧化碳排放量保持6.0%的增长率从2.9亿吨增加到8.7亿吨[6,8]。如图1所示，2020年全年建筑行业碳排放占到全国总量的42%，其中建造碳排放占比为22%，超过建筑总碳排放量的一半以上，因此在“双碳”背景下如何减少建造碳排放是解决当前问题的首要出路。
其实中国建造碳排放量占比较大的原因在于传统的钢-混结构用到大量的钢材和混凝土，而这两者从全生命周期的使用角度来考虑所带来的的隐含碳排放是非常大的[9-11]。如表1所示，展示了几种常用的建筑材料碳排放系数。以建筑钢材的应用为例，它的全生命周期过程涵盖了铁矿开采、高炉炼铁、炼钢、轧钢、运输施工、拆除回收六个阶段，如图2，每个过程的碳排放综合起来导致其碳排放系数非常高。如果能够减少对钢材、混凝土的使用就可以大大降低建筑建造所带来的碳排放，而钢-木结构建筑可以很好的解决这个问题。
建材种类碳排放系数
钢铁（普通碳钢）2.05t/t
水泥（普通硅酸盐水泥）0.735t/t
铝（电解铝）300t/万质量箱
玻璃（平板玻璃）20.3t/t
国内最早的钢-木结构建材是2007年黄祖波等人提出的一种新型的竹-钢组合楼板，结构如图3.（A）所示，由两张竹胶板夹一张波纹压型钢板组合而成，黄祖波针对这一新型组合板进行了试验研究[12-13]。2010年李玉顺提出一种采用冷弯薄壁槽钢与竹胶板组合的钢-竹结构梁，如图3.（B）所示，经过测试钢-竹组合梁在85kN的荷载下仍没有破坏，具有十分良好的抗剪能力[14-15]。同年韦庆白建立了钢-竹组合板材等效截面的换算方法以及钢竹组合板的极限荷载和弯矩的计算方法，给钢-竹结构板材的使用提供了参考标准[16]。
2012-2014年间单炜等人研究了一种回字形的钢-竹组合结构柱，如图3.（C）所示，给出了冷弯薄壁Ｃ型钢厚度不宜小于1.5mm以及竹胶板厚度不宜小于15mm的建议，并且提出了组合墙体之间的连接方式[17-18]。解其铁通过单轴拉伸、3点弯曲试验得到了钢-竹组合柱的弹性模量、静曲强度等参数，并进行了不同组合尺寸试件的破坏变形实验[19]。郭军等人通过设置冷弯薄壁型钢与竹板胶粘接、胶粘基础上用自攻螺钉强化两组对照试验研究了界面滑移效应对钢－竹组合楼板变形的影响，根据实验结果可知应该通过更紧固的铆钉方式来减少滑移效应对组合楼板的影响[20]。
2015年翟佳磊等人研究了钢-竹组合框架结构的抗震性能，通过拟静力试验对比分析了钢-竹组合框架结构的破坏形态、滞回特性、延性、节点域剪切变形性能等[21]。此外，高艳芹创新性的提出了竹钢自行车的概念[22]。.
2016年许科科对钢-竹组合结构承重柱在长期荷载作用下的力学性能进行了研究，结果表明，钢-竹结构柱中的钢和竹具有良好的共同工作性能，在长期的的荷载作用下受到的破坏具有一定的规律性；并且在长期负荷下，钢-竹结构承重柱的变形同样具备一般材料的蠕变特性，实验还证明温湿度对钢-竹结构承重柱的蠕变有一定的影响，但其仍然符合作为承重柱正常使用的要求[23-24]。黄帅等人利用ANSYS有限元软件对钢-竹组合结构框架进行了反复荷载作用下的数值模拟研究，得到钢-竹组合结构框架具有良好的延性性能，延性系数为4.70～6.97，抗震能力较强[25]。张懿婷等人运用ABAQUS对钢-竹结构组合柱进行了轴压分析，验证了此结构的力学性能[26]。付皓然等人提出了一种将钢-竹结构柱与钢柱联系起来的等效截面法，从而使组合结构的建材性能研究更加方便[27]。
张家亮等人对钢-竹结构的研究做了总结，得出钢-竹结构建筑已经能够满足居住外力需求的结论，并且在此基础上开始进行钢-竹结构样板建筑的建造与样板房经济性、耐久性、保温性以及防火性的评估探究，提出了一种填充保温玻璃棉的新型钢-竹组合结构墙体，如图4所示，其性能优越，是很好的建筑围护结构[28-30]。2017年李冉等人利用ANSYS热分析软件建立了钢-竹组合结构墙体的模型进行墙体传热性能分析，如图5所示，结果表明钢-竹组合结构墙体的传热系数为0.127～0.372W/(m2·℃)，大大低于GB 50176-1993对于我国严寒地区的最高要求(0.4W/（m2·℃）)[31]。
2015之后国内学者开始尝试用木材来代替竹料，对钢-木组合结构进行研究。潘福婷运用ANSYS有限元分析软件建立了钢柱和钢木组合柱的有限元计算模型，其设计的钢-木结构柱如图6所示，他先对钢柱和钢木组合柱的力学性能进行了分析和对比，并从理论上推导了钢木组合柱的设计方法[32-33]。孙洪业采用ABAQUS有限元分析软件对钢-木组合结构梁抗弯性能进行参数分析，得出型钢和木板厚度对组合材料的性能影响[34]。赵东拂等人提出了一种抗侧力的钢-木组合柱结构形式，采用拟静力试验与ABAQUS有限元分析相结合并互相验证的方法，研究了该钢-木组合柱的抗侧力性能、耗能能力、延性系数及协同工作性能，结果证明该钢-木结构组合柱是一种合理的结构形式[35]。胡祺斌在最近的研究中提出了一种工字钢与北美花旗松组合的钢-木组合结构材料，如图7所示，他用ABAQUS有限元软件对该材料的性能进行了研究，证明其具有相应的建筑适配性能[36]。
近两年来，也开始有钢-木结构投入到实际的工程应用当中。位于陕西省西安市的幸福林带冰球馆的承重屋顶就采用了钢-木组合结构的形式，如图8所示，目前该项目仍在建设阶段；其设计的轻拱形屋顶在拱撑上部梁端采用一段钢结构作支座支撑在下部基础上，钢梁与主梁木筋连接作为屋顶的承重架构，这种钢木混合结构既可以增大结构刚度，又能使梁的挠度大幅减小[37]。同样位于美国华盛顿的国家剧院米德中心的新剧院结构采用了几种异型的钢-木组合承重柱，如图9所示，这种结构一方面优化了木结构的截面效果，避免了纯木结构刚性不足的问题，又减少了钢材的用量从而带来减碳效果[38]。
根据之前的研究分析可以确定的是，钢-木组合的结构形式已经基本满足作为建筑构件所需要的力学性能要求以及承担围护结构时所起到的保温性能需求，因此可以投入到实际的工程应用当中。市面上的传统型钢、波纹压型钢板或是特制异型钢都可以与木材通过胶粘和螺栓紧固的方式来组合起来作为建筑构件取代原有的钢材，本研究采用传统槽钢、薄壁型钢与松木的组合结构来作为研究对象。
钢结构与木结构单一拿出来作为传统的建筑结构材料，都存在着一定的劣势。而将钢结构与木结构进行合理的组合，就可以产生相应的互补作用，使得建筑结构整体的强度、韧度以及承载能力、保温性能都获得了不小的提升[39-41]。除此之外，钢-木结构建材减少了对钢材的使用，并去除了传统钢-混结构中的混凝土成分，而木材是负碳材料，从这个方面讲钢-木结构将带来十分可观的减碳效果，至于钢-木结构对比钢-混结构会带来多大的碳减排效益将会在第五章节进行分析。
[1]自然资源和环境 2-4 二氧化碳排放量[Z]: 国际统计年鉴, 2021: 10.
[2]汪振双,覃飞. 中国建筑业碳排放时空演变特征分析[J]. 工程管理学报, 2022, 36(4): 11-16.
[3]住房和城乡建设部印发《民用建筑能源资源消耗统计报表制度》[J]. 建筑技术开发, 2018, 45(8): 36.
[4]翟婷婷,龚锐. 双碳背景下建筑业面临的机遇与挑战[J]. 居舍, 2022, (19): 157-160.
[5]卢延纯,杨东,唐宏玲,等. 城镇住房需求趋势[J]. 宏观经济管理, 2021, (11): 34-38.
[6]王雅晴,谭德明,张佳田,等. 我国城市发展与能源碳排放关系的面板数据分析[J]. 生态学报, 2020, 40(21): 7897-7907.
[7]孙青. 中国居民住房状况的新变化[J]. 人口研究, 2022, 46(5): 117-128.
[8]胡姗,张洋,燕达,等. 中国建筑领域能耗与碳排放的界定与核算[J]. 建筑科学, 2020, 36(S2): 288-297.
[9]崔鹏. 建筑物生命周期碳排放因子库构建及应用研究[D]. 东南大学, 2016.
[10]罗平滢. 建筑施工碳排放因子研究[D]. 广东工业大学, 2016.
[11]孔凡文,王晓楠,田鑫. 基于碳排放因子法的产业化住宅与传统住宅建设阶段碳排放量比较研究[J]. 生态经济, 2017, 33(8): 81-84.
[12]黄祖波. 钢竹组合楼板受力性能研究[D]. 东北林业大学, 2007.
[13]李玉顺,单炜,黄祖波,等. 钢竹组合空心楼板的抗弯性能试验[J]. 东北林业大学学报, 2008, (6): 32-33.
[14]沈煌莹,李玉顺,张王丽,等. 轻质钢竹组合楼板受弯承载力试验研究[J]. 森林工程, 2010, 26(2): 83-86.
[15]李玉顺,许杰,沈煌莹,等. 钢-竹组合构件的受力变形和抗震性能分析[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2010, 26(6): 1129-1133.
[16]韦庆白. 钢竹组合板抗弯承载能力的理论分析[J]. 工业建筑, 2010, 40(S1): 480-482.
[17]单炜,李玉顺,蒋天元. 钢-竹组合结构体系设计方法[J]. 建筑科学与工程学报, 2012, 29(1): 15-20.
[18]李玉顺,蒋天元,单炜,等. 钢-竹组合梁柱边节点拟静力试验研究[J]. 工程力学, 2013, 30(4): 241-248.
[19]解其铁,张王丽,蒋天元,等. 钢-竹组合柱轴心受压性能的试验研究[J]. 工程力学, 2012, 29(S2): 221-225.
[20]郭军,张家亮,唐静,等. 钢-竹组合楼板受弯试验及变形分析[J]. 森林工程, 2013, 29(6): 145-148.
[21]翟佳磊,李玉顺,黄帅,等. 钢-竹组合框架结构抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2015, 36(S1): 60-66.
[22]高艳芹. 竹钢自行车架可行性研究[J]. 设计, 2015, (13): 30-31.
[23]许科科. 长期荷载作用下钢—竹组合箱型柱力学性能研究[D]. 宁波大学, 2016.
[24]刘欣荣,李玉顺,许科科,等. 长期荷载作用下钢-竹组合箱形柱蠕变特性[J]. 工业建筑, 2018, 48(7): 146-152.
[25]黄帅,李玉顺,杜永飞,等. 钢-竹组合框架结构抗震性能有限元分析[J]. 工业建筑, 2016, 46(1): 41-46.
[26]张懿婷,卢佳,于皓晨,等. 钢—竹组合柱有限元分析[J]. 山西建筑, 2016, 42(12): 29-30.
[27]付皓然,鄂婧. 钢-竹组合柱的等效截面法[J]. 低温建筑技术, 2016, 38(11): 70-72.
[28]李玉顺,张家亮. 钢-竹组合构件及其结构体系研究进展[J]. 工业建筑, 2016, 46(1): 1-6, 19.
[29]张家亮,童科挺,陈伟,等. 长期荷载作用下钢-竹组合柱的力学性能[J]. 建筑材料学报, 2021, 24(4): 800-810.
[30]张家亮,童科挺,何佳伟,等. 钢-竹组合结构梁柱耗能节点抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2022, 43(12): 255-266.
[31]李冉,李玉顺,何佳伟,等. 钢-竹组合墙体传热性能有限元分析[J]. 工业建筑, 2017, 47(8): 53-58.
[32]潘福婷,王艳华,吴京. 钢木组合柱的有限元分析及其设计[J]. 阴山学刊(自然科学版), 2016, 30(1): 26-29.
[33]潘福婷,蒋亚琼,王璇. 钢木组合悬臂梁在横向荷载作用下的受弯性能分析[J]. 新余学院学报, 2017, 22(1): 92-96.
[34]孙洪业,白立斌,李登辉. H型钢-木组合梁受弯性能数值模拟及参数分析[J]. 建筑结构, 2017, 47(13): 51-56.
[35]赵东拂,王磊,孟颖. 钢-木组合柱抗侧力性能试验研究及有限元分析[J]. 振动与冲击, 2018, 37(11): 61-70, 135.
[36]胡祺斌. H型钢-胶合木组合柱轴压性能研究[D]. 北京林业大学, 2020.
[37]朱红,张翔. 钢木混合结构在大跨度结构体系中的应用[J]. 建筑技术, 2019, 50(4): 433-435.
[38]雍博昭. 大跨度钢木组合结构中材料分布特点研究[J]. 四川建材, 2021, 47(1): 58-59.
[39]王乃毅,刘朋,韩欣桐. 钢-木组合形式及研究进展[J]. 四川建材, 2020, 46(5): 36, 58.
[40]廖静,郝勇,王立军,等. 钢木组合结构研究现状[J]. 河南科技, 2020, (14): 85-87.
[41]樊昊华. 钢木组合结构研究综述[J]. 住宅与房地产, 2019, (27): 102.
网友评论