CN104775566A - 一种建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，所述木结构柱由置于芯部的芯柱以及位于外层的木结构层组成，所述芯柱为刚性芯柱，所述的木结构层位于芯柱外围周边且包覆所述的芯柱，所述的木结构层与芯柱之间还通过连接结构紧固相连接。本发明的复合型木结构柱通过内置的刚性芯柱和外包的木结构层共同承重，不但具有良好的承重效果，而且兼具刚性芯柱和木结构层的优点，具有更好的整体稳定性。

Description

一种建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱

技术领域

本发明涉及一种建筑构件，具体是指一种建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱。

背景技术

在众多建材中，木材是唯一可再生且能够多次循环利用的天然材料。木材除了给人舒适、温暖、具有亲和力的感受之外，同时还给人带来健康的生活环境。同时，木材作为一种建筑材料，具有轻质高强、抗震性能好、易加工等特点。

广泛采用木结构是中国传统建筑诸如寺庙建筑等的最大特点。然而木材具有易变性、质地不均匀、各向异性明显等天然缺陷，决定了木材适合单向承受顺纹方向的拉、压及弯矩。导致传统木结构构造复杂，结构体系及其传力路径不明确，限制其建筑总高及结构布置方式。

传统的寺庙建筑往往通过内部的空间感及构件的尺寸感来营造寺庙的神秘性，表现对神佛的崇拜，是中国传统寺庙建筑的魅力所在。这种建筑要求从整体到细部的比例协调来控制柱截面尺寸，导致柱截面尺寸偏大。此时柱子所承受的荷载并不大，若采用钢筋混凝土柱或钢管混凝土柱，则轴压比过低，材料利用不充分，也失去木结构古朴庄严的建筑效果。

专利CN201310325596.8公开了一种空心实木木柱，该木柱为中空矩形截面结构，由一系列的木质单元拼接而成，相邻的木质单元之间通过指形齿接合或者榫卯接合或者平面接合的连接方式相拼接，该空心实木木柱以木质单元为拼接元素，使用胶合、齿接或者榫接或者平接等连接方式拼接而成。成型后的空心实木木柱能够释放缓冲木材涨缩不协调引起的尺寸变形差和内部应力；并且产品不易开裂、抗变形和翘曲能力均有所增强，能够较好的保证产品的服役质量和使用寿命。但是该实木木柱在使用过程中容易发生压缩、倾斜与扭转变形。

专利CN201010282512.3公开了一种FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，包括FRP层、橡胶层、钢管和核心混凝土四个部分由外向内共同构成，FRP层、橡胶层和钢管三个部分通过树脂粘结形成一个复合管整体，核心混凝土填充于复合管内部，复合管对内部核心混凝土施加约束增强作用。该方案虽然克服了公知的钢管混凝土、FRP管混凝土结构所存在的缺陷，但是夹在钢管与FRP层之间的橡胶层是混凝土二个约束层之间的缓冲层，能为结构提供良好的吸收振动荷载能量的能力，其目的仅是为了提高柱子的抗震性能及吸收振动荷载能量的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，该复合型木结构柱通过内置的刚性芯柱和外包的木结构层共同承重，不但具有良好的承重效果，而且兼具刚性芯柱和木结构层的优点，具有更好的整体稳定性。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：一种建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，其特征在于：所述木结构柱由置于芯部的芯柱以及位于外层的木结构层组成，所述芯柱为刚性芯柱，所述的木结构层位于芯柱外围周边且包覆所述的芯柱，所述的木结构层与芯柱之间还通过连接结构紧固相连接。

本发明的复合型木结构柱由内置的刚性芯柱和外包的木结构层组成，其主要目的和效果都是对传统实心木柱的一种替代和改良，通过刚性芯柱和木结构层共同承重，该木结构柱同时兼具刚性芯柱和木结构层的优点，既保持了传统实心木桩能够带来舒适、温暖、具有亲和力的感受之外，又加强了木结构层的承重能力，具有更好的整体稳定性。

本发明中，作为优先实施例，所述的芯柱为钢管混凝土芯柱，所述的钢管混凝土芯柱由钢管以及钢管内部填充的混凝土组成，所述的木结构层包覆所述的钢管，木结构层与钢管之间通过所述的连接结构紧固相连接。

钢管具有很高的强度，当木结构层与钢管贴合良好，共同工作时，稳定系数比纯钢构件提高两倍以上。同时，钢管内部的填充的混凝土对提高钢管混凝土芯柱以及木结构柱的极限承载力作用明显。

本发明中，所述的连接结构包括沿木结构柱径向设置并且穿插贯通所述木结构层与钢管的多个紧固螺栓，多个紧固螺栓沿木结构柱轴向自上而下错位设置，相邻的紧固螺栓相垂直。

本发明中，所述的连接结构还包括涂覆在木结构层与钢管之间的高强度粘合胶，保证木结构层与钢管两者良好贴合，并且能传递部分剪力。

本发明中，所述钢管外表面还涂覆一层防火涂料层，大幅提高其耐火时间。本发明的组合柱比传统实木柱的耐火时间长很多，当发生火灾，外部经防火处理的木结构燃烧后，芯柱的防火涂料起到保护芯柱的作用，使芯柱能继续承载，而实木结构则在燃烧后彻底失去承载力。

本发明中，所述的钢管混凝土芯柱为圆柱，所述的钢管为一根圆钢管，所述木结构层截面为圆环形。钢管采用上下贯通的整根钢管，有利于提高其整体强度和刚度。

本发明中，所述的钢管混凝土芯柱也可以采用方形柱，所述的钢管为一根方钢管，所述木结构层截面为外圆内方形。

本发明中，所述的木结构层为沿木结构柱轴向设置的一层木结构层，该一层木结构层由两块以上的木结构块拼接而成，相邻的木结构块通过榫卯结构相连接。

作为优选实施例，所述的木结构块为结构相同的四块，每一根紧固螺栓均从处于相对位置的一对木结构块的中心位置处穿插贯通，所述的榫卯结构为燕尾榫。

本发明中的木结构层采用一层，目的是要保证木结构层的整体强度，该设计克服了传统木结构在结构高度较高时构造复杂、结构体系及其传力路径不明确、限制其建筑总高及结构布置方式的缺陷，保证了结构强度及稳定性。

本发明中，所述的芯柱也可以采用钢构件，钢构件可以选择十字形钢芯柱或H型钢芯柱或钢板，所述的木结构层包覆所述的钢构件，木结构层与钢构件之间通过所述的连接结构紧固相连接。

本发明的复合型木结构柱能使木结构建筑的总高增加，建筑功能更布置灵活。可应用于大型古建筑加固、新建木结构房屋及寺庙、休闲性大型公用建筑、景观建筑、文化场所。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

(1)本发明的复合型木结构柱的主体结构为内置的刚性芯柱和外包的木结构层，其主要目的和效果都是对传统实心木柱的一种替代和改良，通过刚性芯柱和木结构层来共同承重，兼具刚性芯柱和木结构层的优点，既保持了传统实心木桩能够带来舒适、温暖、具有亲和力的感受之外，又加强了木结构层的承重能力，具有更好的整体稳定性。

木结构缺点

木结构的易燃性是木结构建筑最大也是目前唯一无法有效解决的问题。虽然现代木结构房屋的材料到设计都很注重防火这个问题了，但木材还是容易发生火灾，而且一旦发生火灾就不好抢救基本上都会被烧尽，得重新再盖一套。

根据《木结构设计规范》(GB 50005-2003)附录R各类建筑构件燃烧性能和耐火极限，木结构柱的耐火极限如表1所示：

表1：木结构柱的耐火极限

本发明内置芯柱的复合型木结构柱由于在芯部设有涂覆防火涂料的芯柱，当外表面的木结构因燃烧而失去承载力时，芯柱仍具有一定的耐火性从而能够继续承载。耐火性试验表明，复合型木结构柱的耐火极限为2.5小时，是传统木结构柱的3.3倍。

在会有台风的地方建实木建筑不牢靠，木结构对风的承受能力不如混泥土结构和钢结构。

木结构的防风问题根源在于传统木结构柱端与梁半刚性连接，节点连接形式主要为钉连接和齿板连接。这种连接形式能较好承受竖向轴压力，但对弯矩、拉力的传递和抵抗能力都较弱，且节点构造复杂，传力不清晰。在较大吸风荷载作用下，屋面承受的总风荷载大于屋面自重时，木柱端节点承受拉力和弯矩而容易产生节点区破坏。

本发明内置钢管混凝土芯柱的木结构柱的节点主要由钢结构来保证其传力，与常规钢结构节点类似，能较好的保证梁柱节点刚接。无论从受力性能、加工便捷性以及造价都胜于常规纯木节点。

木结构房屋容易受到总高的限制，最新的《木结构设计规范》(GB 50005-2003)规定允许可以盖3层的木结构，但在我国人口密度大，土地使用面积少，能用来做住宅用地的更少，所以3层木结构房屋无法满足这么多人的居住需求。

本发明内置钢管混凝土芯柱的木结构采用内置芯柱的形式加强木结构的承载力，可有效提高木结构的建筑总高。

纯钢结构缺点

钢结构轻质高强，作为竖向受力构件，在压力作用下钢柱容易产生失稳而无法充分利用钢材的强度。对长细比较大的柱，根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)附录C的规定，其强度折减很大，例如对于常规受压细长柱，其长细比约为100，强度需要折减36％。

常规木结构的强度和钢材的强度如表2、表3所示，钢材的强度约为木材强度的20倍。如果能提高受压钢柱的稳定性，则能充分利用钢材的强度，发挥其优势。

表2：木材的强度设计值(N/mm²)

表3：钢材的强度设计值(N/mm²)

本发明内置钢管混凝土芯柱的木结构利用外包的木结构，提高了芯柱的稳定性，同时也提高柱的承载能力，解决了纯木结构柱承载能力偏低的问题。本发明结合刚性芯柱和木结构层的优点，即该复合型木结构柱既采两者之长，又能够消除两者之间的缺陷，使得两者形成功能上的互补，具有相加和的协同作用，而且两者取得的效果为1+1大于2。

(2)内置钢管混凝土芯柱的木结构柱的整体稳定性良好，当木材与钢管贴合良好，共同工作时，稳定系数比纯钢构件提高两倍以上。钢管内部的混凝土对提高木柱的极限承载力作用明显。

(3)本发明的复合型木结构柱中，内置的刚性芯柱可以根据实际高度需要选取，可以采用整根实心钢柱或整根的钢管混凝土芯柱，木结构层采用沿木结构柱轴向设置的一层，克服了传统木结构构造复杂、结构体系及其传力路径不明确、限制其建筑总高及结构布置方式的缺陷，保证了结构的强度及稳定性。

(4)常规木结构柱由于木材本身的特质，在加工、施工和使用过程中容易发生明显压缩、倾斜与扭转变形，其中构件横纹向承压破坏与受弯产生的严重变形与损伤、木材开裂和老化是木结构柱常见的破坏形式。本发明在木柱核心区加入刚性芯柱，如钢管混凝土，能有效约束木材的横向开裂及减少压弯长期作用下的严重变形。

(5)常规建筑结构中的木结构柱多为层叠式半刚性连接多层超静定结构，其节点构造复杂，传力不清晰。本发明内置钢管混凝土芯柱的木结构柱的节点主要由钢结构来保证其传力，与常规钢结构节点类似，节点安全性较纯木结构有保障。节点可以预先在工厂加工，现场外包木材。内置钢管混凝土芯柱的木结构柱具有承载力高、自重轻、工业化程度高、施工快、绿色环保的特点。

(6)由于木材内部核心区有涂覆防火涂料的钢管混凝土柱子，大幅提高其耐火时间。耐火试验表明，该柱子的极限耐火时长大于2.5小时，耐火时长比常规的木结构柱高很多。

附图说明

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明复合型木结构柱实施例一的整体结构图；

图2为本发明复合型木结构柱实施例一的截面图；

图3为本发明复合型木结构柱实施例二的截面图；

图4为本发明复合型木结构柱实施例三的截面图；

图5为本发明复合型木结构柱实施例四的截面图；

图6为本发明复合型木结构柱实施例五的截面图。

附图标记说明

11、混凝土；   12、钢管；   13、防火涂料层；   14、木结构块；

21、混凝土；   22、钢管；   23、防火涂料层；   24、木结构块；

3、十字形钢芯柱；   4、H型钢芯柱；   5、钢板；   6、紧固螺栓；

7、燕尾榫；

具体实施方式

实施例一

本发明一种建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱的实施例一如图1、图2所示，木结构柱由置于芯部的芯柱以及位于外层的木结构层组成，芯柱为刚性芯柱，木结构层位于芯柱外围周边且包覆芯柱，木结构层与芯柱之间还通过连接结构紧固相连接。

芯柱为钢管混凝土芯柱，钢管混凝土芯柱由钢管12以及钢管12内部填充的混凝土11组成，钢管混凝土芯柱为圆柱，钢管12为一整根圆钢管，木结构层截面为圆环形，木结构层包覆钢管12，木结构层与钢管12之间通过连接结构紧固相连接，钢管12外表面还涂覆一层防火涂料层13，耐火时间2.5h，提高其耐火时间，防火涂料层13在施工前预先对钢管12进行防火涂层处理，在钢管12施工时防火涂料层13已成为钢管12的一部分，为其表面涂层。

所述的连接结构包括沿木结构柱径向设置并且穿插贯通木结构层与钢管12的多个尺寸为Φ10的紧固螺栓6，多个紧固螺栓6沿木结构柱轴向自上而下错位设置，相邻的紧固螺栓6相垂直。

为了保证木结构层与钢管12两者良好贴合，并且能传递部分剪力，连接结构还包括涂覆在木结构层与钢管12之间的高强度粘合胶，高强度粘合胶涂覆在防火涂料层13外。

木结构层为沿木结构柱轴向设置的一层，该一层木结构层由四块结构相同的环缺形的木结构块14拼接而成，四块木结构块14由整一根原木切割而成，并做防腐处理，每一块木结构块14所对应的圆心角均为90°，每一根紧固螺栓6均从处于相对位置的一对木结构块14的中心位置处穿插贯通，相邻的木结构块14通过榫卯结构相连接，榫卯结构为燕尾榫7，也可以选用其它榫卯结构。

本实施例中木结构层与钢管之间通过胶水及Φ10紧固螺栓相连接，各片木结构块14之间采用燕尾榫相连。木结构层与钢管主要通过Φ10紧固螺栓保证其相互连接，木结构块14与木结构块14之间主要通过Φ10紧固螺栓和燕尾榫保证其相互连接。木结构层与钢管之间的胶水能保证两者贴合良好，能传递部分剪力，与紧固螺栓一并起到双保险的作用，保证木结构层、钢管混凝土柱共同工作。

本实施例的复合型木结构柱也简称为木包钢构件，是对传统实心木柱的一种替代和改良，通过刚性芯柱和木结构层来共同承重，兼具刚性芯柱和木结构层的优点，与纯钢柱构件相比，整体稳定性和极限承载力也显著增强，具体整体稳定性和极限承载力的试验数据见表4、表5。

通过表4、表5得出本发明内置钢管混凝土芯柱的木结构利用外包的木结构，结合刚性芯柱和木结构层的优点，即该复合型木结构柱既采两者之长，又能够消除两者之间的缺陷，使得两者形成功能上的互补，具有相加和的协同作用，而且两者取得的效果为1+1大于2。

表4：复合型木结构柱整体稳定性对比

表5：复合型木结构柱极限承载力对比

作为本实施例的变换，所述的连接结构也可以采用销钉来替代紧固螺栓5，也具有很好的连接效果。

实施例二

本发明一种建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱的实施例二如图3所示，芯柱也为钢管混凝土芯柱，钢管混凝土芯柱也由钢管22以及钢管22内部填充的混凝土21组成，木结构层为沿木结构柱轴向设置的一层，木结构层由四块木结构块24拼接而成，四块木结构块24由整一根原木切割而成，并做防腐处理，相邻的木结构块24通过燕尾榫7相连接，和实施例一不同的是，本实施例中的钢管混凝土芯柱为正方形柱，钢管22为一整根方钢管，木结构层的截面为外圆内方形。

实施例三

本发明一种建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱的实施例三如图4所示，和实施例一不同的是，本实施例中的该木结构层为一层，一层木结构层由四块结构相同的四分之一圆的木结构块拼接而成，四块木结构块由整一根原木切割而成，并做防腐处理，芯柱为钢构件，具体为十字形钢芯柱3，十字形钢芯柱3由两根相垂直的钢板组成，木结构层包覆十字形钢芯柱3，木结构层与十字形钢芯柱3之间通过连接结构紧固相连接，连接结构采用与实施例一相同的结构，为多根呈上下交错状的紧固螺栓6，相对的木结构块均采用紧固螺栓6从中间穿过，每一根紧固螺栓6与十字形钢芯柱3中的两根钢板之间均具有45°的夹角。

实施例四

本发明一种建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱的实施例四如图5所示，和实施例一不同的是，本实施例中的木结构层为一层，一层木结构层由两块结构相同的半圆形的木结构块相对接而成，两块木结构块由整一根原木切割而成，并做防腐处理，芯柱为钢构件，具体为H型钢芯柱4，木结构层包覆H型钢芯柱4，木结构层与H型钢芯柱4之间通过连接结构紧固相连接，连接结构采用沿木结构柱径向设置并且穿插贯通木结构层与H型钢芯柱4的多个尺寸为Φ10的紧固螺栓6，多个紧固螺栓6沿木结构柱轴向自上而下平行设置，相对接的木结构块之间采用紧固螺栓6从中间穿过，相对接的木结构块之间还设置有燕尾榫。

实施例五

本发明一种建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱的实施例五如图6所示，和实施例四不同的是，本实施例中的木结构层为一层，一层木结构层由两块结构相同的半圆形的木结构块拼接而成，两块木结构块由整一根原木切割而成，并做防腐处理，本实施例中的芯柱为钢构件，具体为钢板5，木结构层包覆钢板5，木结构层与钢板5之间通过连接结构紧固相连接，连接结构采用与实施例四相同的结构，即相对的木结构块采用紧固螺栓6从中间穿过，多个紧固螺栓6均与钢板5相垂直。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，其特征在于：所述木结构柱由置于芯部的芯柱以及位于外层的木结构层组成，所述芯柱为刚性芯柱，所述的木结构层位于芯柱外围周边且包覆所述的芯柱，所述的木结构层与芯柱之间还通过连接结构紧固相连接。

2.根据权利要求1所述的建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，其特征在于：所述的芯柱为钢管混凝土芯柱，所述的钢管混凝土芯柱由钢管以及钢管内部填充的混凝土组成，所述的木结构层包覆所述的钢管，木结构层与钢管之间通过所述的连接结构紧固相连接。

3.根据权利要求2所述的建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，其特征在于：所述的连接结构包括沿木结构柱径向设置并且穿插贯通所述木结构层与钢管的多个紧固螺栓，多个紧固螺栓沿木结构柱轴向自上而下错位设置，相邻的紧固螺栓相垂直；所述的连接结构还包括涂覆在木结构层与钢管之间的高强度粘合胶，保证木结构层与钢管两者良好贴合，并且能传递部分剪力。

4.根据权利要求2所述的建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，其特征在于：所述钢管外表面还涂覆一层防火涂料层。

5.根据权利要求2所述的建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，其特征在于：所述的钢管混凝土芯柱为圆柱，所述的钢管为一根圆钢管，所述木结构层截面为圆环形。

6.根据权利要求2所述的建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，其特征在于：所述的钢管混凝土芯柱为方形柱，所述的钢管为一根方钢管，所述木结构层截面为外圆内方形。

7.根据权利要求3至6任一项所述的建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，其特征在于：所述的木结构层为沿木结构柱轴向设置的一层木结构层，该一层木结构层由两块以上的木结构块拼接而成，相邻的木结构块通过榫卯结构相连接。

8.根据权利要求8所述的建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，其特征在于：所述的木结构块为结构相同的四块，每一根紧固螺栓均从处于相对位置的一对木结构块的中心位置处穿插贯通，所述的榫卯结构为燕尾榫。

9.根据权利要求1所述的建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，其特征在于：所述的芯柱为钢构件，所述的木结构层包覆所述的钢构件，木结构层与钢构件之间通过所述的连接结构紧固相连接。

10.根据权利要求1所述的建筑结构用内置芯柱的复合型木结构柱，其特征在于：所述的钢构件为十字形钢芯柱或H型钢芯柱或钢板。