CN109914219A - 一种正交胶合木装配式木拱结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交胶合木装配式木拱结构，包括1个或多个沿木拱宽度方向布设的木拱本体，各木拱本体均分别由多块正交胶合木沿木拱长度方向依次拼接构成，相邻的两正交胶合木之间通过侧边连接金属件固定，在木拱本体的上表面固定有一层或多层复合紧固张紧层；各正交胶合木的剖面形状为等腰梯形，其上表面的长度大于下表面的长度；复合紧固张紧层为碳纤维层、玻璃纤维层或钢带。木拱本体和其上的复合紧固张紧层在安装到位后呈现拱形状态，在运输及叠放存储时均呈现为平板状态。本发明采用工厂预制、现场局部组装的方式，便于运输，且装配简单快速，缩短现场施工时间，同时可有效利用正交胶合木的尺寸稳定性，大幅提高其抗压强度利用率。

Description

一种正交胶合木装配式木拱结构

技术领域

本发明提供了一种正交胶合木装配式木拱结构，属于装配式木结构建筑技术领域。

背景技术

装配式木结构建筑，是预先在专业的工厂生产出部分或全部木质构配件，运送到施工现场进行组装。装配式结构是对传统建造方式的根本变革，与传统的施工方法相比，装配式建筑采用工厂流水线生产、现场快速吊装的方式，可以提高建造的速度，减少现场的施工量，同时其在节能、节材、减少噪声等方面具有显著的效果。

正交胶合木(Cross laminated timber，CLT)是一种新型的工程木产品，其至少由三层实木锯材或复合结构板材互相垂直交替布置组坯，并采用结构用胶黏剂胶合而成。作为一种新型的工程木产品，其与钢材、玻璃、混凝土等材料相比具有自重轻、隔热性能高、绿色、环保、循环可再生等优点。与普通胶合木相比则具有尺寸稳定性好、幅面大、横向强度高等优点。同时，作为一种新型工程木产品，因CLT产品性能可控、制造精度高、易于加工生产，便于进行预制化和装配化，可大大提高安装精度和安装速度，而在欧洲、北美等地区快速发展，已经大量用于建造装配式和多高层木结构建筑。

由于加工工艺限制，CLT多采用平板冷压方式制造，其主要用于加工墙板、楼板、屋面板等构件，而很少用于大跨、空间和桥梁结构。CLT楼板、屋面板的弯曲破坏形式多为中间横向层木材滚动剪切破坏或底部受拉层木材的拉伸破坏，而很少发生木材的受压破坏。而木材的顺纹抗压强度设计值约为顺纹抗拉强度设计值的1.3～1.6倍，导致木材的抗压强度得不到充分的利用，也限制了CLT的跨度。

目前，常用的木拱结构主要为“编木拱桥”、“贯木拱桥”、“胶合木拱结构”等，多采用原木或胶合木制作承重的拱肋，之后在拱肋上铺设木板而成，其构件加工复杂、装配程度低导致施工周期较长。而使用CLT制作木拱还处于研究探索阶段，未进行推广应用，CLT在木结构也多用于板式构件，弯曲异形CLT的研究也很少。采用真空加压方式制备弯曲异形CLT板材的工艺复杂、成本较高，还未进行大规模应用。检索国内已发表的专利和相关文献，暂未发现如何利用CLT平面板材在工厂加工预制木拱结构，并能满足方便运输和快速装配等要求的研究或专利。

本发明的特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

发明内容

为了解决上述技术问题中的某些问题，本发明提供了一种正交胶合木预制装配式木拱结构及其制作方法，使用小幅面的CLT板材在工厂加工成标准化的模块，并预制成较大跨度的CLT木拱结构单元，经现场吊装加固形成木拱结构。本发明能在不增加CLT厚度的前提下提高CLT板材的跨度，提高现场安装的速度和精度，节省木材，其还具有产品质量稳定、强度可控、尺寸稳定性好、方便运输等优点，可更好地满足于木结构建筑的需求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提出的一种正交胶合木装配式木拱结构，其特征在于，包括1个或多个沿木拱宽度方向布设的木拱本体，各木拱本体结构相同，均分别由多块正交胶合木沿木拱长度方向依次拼接构成，相邻的两正交胶合木之间通过侧边连接金属件固定，在所述木拱本体的上表面固定有一层或多层复合紧固张紧层；

所述正交胶合木的剖面形状为等腰梯形，其上表面的长度大于下表面的长度；各正交胶合木包含3～9层木材层，上下表层的木材纹理互相平行，且与拱体长度方向平行，相邻层板木材纹理互相垂直；所述正交胶合木的木材层为实木锯材、单板层积材、单板条层积材、定向刨花板中的一种或几种组合；

所述复合紧固张紧层，为碳纤维层、玻璃纤维层或钢带，该复合紧固张紧层的长度不小于所述木拱本体上表面的长度，且所述复合紧固张紧层的强度能承受其自身及所述木拱本体的自重。

进一步地，在所述木拱本体两端还设有一对铰接支座，用于与所述正交胶合木装配式木拱结构的基础形成铰接。或者，将所述木拱本体两端的正交胶合木采用金属件封端，用于与所述正交胶合木装配式木拱结构的基础形成刚接。

进一步地，所述木拱本体和其上的复合紧固张紧层在安装到位后呈现拱形状态，在运输及叠放存储时均呈现为平板状态。

本发明的特点及有益效果：

与现有木拱加工、安装技术相比，本发明的一种正交胶合木装配式木拱结构，能充分利用正交胶合木板材的顺纹抗压性能，提高正交胶合木板材的跨度；同时可借助正交胶合木板材宽度大、尺寸稳定性好、便于工厂预制和现场装配等优点。本发明的木拱结构在工厂预制完成后为平板形状，便于运输和储存，CLT板材上表面通过复合紧固层相连，方便吊装，依靠自重自动形成拱形，实现快速安装，降低运输的成本，提高现场安装的速度和精度，缩短施工周期。此外，本发明采用的基材为标准化的正交胶合木，其形状、尺寸一致，便于进行批量加工，且所需要的正交胶合木尺寸较小，便于生产和运输。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明一个实施例所述一种正交胶合木装配木拱结构的示意图；

图2为图1中的木拱结构展开后的剖面示意图；

图3为图1中的侧边连接金属件的结构示意图；

图4为图1中的铰接支座和自攻螺钉的结构示意图；

图5表层钢条加固示例吊装前示意图。

其中，图1、图2、图3、图4和图5中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1正交胶合木(11、12、13层板)，2复合紧固张紧层(21为钢带，22为自攻螺钉)，3侧边连接金属件，4自攻木螺钉或销钉，5铰接支座(51为槽字型钢，52为肋板，53为自攻螺钉)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照附图，对本发明的具体实施例做出进一步说明：

本发明实施例的一种正交胶合木装配式木拱结构，其整体结构如图1所示，包括1个或多个沿木拱宽度方向布设的木拱本体，各木拱本体结构相同，均分别由多块正交胶合木1沿木拱长度方向依次拼接构成，相邻的两正交胶合木之间通过侧边连接金属件3固定，在木拱本体的上表面固定有一层或多层复合紧固张紧层2，相邻木拱本体的上表面也通过一层或多层复合紧固张紧层2形成固定连接；各正交胶合木1的剖面形状均为等腰梯形，其上表面的长度大于下表面的长度，各正交胶合木1均分别包含3～9层木材层，上、下表层的木材纹理(顺纹)相互平行，且与拱体长度方向平行，相邻木材层的木材纹理相互垂直；复合紧固张紧层2为碳纤维层、玻璃纤维层或钢带，该复合紧固张紧层2的长度不小于木拱本体上表面的长度，且复合紧固张紧层2的强度能承受其自身及木拱本体的自重。

本发明实施例中各部件的具体实现方式及功能说明如下：

木拱本体内各正交胶合木1包含3～9层木材层，正交胶合木的木材层为实木锯材、单板层积材、单板条层积材、定向刨花板中的一种或几种组合。如图2所示，本实施例采用3层木材层11、12、13，其中木材层11和13的木材纹理与木拱长度方向平行，木材层12的木材纹理与木拱长度方向垂直，复合紧固层2与正交胶合木上表面采用胶黏剂或金属件固定，使正交胶合木可弯曲成拱状。相邻两正交胶合木1之间还通过位于正交结合木侧边的连接金属件3及多个自攻木螺钉或销钉4固定连接，侧边连接金属件3在木拱本体吊装后安装固定，本实施的侧边连接金属件3的截面形状如图3所示，与木拱本体吊装到位后相邻两正交结合木1侧边所形成的截面相一致，侧边连接金属件3可为镀锌钢板、不锈钢板或铝板，通过侧边连接金属件3可提高本木拱结构的整体刚度；固定侧边连接金属件3所采用的自攻木螺钉或销钉4的直径为5-30mm，长度大于直径的3倍，一般为15-800mm，通过自攻木螺钉或销钉4保证侧边连接金属件3的承载力，同时防止因钉导致木材开裂。

固定于木拱本体上表面的复合紧固张紧层2可采用碳纤维层、玻璃纤维层或钢带21，可设置一层或多层，通过自攻螺钉22与木拱本体固定。碳纤维层、玻璃层和钢带可组合使用或单独使用，当采用碳纤维层或玻璃纤维层时满铺于木拱本体上表面，当采用钢带时在木拱本体上表面间隔设置多个钢带。复合紧固张紧层2的设置使得复合张紧层2能够在运输、吊装过程中承载木拱自身重量，同时复合紧固张紧层为柔性层，可弯曲变形，运输时木拱可堆叠平放在卡车上，吊装过程中木拱在重力作用弯曲起拱，便于现场装配，其既可提高木拱的装配精度和装配速度，同时避免在现场使用脚手架，大大减少现场施工量。木拱安装后，复合紧固层可提供抗拉强度，提高木拱整体刚度，防止失稳变形。该木拱与现有原木拱结构相比，可大大降低运输成本，提高安装精度，提高现场的装配速度。

木拱本体的两端可通过一对铰接支座5与本正交胶合木装配式木拱结构的基础形成铰接，本实施例的铰接支座5如图4所示，为采用镀锌钢板、不锈钢板或铝板制成的槽字型钢51，该槽字型钢板51的截面尺寸与正交胶合木1两端的截面尺寸相匹配，槽字型钢板51通过自攻螺钉53(该自攻螺钉可替换为螺栓)与正交胶合木1固定，在槽字型钢51的腹板背部间隔设有多个肋板52，用于与本正交胶合木装配式木拱结构的基础铰接。此外，本正交胶合木装配式木拱结构与基础的连接方式也可采用刚接，此时，将铰接支座5替换为端封在木拱本体两端正交胶合木端部的金属件(如采用金属板)，通过该金属板安装在基础的混凝土槽或钢槽中形成刚接。

本发明的正交胶合木装配式木拱结构，采用工厂预制加工，现场装配加固的方式安装。工厂加工和运输时的木拱形态均为木拱展开后的平面状态(如图5所示)，木拱组件现场吊装时，在复合紧固张紧层2和正交胶合木1的自重作用下，形成拱形，并将其通过侧边连接金属件3固定安装。该发明可利用中小幅面的正交胶合木板材制备各正交胶合木，加工和运输均为平板形状，便于储存、运输和吊装，现场作业进行吊装和侧边加固，大大提高安装速度。

本发明实施例的正交胶合木拱结构的尺寸规格为拱的跨度为6000mm、拱高2000mm、拱宽度1200mm，正交胶合木1的宽度1200mm、上表面长度657mm、下表面长度636mm、厚度105mm，正交胶合木1和各个连接件均在工厂加工而成，且在工厂内通过不锈钢带完成各正交胶合木上表面的加固(即拱的上表面采用不锈钢带和自攻螺钉固定)，在施工现场，通过不锈钢带吊装木拱本体到位后，在拱的两侧采用镀锌钢板和自攻螺钉紧固，拱的底部采用钢板焊接而成的铰接支座将其固定在基础上。该拱展开后长度为约为8m，宽度为1.2m，可根据拱的最终宽度采用多个木拱结构拼接使用，运输时，为展平的装配放置于卡车上，可一次运输多个，节省运输费用。

本发明的具体加工和安装步骤为：

1)按照木拱的跨度、拱高和拱宽将中小幅面的正交胶合木板材裁切成各正交胶合木所需的尺寸；本实施例裁切105mm厚的正交胶合木板材，将其锯切成尺寸为1200mm宽、670mm长的标准单元块。

2)按照设计要求，精加工正交胶合木侧边，加工出剖面为等腰梯形的正交胶合木1(如图2中的1所示)，具体地：通过计算机数字控制机床(CNC)，加工出正交胶合木1所需的等腰梯形形状(如图2所示)，并对表面和端面进行砂光处理，加工后的正交胶合木1上表面长度657mm，下表面长度636mm，宽度1200mm，厚度105mm，加工出的正交胶合木1的长度误差在±1mm以内，宽度误差在±3mm以内，厚度误差在1mm以内。

3)采用刨光或砂光的方式，加工各正交胶合木1上表面，提高上表面的平整度，便于后续的胶合。

4)按照设计要求，选择一定数量(本实施例共有12块正交胶合木)的正交胶合木，按照上表面相接的方式一字排开，各正交胶合木在宽度方向上对齐，相邻正交胶合木上表面在长度方向相接，下表面不接触，中间的空隙为等腰三角形；涂布胶黏剂将碳纤维层、玻璃纤维层或钢带胶合固定在正交胶合木的上表面(胶合后也可选择采用螺钉加固或仅选择使用螺钉固定的方式固定钢带)，形成复合紧固张紧层2。本实施例采用不锈钢带加固，不锈钢带的厚度为3mm，宽度为50mm，一共布置三条不锈钢带，不锈钢带位于木拱本体宽度方向的四等分点上，采用自攻木螺钉将不锈钢带固定在正交胶合木的上表面，螺钉的直径为5mm，长度为80mm；

5)胶黏剂固化后，除去多余胶黏剂，涂饰上下表面和正交胶合木的侧边。

6)安装底部铰接支座，安装前可根据木拱的使用环境，选择喷淋防腐剂，对木拱底部铰接部位进行防腐处理。之后采用长自攻螺钉将铰接支座固定在两端的正交胶合木上，形成木拱构件。具体为：安装前对将要和铰接件钢槽接触的正交胶合木的端头进行防腐处理，防止后期冷凝水造成端头的腐朽，防腐剂选用低毒水溶性ACQ防腐剂；待端头干燥后安装底部铰接支座，铰接支座采用Q235钢板焊接而成，焊接后进行表面喷涂，作防锈处理；在正交胶合木端部预先开10mm的孔，防止安装螺钉时开裂，用木螺钉将铰接支座固定在正交胶合木的端部，木螺钉的直径为15mm，长度为200mm，间距150mm。

7)将工厂预制完成的多块木拱构件堆叠平放于卡车上，运输至安装现场。

8)将平放的木拱构件吊起，正交胶合木在自重和上表面钢带的限制下，形成拱形，然后将木拱安装在基础的支座上，加装钢销进行固定。

9)微调木拱形状，使其达到设计的高度，采用自攻木螺钉或销钉将侧边连接金属件3固定在木拱本体的两侧，连接固定相邻的两个正交胶合木1，并提高木拱的整体刚度。本实施例采用的侧边连接金属件3为镀锌Q235钢板，厚度为10mm，侧边连接金属件和正交胶合木用自攻螺钉连接固定，螺钉的直径为6mm，长度120mm，螺钉间距35mm，每块侧边连接金属件上安装12枚自攻螺钉。

10)重复步骤8)、9)的安装过程，并排安装多个木拱构件，使其达到设计宽度；其中，并排安装木拱时，可将木拱构件放置在临时底座上，待侧边连接金属件固定后将其安装至基础底座，安装多个木拱时，相邻木拱构件可采用不锈钢带或镀锌钢带、以及自攻螺钉连接固定，钢带平行木拱长度方向布置，钢带宽度为100-500mm，厚度为2-8mm。

在本发明的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种正交胶合木装配式木拱结构，其特征在于，包括1个或多个沿木拱宽度方向布设的木拱本体，各木拱本体结构相同，均分别由多块正交胶合木(1)沿木拱长度方向依次拼接构成，相邻的两正交胶合木之间通过侧边连接金属件(3)固定，在所述木拱本体的上表面固定有一层或多层复合紧固张紧层(2)；

所述正交胶合木(1)的剖面形状为等腰梯形，其上表面的长度大于下表面的长度；各正交胶合木均分别包含3～9层木材层，上、下表层的木材纹理互相平行，且与拱体长度方向平行，相邻层板木材纹理互相垂直；所述正交胶合木的木材层为实木锯材、单板层积材、单板条层积材、定向刨花板中的一种或几种组合；

所述复合紧固张紧层(2)，为碳纤维层、玻璃纤维层或钢带，该复合紧固张紧层(2)的长度不小于所述木拱本体上表面的长度，且所述复合紧固张紧层(2)的强度能承受其自身及所述木拱本体的自重。

2.根据权利要求1所述的正交胶合木装配式木拱结构，其特征在于，还包括安装于所述木拱本体两端的一对铰接支座(5)，用于与所述正交胶合木装配式木拱结构的基础形成铰接。

3.根据权利要求1所述的正交胶合木装配式木拱结构，其特征在于，所述木拱本体两端的正交胶合木采用金属件封端，用于与所述所述正交胶合木装配式木拱结构的基础形成刚接。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的正交胶合木装配式木拱结构，其特征在于，所述侧边连接金属件(3)为镀锌钢板、不锈钢板或铝板，采用自攻木螺钉或销钉固定在相邻两正交胶合木(1)的侧面；所述自攻木螺钉或销钉的直径为5-30mm，长度大于直径的3倍。

5.根据权利要求2所述的正交胶合木装配式木拱结构，其特征在于，所述铰接支座(5)采用镀锌钢板、不锈钢板或铝板制成，并通过自攻木螺钉或螺栓与木拱本体两端的正交胶合木固定。

6.根据权利要求1～3或5中任意一项所述的正交胶合木拱装配式木拱结构，其特征还在于，所述木拱本体和其上的复合紧固张紧层(2)在安装到位后呈现拱形状态，在运输及叠放存储时均呈现为平板状态。