哈工大-建筑学结构与选型-建筑结构-木结构简化考研.ppt

建筑结构-木 结 构,哈尔滨工业大学 建筑学院孙世钧 2008.09,表1 建筑结构的分类,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.1 木材的特点和适用范围 木结构(timber structure)是指以木材为主制作的结构。由于我国树木分布广泛，易于取材；木材采伐和加上方便，同时质轻且强，所以木材很早就被用来建造房屋与桥梁。但是，由于木材存在着各向异性、天然缺陷(木节、斜纹、髓心、裂缝等)、易腐、易蛀和易裂等缺点，对木结构的结构形式、节点连接，施工质量以且使用期维护都有比较高的要求，以保证木结构有足够的可靠性和耐久性。木结构生长速度缓慢，而木材资源有限，因此，建造木结构除了做到保证安全和人体健康以外，还要合理利用木材，大力发展人工林，改变过去对生态保护重视不够，森林资源破坏严重的情况，促进我国木结构健康地可持续性发展。,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.1 木材的特点和适用范围 承重木结构应在正常温度和湿度环境中的房屋结构和构筑物中使用。凡是处于以下生产和使用条件的情况，不应采用木结构：(1)极易引起火灾的；(2)受生产性高温影响，木材表面愠度高于50的；(3)经常受潮且不易通风的。7.1.2 木材的分类 木结构用的木材分为针叶材和阔叶材。主要承重构件宜采用针叶材，重要的木质连接件应采用细密、直纹，无节和无其他缺陷且耐腐蚀的硬质阔叶材。承重木结构用的木材，按照其材质，从好到坏可分为、级，设计时应根据受力的种类进行选用；,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.2 木材的分类 受拉或拉弯构件材质等级选用I级；受弯或压弯构件材质等级选用D级；受压构件及次要受弯构件材质等级选用级。承重结构木材材质标准参见本结构设计规范(GB 50005-2003)(本节以后简称规范)附录A。木结构用材按使用截面的不同，可分为原木、锯材和胶合材。(1)原木(1og)是指伐倒并除去树皮、树枝和树梢的树干。(2)锯材(sawn lumber)是指由原木锯制而成的任何尺寸的成品材或半成品材。锯材又分方木(squar timber)、板材(p1ank)和规格材(dimension lumber)。方木是指直角锯切且宽厚比小于2的，截面为矩形或正方形的锯材；板材是指宽度为厚度3倍或3倍以上的矩形锯材。规格材是指按轻型木结构设计的需要，木材截面宽度和高度按规定尺寸加工的规格化木材。,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.2 木材的分类(3)胶合材(glued lumber)是指以木材为原料通过胶合压制而成的柱型材和各种板材的总称。7.1.3 木材的物理性能（1）本材的含水率 木材的含水率对木材强度有很大的影响，随含水率的增加木材强度降低。当含水率达到纤维饱和点时，木材的强度不再降低。含水率对受压、受弯、受剪及承压强度影响较大，而对受拉强度影响较小。按照含水率大小，木材可分为干材(含水率小于18)、半干材(含水率等于1825)和湿材(含水率大于25)。规范规定，在制作构件时，木材的含水率应符合下列要求：,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.3 木材的物理性能（1）本材的含水率规范规定，在制作构件时，木材的含水率应符合下列要求：(1)现场制作的原木或方木结构不应大于25%。(2)板材和规格材不应大于20%；(2)受拉构件的连接板不应大于18；(4)作为连接件不应大于15，(5)层板胶合木结构不应大于15，构件各层木板间的含水率差别不应大于5%。（2）木材的湿胀、干裂与翘曲当木材的含水率在纤维饱和点以下变化而引起木材的湿胀或干裂时，其尺寸变化的规律是相似的。由于干缩会引起开裂和翘曲，对于木结构的工作影响较大，因此木结构的干缩更需要引起重视。,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.3 木材的物理性能（2）木材的湿胀、干裂与翘曲 原木或带髓心的方木在干燥过程中开裂的原因主要有两种：(1)环向的收缩受到杆向的约束，沿年轮产生的环向拉应力(2)木材外层的水分蒸发速度比内层快，其收缩变形受到内层的阻碍时，亦产生环向拉应力。上述两种原因产生的拉应力之和，超过了木材的抗拉强度时，即由外向内发生开裂。木材端部水分蒸发较快，常形成严重的端裂，应设法预防。对于板材而言，在干燥过程中，环向和径向两个方向的干缩率不同，若任其自由变形，则发生翘曲。,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.3 木材的物理性能（3）木材的缺陷 天然生长的木材不可避免的会存在一些缺陷。对木材影响最大的缺陷是腐朽和虫蛀，这是任何等级的木材都绝对不允许的。对木材强度柯影响的缺陷还包括：木节、斜纹、裂缝和髓心。7.1.4 木材的力学性能（1）本材的受拉性能 木材顺纹抗拉强度最高，而横纹抗拉强度很低，仅为顺纹抗拉强度的1/10l/40。斜纹受拉强度介于顺纹与横纹两者之间，因而应尽量避免木材横纹受拉。木材受拉破坏前的变形很小，没有显著的塑性变形，属于脆性破坏。故规范对木材受拉除了采用较低的强度设计值外，还要求使用I缎材，对木材的缺陷给于严格限制。,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.3 木材的物理性能（3）木材的缺陷 天然生长的木材不可避免的会存在一些缺陷。对木材影响最大的缺陷是腐朽和虫蛀，这是任何等级的木材都绝对不允许的。对木材强度柯影响的缺陷还包括：木节、斜纹、裂缝和髓心。7.1.4 木材的力学性能（2）木材的受压性能 木材受压时，有较好的塑性变形，可以使应力集中逐渐趋于缓和，所以局部削弱对木材受压的影响比受拉时小得多，木节、斜纹和裂缝等缺陷也较受拉时的影响缓和。木材受压时的工作性能要比受拉时可靠得多，因此对木材的选择较受拉时为宽，可采用级材。,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.3 木材的物理性能（2）木材的受压性能 两个构件利用表面互相接触传递压力叫承压。在木结构的接头和连接中常遇到承压的情况。根据木材承压的外力与木纹所成的角度不同，可分为顺纹承压、横纹承压和斜纹承压（图7-1）。,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.3 木材的物理性能（2）木材的受压性能 1)顺纹承压 木材的顺纹承压强度略低于顺纹受压的强度，原因为：1)承压面不可能完全平整，致使承压力分布不均匀；2)两个构件的年轮不可能对准，构件晚材压入另一构件早材，也使变形增大。但是木材的顺纹承压与顺纹受压相差很小，在规范中将顺纹承压与顺纹受压取同一值fc。2)横纹承压 横纹承压分为局部长度承压和局部宽度承压、全表面承压三种情况，如图72(a)、(b)、(c)所示。,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.3 木材的物理性能（2）木材的受压性能 2)横纹承压 横纹承压分为局部长度承压和局部宽度承压、全表面承压三种情况，如图72(a)、(b)、(c)所示。局部长度承压的强度较高，因为局部长度承压时，不承压部分的的纤维对其受压部分的纤维变形有阻止作用。在局部长度承压中，承压面长度越小，承压强度越高。当木结构构件未承压部分的长度很短时，构件两端将出现横纹开裂现象(图73)，因此构造上必须保证木结构构件l/lc的比值足够大，才能提高横纹承压强度。,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.3 木材的物理性能（2）木材的受压性能 2)横纹承压 由于木材在横纹方向的彼此牵制作用很小，所以局部承压中不考虑在宽度方向未受力部分的影响。全表面横纹承压木材全表面横纹承压时，变形较大，加荷至一定限度以后，由于木材细胞壁逐渐破裂被压扁，木材被压实，其变形逐渐减小直至纤维束失去稳定而破坏。横纹全表面承压强度最低。3)斜纹承压 斜纹承压即外力与木纹成一定角度的局部承压，斜纹承压的强度介于顺纹承压和横纹承压之间，与值有关系。,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.3 木材的物理性能（3）木材的受弯性能 木材的受弯性能如图74所示：截面应力在加载初期呈直线分布；随着荷载的增加，在截面受压区，压应力逐渐成为曲线，而受拉区内的应力仍接近直线，中和轴下移；当受压边缘纤维应力达到其强度极限值时将保持不变，此时的塑性区不断向内扩展，拉应力不断增大；边缘拉应力达到抗拉强度极限时，构件受弯破坏。规范对受弯构件材质的要求介于拉、压之间，可采用级材。,、,7 木 结 构7.1 木结构的用料,7.1.3 木材的物理性能（3）木材的受弯性能 木材的受剪可分为截纹受剪、顺纹受剪和横纹受剪，如图75(a)、(b)(c)所示。截纹受剪是指剪切面垂直于木纹，木材对这种剪力的抵抗力是很大的，一般不会发生这种破坏。顺纹受剪是指作用力与木纹平行。横纹受剪是指作用力与木纹垂直。横纹剪切强度约为顺纹剪切强度的一半，而截纹剪切强度则为顺纹剪切强度的8倍。木结构中通常多用顺纹受剪破坏，属于脆性破坏。木材缺陷对受剪下作影响很大，特别是木材的裂缝，当裂缝与剪面重合时更加危险，常是木结构连接破坏的主要原因。由于木材的髓心处材质较易开裂，故规范规定受剪面应该避开髓心。,、,7 木 结 构7.2 木结构构件计算,7.2.1 轴心受拉构件轴心受拉构件的承载力按下式验算,、,7 木 结 构7.2 木结构构件计算,7.2.2 轴心受压构件轴心受压构件的承载力按下式验算,、,7 木 结 构7.2 木结构构件计算,7.2.3 受弯构件,、,7 木 结 构7.2 木结构构件计算,7.2.3 受弯构件,、,7 木 结 构7.2 木结构构件计算,7.2.4 拉弯构件7.2.5 压弯构件,、,7 木 结 构7.3 木结构的连接,木结构的构件连接是木结构的重要内容之一，包括连接形式、连接构造和连接汁算部分内容。常用的木结构连接形式包括两大类：齿连接和螺栓连接。齿连接（1）连接形式 齿连接是通过构件与构什之间直接抵承传力，所以齿连接只适用于受压构件与其他构件连接的结点上。齿连接有单齿连接与双齿连接，如图76(a)、(b)所示。,、,7 木 结 构7.3 木结构的连接,(2)构造要求 1)齿连接的承压面，应与所连接的压杆轴线垂直；2)单齿连接应使压杆轴线通过承压面中心；3)木桁架支座结点的上弦轴线和支座反力的作用线，当采用方木或板材时弦净截面的中心线交汇于一点：当采用原木时，可于下弦毛截间的中心线交汇于一点时，刻齿处的截面可按轴心受拉验算；4)齿连接的齿深，对于方木不应小于20mm,对于原木不应小于30mm；5)桁架支座结点齿深不应大于h3，中间结点的齿探不应大于h4(h为沿齿深方向的构件截面高度)；6)双齿连接中，第二齿的齿深hc应比第一齿的齿深hc1至少大20mm，单齿和双齿第一齿的剪面长度不应小于4.5倍齿深；7)当采用湿材制作时，木桁架支座节点齿连接的剪面长度应比计算值加长50mm。,、,7 木 结 构7.3 木结构的连接,7.3.2 螺栓连接和钉连接（1）连接形式 1）螺栓连接和钉连接有单剪连接和双剪连接两种，如图7-7（a）、（b）。,、,7 木 结 构7.3 木结构的连接,7.3.2 螺栓连接和钉连接（1）连接形式2)螺栓连接和钉连接排列有两纵行齐列和错列两种，如图7-8（a）、（b）。,、,7 木 结 构7.4 木结构的一般设计和构造要求,(1)木结构的设计要求 1)木材宜用于结构的受压或受弯构件，对于在干燥过程中容易翘裂的树种木材用作桁架时宜采用钢下弦；若采用木下弦，对于原木，其跨度不宜大于15m，对于方木不应大于12m，且应采取有效措施防止裂缝危害；2)木屋盖宜采用外排水，若必须用内排水时，不应采用木质天沟；3）应积极创造条件采用胶合木构件或胶合木结构。4）必须采取通风和防潮措施，以防木材腐朽或虫蛀；5)合理减少构件截面的规格，以符合工业化生产的要求；6)应保证木结构，特别是钢木桁架在运输和安装过程中的强度、刚度和稳定性；7)地震区设计木结构，在构造上应加强构件之间、结构与支撑物之间的连接，特别是刚度差别较大的两部分或两个构件之间的连接必须安全可靠。,、,7 木 结 构7.4 木结构的一般设计和构造要求,(2)在可能造成风灾的台风地区和山区风口地段，木结构的设计应采取有效措施，以加强建筑物的抗风能力。尽量减小天窗的高度和跨度；采用短出檐或封闭出檐；瓦面宜加压砖或坐灰；山墙采用硬山；檩条与桁架(或山墙)、桁架与墙(或柱)、门窗框与墙体等的连接均应采取可靠的锚固措施；(3)抗震设防烈度为8度和9度的地区设计木结构建筑，可根据需要采用隔震、消能设计。(4)在结构的同一结点或接头中有两种或多种不同的连接方式时，计算时应该仅考虑一种连接传递内力，不得考虑几种连接的共同工作。(5)杆系结构中的木结构，当有对称削弱时，其净截面面积不应小于构件毛截面面积的50；当有不对称削弱时，其净截面面积不应小于构件毛截面面积的60。(6)受拉构件的受拉边，不得打孔或开设缺口。(7)圆钢拉杆和拉力螺栓的直径，应按计算确定，但不宜小于12mm。,、,7 木 结 构7.4 木结构的一般设计和构造要求,(8)桁架的圆钢下弦、三角形桁架跨中竖向钢拉杆、受振动荷载影响的钢拉杆以及直径等于或大于20mm的钢拉杆和拉力螺栓，都必须采用双螺帽。(9)木结构的钢材部分，应有防锈措施。(10)在房屋或构筑物建成后，应按规范附录D对木结构进行检查和维护。对于用湿材或新利用树种木材制作的木结构，必须加强使用前和使用后第12年内的检查和维护工作。7.5木结构的防火和防护（1）木结构防火的一般规定 1）木结构建筑构什的燃烧性能和耐火极限不府低于表7-4的规定。,、,7 木 结 构7.5木结构的防火和防护,（1）木结构防火的一般规定 1）木结构建筑构什的燃烧性能和耐火极限不府低于表7-4的规定。,、,7 木 结 构7.5木结构的防火和防护,（1）木结构防火的一般规定 2)木结构建筑于应超过三层。不同层数建筑最大允许长度和防火分区面积不应超过表75的规定。,、,7 木 结 构7.5木结构的防火和防护,（1）木结构防火的一般规定 3)木结构建筑之间、木结构建筑与其他耐火等级的建筑之间的防火间距不应小于表76的规定。,、,7 木 结 构7.5木结构的防火和防护,（1）木结构防火的一般规定 4)两座木结构建筑之间、木结构建筑与其他结构建筑之间的外墙均无任何门窗洞口时，其防火间距不应小于4.OOm。5)两座木结构建筑之间、木结构建筑与其他耐火等级的建筑之间，外墙的门窗面积之和不超过该外墙面积的l0时，防火间距不应小于表7-7的规定。,、,7 木 结 构7.5木结构的防火和防护,（2）木结构防护的一般规定1)木结构中的下列部位应采取防潮和通风措施：a)在桁架和大粱的支座下应设置防潮层；b)在木柱下衅置苎吏，严禁将木柱直接堀人士中；c)桁架、人梁的支座节点或其他承重木构件不得封团在墙保温层或通风不良的环d)处于房屋隐蔽部分的木结构，应设通风洞；e)露天结构在构造卜应避免任何部分确积水的可能，井应在构件之间留有空 隙(连接部位除外)；f)当室内外温差很大时，房厚的围护结构(包括保温吊顶)，应采取有效的保温和隔汽措施。2)木结构构造L的防腐、防虫措施，除应在设计图纸中加以说明以外施上的有关上序交接时，检查其施上质量，如发现问题应寸即纠正。,、,7 木 结 构7.5木结构的防火和防护,（2）木结构防护的一般规定 3)下列情况，除从结构上采取通风防潮措施外，尚应进行药剂处理；a)露天结构；b)内排水桁架的支座节点处；c)檩条、搁栅、柱等木构件直接与砌体、混凝土接触部位；d)白蚁容易繁殖的潮湿环境中使用的木结构；e)承重结构中使用马尾松、云南松、湿地松、桦木以及新利用树种中易腐朽或易遭虫害的木材。4)木结构的机械加工应在药剂处理前进行。木结构经防腐虫处理后，应避免重新切割或钻孔。由于技术上的原因，确有必要作局部修整时，必须对木材暴露的正面，涂刷足够的同品牌药剂。,、,