輕型木結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與改進(jìn)_圖文

1、建 筑 結(jié) 構(gòu) 學(xué) 報(bào)(增刊2Journa l o f Bu il d i n g Struct u res(Supp le m entary Issue 2基金項(xiàng)目:國際科技合作項(xiàng)目(2008DFA71990,陜西省教育廳自然專項(xiàng)基金項(xiàng)目(09J K548。作者簡介:謝啟芳(1978 ,男,江西贛州人,工學(xué)博士,講師。E m ai:l x i eq f gh xau a.t edu .cn 收稿日期:2009年9月輕型木結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與改進(jìn)謝啟芳1,2,呂西林1,熊海貝1(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092;2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安710055摘要

2、:輕型木結(jié)構(gòu)房屋是指用由間距較密的規(guī)格材和覆面材料用釘子連接組成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一種木結(jié)構(gòu)房屋體系。輕型木結(jié)構(gòu)房屋因其建筑綜合能耗低、建筑材料環(huán)境親和力強(qiáng)、抗震性能好等突出優(yōu)點(diǎn)在北美、加拿大等國家廣泛應(yīng)用,幾乎所有的低層住宅都是輕型木結(jié)構(gòu)房屋。而我國在輕型木結(jié)構(gòu)房屋方面的研究和應(yīng)用剛剛起步。介紹了輕型木結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造特征及施工方法,分析了輕型木結(jié)構(gòu)房屋的優(yōu)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。根據(jù)已有的研究資料和房屋的破壞特征探討了該結(jié)構(gòu)體系的不足之處:薄弱的釘連接、墻骨柱強(qiáng)度未發(fā)揮。提出了一種新型木結(jié)構(gòu)墻體,木骨架中的豎向墻骨與橫向墻骨、頂梁、底梁采用榫卯連接,面板與木骨架采用釘連接,該墻體受剪承載力較高、耗能

3、性能好及施工更為簡便。分析了輕型木結(jié)構(gòu)中國化特別是中國村鎮(zhèn)化的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞:輕型木結(jié)構(gòu)房屋;結(jié)構(gòu)特點(diǎn);改進(jìn)措施中圖分類號(hào):TU366.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AStructural characteristics and m i prove mentof li ghtwood fra me housesX I E Q ifang 1,2,LU X ilin 1,X I ONG H ai bei1(1.State Key Laboratory of D isasterReducti on i n C i vilEngi neeri ng ,TongjiUn i versity ,Shanghai 2

4、00092,Chi na ;2.School of C i vil Engineeri ng ,X i an University of Arch itecture and Technology ,X i an 710055,Chi naAbstract :L ight wood fra m e house i s a str uctural syste m c o mposed of dm i ension lu m bers a nd str uctural use panels connected w ith nails .It is used extensively i n Nort

5、h Am erica based on its merits .T he m ajority o f the resident i albu ildi ngs are li ght wood fra m e houses i n t hose countries ,but t he study and applicati on of li ght wood fra m e in Ch i na are onl y at beg i nni ng stage .The str uctural sty les ,tectonic characteri st ics and constructi o

6、n m ethods of li ght wood fra m e houses are i ntr oduced in th i s paper ,the m erits and str uctura l c haracteristics of the li ght wood fra m e houses are analyzed .The shortco m i ngs suc h as weak nail connecti on and i nsufficient use of w ood fra m e colu mns are analyzed based on references

7、 a nd fa ilure models .A ne w k i nd of wood fra me w alls is suggested ,i n which the fra m e me mbers are connected w ith tenon a nd m ortise ,wh ile the na il connect i ons are used bet w een t he wood fra m es and pa nels .The shear stre ngth and d issi pative perfor m a nce of the ne w w alls a

8、re better tha n the f or m er li ght wood fra m e wal,l and easier for constr uct i on .The devel opm e nt trend of th i s structures i n Ch i na is discussed ,especi a lly f or appli cation i n rural area .K ey wor ds :li ght w ood fra m e house ;str uctural c haracteristics ;m i pr ove ment m etho

9、d0 引言節(jié)能環(huán)保是世界各國迫切需要解決的問題,而作為我國國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的建筑業(yè)能源消耗巨大,據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國建筑能耗已達(dá)總量能耗的30%。發(fā)展節(jié)能環(huán)保、資源可再生性的綠色住宅體系,走可持續(xù)發(fā)展之路是建筑業(yè)發(fā)展的方向。與混凝土、各種砌塊和鋼材相比,木材是最好的可持續(xù)發(fā)展材料,具有環(huán)保、節(jié)能、材料可再生等特點(diǎn),因此木結(jié)構(gòu)是環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展建筑的代表,必將成為我國建筑業(yè)新的發(fā)展方向。350我國是木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)源地,歷史悠久、源遠(yuǎn)流長,有一大批木結(jié)構(gòu)古建筑保存至今,如已經(jīng)歷近千年風(fēng)雨的現(xiàn)存世界上最高(67m的木結(jié)構(gòu)建筑佛宮寺釋迦塔(應(yīng)縣木塔、規(guī)模宏大的故宮木結(jié)構(gòu)建筑群等。我國木結(jié)構(gòu)古建筑之所

10、以能歷經(jīng)滄桑而大量長存,是因?yàn)槠溆袆e于鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及用鐵釘、鐵匝連接的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu),而有著其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性1。但由于過渡砍伐,木材資源出現(xiàn)短缺匱乏,近20年我國木結(jié)構(gòu)發(fā)展基本處于停滯階段。與此同時(shí),歐美現(xiàn)代輕型木結(jié)構(gòu)體系得到了迅猛發(fā)展,占當(dāng)?shù)刈≌袌?0%以上。輕型木結(jié)構(gòu)體系是指用由間距較密的規(guī)格材和覆面材料用釘子連接組成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一種木結(jié)構(gòu)房屋體系。輕型木結(jié)構(gòu)房屋因其建筑綜合能耗低、建筑材料環(huán)境親和力強(qiáng)、抗震性能好等突出優(yōu)點(diǎn)在北美、加拿大等國家廣泛應(yīng)用,幾乎所有的低層住宅都是輕型木結(jié)構(gòu)房屋2。我國在輕型木結(jié)構(gòu)房屋方面的研究和應(yīng)用剛剛起步,基本上是全盤引進(jìn)國外木結(jié)構(gòu)的建造技術(shù),且相配套

11、的木材加工技術(shù)卻未能得以引進(jìn)而需進(jìn)口建造用材,使得我國輕型木結(jié)構(gòu)住宅的造價(jià)較高,這與我國的國情不相適應(yīng)。本文在介紹了輕型木結(jié)構(gòu)房屋體系的基礎(chǔ)上,根據(jù)已有的研究資料和房屋的破壞特征探討了該體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與不足之處,提出了一種新型木結(jié)構(gòu)墻體并分析了其特點(diǎn),分析了輕型木結(jié)構(gòu)中國化特別是中國村鎮(zhèn)化的發(fā)展趨勢。1 輕型木結(jié)構(gòu)簡介輕型木結(jié)構(gòu)房屋主要是由木構(gòu)架墻體、木樓蓋和木屋蓋系統(tǒng)等的全部或部分組成的結(jié)構(gòu)體系,適用于3層及3層以下的民用建筑,圖1為一個(gè)2層輕型木結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系是由各種木產(chǎn)品建造而成,承擔(dān)并傳遞作用于結(jié)構(gòu)上的各類荷載。這些木產(chǎn)品主要包括建造結(jié)構(gòu)框架的規(guī)格材(實(shí)心木、工程木產(chǎn)

12、品(再造木,以及用來覆蓋在框架上作為覆面板(墻面板、屋面板和樓面板之用的板材,如膠合板或定向木片板。1.1 輕型木結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征3 4圖2是輕型木結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件,下面將對該類結(jié)構(gòu)的三大組成部分:墻體、樓蓋、屋蓋分別加以敘述。墻體的作用是承受豎向荷載并將屋蓋和樓蓋荷載傳至房屋基礎(chǔ), 并且承擔(dān)由地震和風(fēng)荷載引起的側(cè)圖1 輕型木結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)體系F i g.1 Struc t ura l syste m of li ght wood frame house圖2 輕型木結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件F i g.2 Struct ura lm e m be rs of li ght wood fra m e h

13、ouse樓蓋主要由梁(組合梁、擱柵和樓面板組成。梁由緊固在一起的規(guī)格材或工程木產(chǎn)品制造而成,為樓蓋擱柵提供中間支撐。樓蓋擱柵由規(guī)格材或工程木產(chǎn)品制成,由一系列水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成,用于支撐樓板面板、吊頂及其上的荷載。樓面板由膠合板或定向木片板制成,板材長度方向與擱柵垂直。圖4為典型樓蓋系統(tǒng)剖視圖。351 圖3 墻體框架及構(gòu)件F i g .3 F ram e and m e m bers o f w all圖4 樓蓋系統(tǒng)及其構(gòu)件F i g.4 Syste m and m embers o f fl oo r屋蓋按照建造方法的不同可以分為傳統(tǒng)屋蓋和木桁架屋蓋兩種。傳統(tǒng)屋蓋是指采用單個(gè)構(gòu)件(如椽條和擱柵

14、等在現(xiàn)場組裝構(gòu)成的屋蓋;木桁架屋蓋是指在工廠預(yù)制好桁架、運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后安裝桁架和屋面板而成的屋蓋。圖5 所示為傳統(tǒng)雙坡屋蓋。圖5 傳統(tǒng)雙坡屋蓋F i g .5 D ouble pitch roo f1.2 輕型木結(jié)構(gòu)施工方法3我國GB 50005 2003#木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范5中所指的輕型木結(jié)構(gòu)亦稱!平臺(tái)式框架結(jié)構(gòu)。平臺(tái)式框架結(jié)構(gòu)是一種更精確的表達(dá)方式,它描述了輕型木結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)及方法,見圖1,描述如下。輕型木結(jié)構(gòu)房屋通常采用混凝士基礎(chǔ),然后將木材和樓面板制成的樓蓋(此為地面錨固在基礎(chǔ)上,就形成了一層樓蓋,同時(shí)也為一層墻體框架的施工提供了工作平臺(tái)。墻體框架的每個(gè)墻肢相互連接,同時(shí)與樓蓋(此為地面連

15、接在一起,從而形成一層房屋。建造兩層房屋時(shí),將第二層樓的樓蓋錨固在第一層樓的墻頂,從而為建造第二層墻體框架提供工作平臺(tái)。對于三層樓的房屋,可重復(fù)第二層樓的建造工序。最后將由木材和屋面板制成的屋蓋安裝在頂樓的墻頂上,并與墻頂緊固在一起,這就形成了完整的房屋。圖6為輕型木結(jié)構(gòu)房屋墻體的施工 方法示意圖。圖6 墻體的施工方法F ig .6 Constructi on progra m of w a ll1.3 輕型木結(jié)構(gòu)房屋的優(yōu)點(diǎn)輕型木結(jié)構(gòu)房屋以其諸多優(yōu)點(diǎn)在很多國家得到了廣泛的應(yīng)用,在加拿大和美國,幾乎所有的低層住宅都是輕型木結(jié)構(gòu)房屋。其主要優(yōu)點(diǎn)如下:(1節(jié)能環(huán)保。木材是最好的可持續(xù)發(fā)展材料,在生長

16、過程中能吸收大量的二氧化碳,房屋拆除后木材可以循環(huán)利用,且與石油等能源不同,木材是可再生資源。由于木材具有良好的絕熱性,墻體和屋架體系中又填充了高效的保溫棉,使得木結(jié)構(gòu)房屋具有良好的保溫性能。研究表明6,木結(jié)構(gòu)住宅在生產(chǎn)和使用中的能耗表現(xiàn)都優(yōu)于輕鋼和混凝土結(jié)構(gòu)的住宅。(2施工簡便快速。輕型木結(jié)構(gòu)房屋的主要構(gòu)件均在工廠按標(biāo)準(zhǔn)加工生產(chǎn),在施工現(xiàn)場組裝,無需大型機(jī)械設(shè)備,簡單快速。(3抗震性能好。木結(jié)構(gòu)房屋由于自身重量輕,在地震時(shí)吸收的地震作用相對較少,同時(shí)輕型木結(jié)構(gòu)中大量的釘連接、齒板連接和錨栓連接等柔性連接以及木材的變形在地震作用下耗散大量的能量,使其具有良好的抗震性能。已在歷次地震中得到了檢驗(yàn)

17、。此外,輕型木結(jié)構(gòu)房屋還具有設(shè)計(jì)靈活,便于安裝電氣和機(jī)械管線,舒適便利,耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。3522 輕型木結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)從結(jié)構(gòu)受力上分析,輕型木結(jié)構(gòu)房屋有如下特點(diǎn):(1構(gòu)件間釘連接。釘連接是輕型木結(jié)構(gòu)房屋中最主要的連接形式,包括面板釘連接和骨架釘連接,即墻體面板與墻骨柱、樓蓋面板與擱柵、屋蓋面板擱柵或桁架、墻骨柱與底梁板、墻骨柱與頂梁板等均采用釘連接。(2墻骨柱上下鉸接。墻骨柱上下兩端分別與頂梁板和底梁板采用釘連接,因此墻骨柱上下兩端近似為鉸接,這使得墻骨體骨架基本上不能承擔(dān)水平荷載,只能承擔(dān)豎向荷載,而水平荷載由墻體面板承擔(dān)。 (3墻體多次超靜定。雖然墻骨柱為上下鉸接,但將面板通過若干釘連

18、接于墻骨架之后,由于每多一個(gè)釘連接就多一次超靜定,使得墻體為多次超靜定構(gòu)件,這也是輕型木結(jié)構(gòu)房屋通常不會(huì)發(fā)生整體倒塌的重要原因。3 輕型木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)缺陷輕型木結(jié)構(gòu)建筑引進(jìn)我國后,建造所需的規(guī)格材、定向木片板(O SB 等主要材料均無生產(chǎn)能力而需進(jìn)口,使得其造價(jià)較高,故只能定位于別墅、度假村等少量高端建筑,除此之外,輕型木結(jié)構(gòu)還存在以下明顯不足:(1薄弱的釘連接。輕型木結(jié)構(gòu)中的各部件之間(墻骨柱與面板、擱柵與墻骨柱等全部采用釘連接,從已有的大量試驗(yàn)研究可以看出,由于釘子的接觸面積很小,輕型木結(jié)構(gòu)的破壞主要是釘連接破壞(釘子從墻面板中被拔出、釘頭穿透墻面板、墻面板剪壞、墻骨柱與底梁板分離等7,如圖

19、7所示。雖然釘連接破壞過程是輕型木結(jié)構(gòu)以犧牲局部破壞保證整體結(jié)構(gòu)安全的有效措施,但釘連接破壞時(shí)其它構(gòu)件的強(qiáng)度還遠(yuǎn)未發(fā)揮出來。 圖7 釘連接破壞F i g .7 D a m ages o f na il connecti on(2墻骨柱強(qiáng)度未發(fā)揮。理論分析可知,即使墻骨柱按#木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范允許的最小截面尺寸和最大間距進(jìn)行設(shè)計(jì),墻骨柱的壓應(yīng)力遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度,而已有的研究結(jié)果也表明7:墻骨柱對墻體的抗剪強(qiáng)度和抗側(cè)剛度貢獻(xiàn)很小,因此墻骨柱的作用并未很好發(fā)揮。原因是由墻骨柱、墻面板組成的墻體的整體性差。4 輕型木結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施4.1 墻體結(jié)構(gòu)改進(jìn)為了增加輕型木結(jié)構(gòu)墻體的整體性,本文提出一種新型木骨架墻

20、體。該木骨架墻體由木骨架、面板、頂梁和底梁組成,木骨架中的豎向墻骨與橫向墻骨、頂梁、底梁采用榫卯連接,面板與木骨架采用釘連接,如圖8所示。圖8 新型木骨架墻體示意圖F i g .8 A ne w wood fra m e w all與原有的墻體相比,該新型木骨架墻體具有以下優(yōu)點(diǎn):(1墻體受剪承載力較高。該新型木骨架墻體中木骨架中的豎向墻骨與橫向墻骨之間為半剛性連接,本身可以承擔(dān)一定的水平剪力。將面板釘于木骨架后,木骨架與面板形成一個(gè)整體,整個(gè)墻體可看成一桁架,面板是桁架的斜壓桿和斜拉桿,豎向墻骨為弦桿,橫向墻骨為腹桿,如圖9所示,這樣新型墻體的受剪承載力可顯著高于僅靠面板受剪的原有墻體的受剪承

21、載力,從而可以減小墻骨的截面尺寸和面板的厚度,降低造價(jià)。(2墻體耗能性能好。雖然輕型木結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能,但已有的研究結(jié)果表明7,原有輕型木結(jié)構(gòu)墻體的耗能性能較差,主要是通過釘連接的破壞來吸收能量。而對于該新型木骨架墻體,木骨架各構(gòu)件間均為半剛性榫卯連接,在水平荷載作用353下,榫卯的擠壓變形可以吸收大量的能量8。同時(shí)豎向墻骨在水平荷載作用下與頂、底梁因拔出與插入的摩擦也可消耗大量能量。這樣可以保證墻體不發(fā)生破壞的前提下就可消耗大量地震能量。 圖9 新型木骨架墻體計(jì)算模型F ig .9 Ca lcu l ation mode l o f new w ood fra m e wa ll(3墻

22、體施工更為簡便。與其它結(jié)構(gòu)相比,原有輕型木結(jié)構(gòu)的施工簡便快速,其施工方法已在前文介紹,施工時(shí)墻體平面外需設(shè)置臨時(shí)支撐。而該新型木骨架墻體只需將豎向墻骨插入安裝在底梁的卯口上即可保證其平面外傾倒,無需設(shè)置臨時(shí)支承,施工更為簡便。4.2 降低造價(jià)近年來輕型木結(jié)構(gòu)在我國逐漸得到了應(yīng)用,但主要集中在少數(shù)高檔的別墅會(huì)所等建筑,沒有得到很好的推廣,主要原因是造價(jià)較高。由于受防火要求的限制,我國現(xiàn)行木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定輕型木結(jié)構(gòu)房屋的層數(shù)不能超過3層,因此在土地極其緊張的城市根本無法推廣,而只能在村鎮(zhèn)推廣應(yīng)用。但我國村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)相對落后,目前還無法承擔(dān)各種材料均需進(jìn)口的輕型木結(jié)構(gòu)。因此要將輕型木結(jié)構(gòu)在我國推廣應(yīng)用

23、,必須加大研究力度,降低造價(jià),發(fā)展適合我國國情的國產(chǎn)化輕型木結(jié)構(gòu)。(1發(fā)展具有中國特色的木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)。在吸收國外現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)先進(jìn)技術(shù)的同時(shí),結(jié)合我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),中西合璧,發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型木結(jié)構(gòu)。同時(shí)根據(jù)各地區(qū)的地域特點(diǎn),就地取材,利用地方材料開發(fā)適用于本地區(qū)的木結(jié)構(gòu)住宅體系,從而降低造價(jià)。(2研究、開發(fā)國產(chǎn)化、本土化的木結(jié)構(gòu)建筑材料。通過開發(fā)我國人工速生林、竹材及其它環(huán)保材料作為木結(jié)構(gòu)骨架、面板材料,實(shí)現(xiàn)材料的國產(chǎn)化,并形成資源的良性循環(huán),從而大大降低造價(jià)。如國內(nèi)剛剛具有生產(chǎn)能力的秸稈定向板(OSSB 就完全可以替代木片定向板(OSB,價(jià)格卻低得多。(3加大木結(jié)構(gòu)物理性能研究。按照輕型木結(jié)構(gòu)房屋的建造要求,結(jié)構(gòu)的防火