木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與木材設(shè)計(jì)指標(biāo)

第三章木木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)方法與木木材設(shè)計(jì)指指標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基基本目標(biāo)：：在預(yù)期的的使用年限限內(nèi)，滿足足各種預(yù)定定的使用功功能。結(jié)構(gòu)功能：：安全性、、適用性、、耐久性。。極限狀態(tài)：：承載力極極限狀態(tài)、、正常使使用極限狀狀態(tài)3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理理論的演變變3.1.1容許應(yīng)力極極限狀態(tài)σ——結(jié)構(gòu)構(gòu)件控控制界面最最大應(yīng)力，，采用“標(biāo)準(zhǔn)荷載組組合效應(yīng)”計(jì)算；[σ]——容許應(yīng)力；；fs——構(gòu)件材料的的彈性極限限強(qiáng)度；k——安全系數(shù)，，大于1。破壞狀態(tài)是是指控制截截面的最大大應(yīng)力達(dá)到到材料的彈彈性極限：：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單單易行；缺點(diǎn)：破壞壞狀態(tài)與實(shí)實(shí)際情況不不符；未考考慮荷載和和材料強(qiáng)度度的變異性性，是定值值設(shè)計(jì)方法法；安全系系數(shù)k由經(jīng)驗(yàn)確定定，缺乏科科學(xué)依據(jù)。。3.1.2破壞階段設(shè)設(shè)計(jì)法Si——第i種荷載的作作用效應(yīng)；R(fA)——構(gòu)件的抗力力函數(shù)；f——構(gòu)件材料的的屈服強(qiáng)度度；A———構(gòu)件件幾何何參參數(shù)數(shù)；；k———安全全系系數(shù)數(shù)，，大大于于1。破壞壞狀狀態(tài)態(tài)是是指指結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件件控控制制截截面面的的最最大大應(yīng)應(yīng)力力達(dá)達(dá)到到材材料料承承載載力力極極限限：：3.1.3多系系數(shù)數(shù)極極限限狀狀態(tài)態(tài)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)法法qi、ni、ci———第i種荷荷載載的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值值、、超超載載系系數(shù)數(shù)與與作作用用效效應(yīng)應(yīng)系系數(shù)數(shù)；R(fA)————構(gòu)件件的的抗抗力力函函數(shù)數(shù)；；fi、ki———構(gòu)件件第第i種材材料料的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)強(qiáng)強(qiáng)度度與與不不均均勻勻系系數(shù)數(shù)；；Ai———構(gòu)件件第第i種材材料料的的幾幾何何參參數(shù)數(shù)；；m———構(gòu)件件工工作作條條件件影影響響系系數(shù)數(shù)，，小于于1。采用用承承載載力力和和正正常常使使用用兩兩種種極極限限狀狀態(tài)態(tài)，，在在承承載載力力極極限限狀狀態(tài)態(tài)下下采采用用多多系系數(shù)數(shù)表表達(dá)達(dá)法法；；考考慮慮超超載載與與材材料料不不均均勻勻性性和和工工作作條條件件的的影影響響：：3.1.4基于可靠性理理論的極限狀狀態(tài)設(shè)計(jì)法水準(zhǔn)I——半概率法；水準(zhǔn)II——近似概率法；；水準(zhǔn)III——全概率法。從結(jié)構(gòu)功能失效效概率出發(fā)，將荷載載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)構(gòu)抗力不定性性聯(lián)系起來(lái)，，將憑經(jīng)驗(yàn)確確定的安全系系數(shù)或多系數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)構(gòu)功能滿足不不大于失效概概率的各荷載載分項(xiàng)系數(shù)、、效應(yīng)組合系系數(shù)和抗力分分項(xiàng)系數(shù)等。。3.2基于可可靠性性理論論的極極限狀狀態(tài)設(shè)設(shè)計(jì)法法3.2.1結(jié)構(gòu)可可靠度度的概概念結(jié)構(gòu)可可靠度度：結(jié)結(jié)構(gòu)在在規(guī)定定的時(shí)時(shí)間內(nèi)內(nèi)與規(guī)規(guī)定的的條件件下，，完成成預(yù)期期功能能的概概率。?？煽扛怕事蔖s，失效概概率Pf，Ps+Pf=1?？煽慷戎钢笜?biāo)計(jì)算算公式：：3.2.2目標(biāo)可靠靠度目標(biāo)可靠靠指標(biāo)（（記為β0），指由由規(guī)范規(guī)規(guī)定的、、為今后后設(shè)計(jì)所所采用的的可靠指指標(biāo)。從從理論上上說(shuō)，其其值應(yīng)根根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件的的重要性性、破壞壞性質(zhì)和和破壞后后果，以以優(yōu)化方方法分析析確定。。目前條條件下，，只能用用“校準(zhǔn)準(zhǔn)法”確確定?！靶?zhǔn)法法”是用用概率法法對(duì)原規(guī)規(guī)范隱含含的可靠靠指標(biāo)進(jìn)進(jìn)行反演演計(jì)算，，作為確確定新規(guī)規(guī)范目標(biāo)標(biāo)可靠指指標(biāo)的基基礎(chǔ)。這這種方法法的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是穩(wěn)妥妥易行，，既能使使新定的的β0值符合我國(guó)工工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)，又能使原原規(guī)范在某些些情形下β0值過(guò)低或過(guò)高高的缺陷得到到糾正?！督ㄖY(jié)構(gòu)可可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068：承載力極限狀狀態(tài)，以50年為年失效效概率。正常使用極限限狀態(tài)，可靠靠度標(biāo)準(zhǔn)可降降低，取0-1.5，失失效概率為0.5-0.0668。。木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使使用年限類別設(shè)計(jì)使用年限示例15臨時(shí)性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和一般構(gòu)筑物4100紀(jì)念性建筑物和特別重要建筑結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)安全全等級(jí)安全等級(jí)破壞后果示例一級(jí)很嚴(yán)重重要的建筑物二級(jí)嚴(yán)重一般的建筑物三級(jí)不嚴(yán)重次要的建筑物3.3承載力極限狀狀態(tài)和木材強(qiáng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值承載力極限狀狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)達(dá)式：3.3.1承載力極限狀狀態(tài)式中γ0——結(jié)構(gòu)重要性系系數(shù)；S——荷載效應(yīng)基本本組合；R——結(jié)構(gòu)承載力計(jì)計(jì)算值。結(jié)構(gòu)重要性系系數(shù)γ0取值：（1）安全等級(jí)為為一級(jí)或設(shè)計(jì)使用年年限為50年及以上的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不不應(yīng)小于1.1；對(duì)安全等級(jí)級(jí)為一級(jí)且設(shè)計(jì)使用年年限為100年及以上的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不不應(yīng)小于1.2；（2）安全等級(jí)為為二級(jí)或設(shè)計(jì)使用年年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件件，不應(yīng)小于于1.0；（3）安全等級(jí)為為三級(jí)或設(shè)計(jì)使用年年限為5年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件件，不應(yīng)小于于0.9；對(duì)設(shè)計(jì)使用用年限為25年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件件，不應(yīng)小于于0.95；構(gòu)件承載力與與材料強(qiáng)度呈呈線性關(guān)系，，承載力分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)γR也可稱為材料料強(qiáng)度分項(xiàng)系系數(shù)。式中Ak——材料截面幾何何參數(shù)；R(?)——抗力抵抗系系數(shù)；γR——承載力分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)；γf——材料性能分分項(xiàng)系數(shù)；fk,f——材料強(qiáng)度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)設(shè)計(jì)值。需不同荷載載的分項(xiàng)系系數(shù)與可辨辨荷載的組組合系數(shù)。?！督ㄖY(jié)構(gòu)構(gòu)荷載規(guī)范范》GB50009：3.3.2荷載分分項(xiàng)系數(shù)式中SGk,SQk——永久荷載和和可變荷載載的標(biāo)準(zhǔn)值值；γG,γQ——永久荷載和和可變荷載載的分項(xiàng)系數(shù)；SQk1,SQki——最大可變荷載的的標(biāo)準(zhǔn)值與其余可變變荷載標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值；γQ1,γQi——可變荷載組組合效應(yīng)的的對(duì)應(yīng)分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)；φci——第i可變荷載的的效應(yīng)組合合系數(shù)。3.3.3木結(jié)構(gòu)承載載力分項(xiàng)系系數(shù)木結(jié)構(gòu)承載載力計(jì)算：：式中fa——結(jié)構(gòu)木材的的實(shí)際強(qiáng)度度；A——材料的實(shí)際際幾何參數(shù)數(shù)。木結(jié)構(gòu)承載載力不定性性組成：木材強(qiáng)度的的不定性KF；構(gòu)件幾何參參數(shù)的不定定性KA；構(gòu)件計(jì)算模模式的不定定性KP；木結(jié)構(gòu)構(gòu)件件抗力統(tǒng)計(jì)計(jì)參數(shù)影響系數(shù)的名稱統(tǒng)計(jì)參數(shù)名稱構(gòu)

件

受

力

性

質(zhì)受

彎順紋受壓順紋受拉順紋受剪構(gòu)件材性不定性KF0.410.210.580.180.320.240.530.17幾何參數(shù)不定性KA

0.940.080.960.060.960.060.960.06計(jì)算模式不定性KP1.00.051.00.051.00.050.970.08木結(jié)構(gòu)抗力不定性性計(jì)算：木結(jié)構(gòu)承載載力分項(xiàng)系系數(shù)：可按前面確確定的目標(biāo)標(biāo)可靠指標(biāo)標(biāo)β0，采用《建建筑結(jié)構(gòu)可可靠性統(tǒng)一一標(biāo)準(zhǔn)》推推薦的方法法進(jìn)行計(jì)算算。在計(jì)算算中，永久久荷載分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)γG和可變荷載載分項(xiàng)系數(shù)數(shù)γQ取《統(tǒng)一標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)》統(tǒng)一一規(guī)定的確確定值，即即γG＝1.2；；γQ＝1.4。根據(jù)四種情情況下可變變荷載與永永久荷載比比值ρ算得：順紋受拉γR=1.95；順紋受壓γR=1.45；順紋受剪γR=1.50；順紋受彎γR=1.60。2.木材材材料性能能分項(xiàng)系數(shù)數(shù)荷載（或荷荷載效應(yīng)））的統(tǒng)計(jì)參參數(shù)荷

載

種

類平均值／標(biāo)準(zhǔn)值變

異

系

數(shù)δf恒

荷

載辦公樓樓面活荷載住宅樓面活荷載雪荷載1.060.5240.6441.140.070.2880.2330.22注：本表取取值系根據(jù)據(jù)6本規(guī)范協(xié)調(diào)調(diào)結(jié)果確定定的，專供供核準(zhǔn)使用用。木材強(qiáng)度設(shè)設(shè)計(jì)值計(jì)算算式：式中fk——木材強(qiáng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值；γf——木材材材料性能分分項(xiàng)系數(shù)。。3.3.4木材強(qiáng)度設(shè)設(shè)計(jì)值1.木材材強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值計(jì)算方方法fk＝F-1(Pk)=μf－uaσf或者fk＝μf(1－uaδf)Pk——木材強(qiáng)度度低于標(biāo)準(zhǔn)值值fk的概率fk的概概率率；；F-1（Pk）————木木材材強(qiáng)強(qiáng)度度概概率率分分布布函函數(shù)數(shù)的反函函數(shù)數(shù)在在Pk處的的值值；；μf———木木材材標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)小小試試件件強(qiáng)強(qiáng)度度平平均均值值；；’’σf———木木材材標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)小小試試件件強(qiáng)強(qiáng)度度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)差差；；δf———木木材材標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)小小試試件件強(qiáng)強(qiáng)度度變變異異系系數(shù)數(shù)，，δf=σf/μf；ua——按按Pk及木材材強(qiáng)度度分布布類型型確定定的系系數(shù)，，可從從概率率分布布表中查得得。材料強(qiáng)強(qiáng)度的的概率率分布布應(yīng)按按假設(shè)設(shè)檢驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果果，選選用服服從正正態(tài)分分布或或?qū)?shù)數(shù)正態(tài)態(tài)分布布的假假設(shè)。。材料強(qiáng)強(qiáng)度的的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值fk取95%保證率率的強(qiáng)強(qiáng)度值值，由由概率率分布布下5％（即Pk＝0.05）的分分位數(shù)數(shù)確定定。木材順順紋抗抗壓強(qiáng)強(qiáng)度頻數(shù)直直方圖圖（實(shí)實(shí)例））對(duì)于正正態(tài)分分布，，它的的下5％的分分位數(shù)數(shù)處，，ua值為1．645，故，，fk＝μf－1.645σf＝μf（1－1.645δf）【例題題】四四川青青衣江江產(chǎn)的的鐵杉杉木材材，其其抗彎彎強(qiáng)度度平均均值μf為90N/mm2，變異異系數(shù)數(shù)δf為18.8％。已已知受受彎木木構(gòu)件件的材材料性性能分分項(xiàng)系系數(shù)γf＝4.2。試確確定其其抗彎彎強(qiáng)度度設(shè)計(jì)計(jì)值。?！窘狻俊縡k=μf(1－1.645δf)＝90(1-1.645×0.188)=62.2N/mm2鐵杉木木材的的抗彎彎強(qiáng)度度設(shè)計(jì)計(jì)值為為fm＝fk/γf＝62.2/4.2=14.8N/mm2取等于于15N/mm2注意：按上上述例例題方方法計(jì)計(jì)算結(jié)結(jié)果并并不一一定就就是規(guī)規(guī)范采采用的的數(shù)值值，因因?yàn)橐?guī)規(guī)范對(duì)對(duì)不同同樹(shù)種種的木木材，，尚需需按它它所劃劃分的的強(qiáng)度度等級(jí)級(jí)進(jìn)行行合理理的歸歸類。?！赌窘Y(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范》》按建筑木木材抗彎強(qiáng)強(qiáng)度將針葉葉木分為四四個(gè)等級(jí)，，按拉壓剪剪強(qiáng)度每一一強(qiáng)度分為為A、B兩兩組；闊葉葉木分為五五個(gè)強(qiáng)度度等級(jí)。3.木材材設(shè)計(jì)強(qiáng)度度分類強(qiáng)度等級(jí)組別適

用

樹(shù)

種抗彎fm順紋抗壓及承

壓fc順紋抗拉ft順紋抗剪fvTC17A柏木、長(zhǎng)葉松、濕地松、粗皮落葉松1716101B東北落葉松、歐洲赤松、歐洲落葉松1591TC15A鐵杉、油杉、太平洋海岸黃柏、

花旗松—落葉松、西部鐵杉、南方松151391B魚(yú)鱗云杉、西南云杉、南亞松1291TC13A油松、新疆落葉松、云南松、馬尾松、扭葉松、北美落葉松、海岸松131281B紅皮云杉、麗江云杉、紅松、樟子松、西加云杉、

俄羅斯紅松、歐洲云杉、北美山地云杉、

北美短葉松1081TC11A西北云杉、新疆云杉、北美黃松、

云杉—松—冷杉、鐵—冷杉、東部鐵杉、杉木111071B冷杉、速生杉木、速生馬尾松、

新西蘭輻射松1071TB20—青岡、椆木、門(mén)格里斯木、卡普木、沉水稍克隆、綠心木、紫心木、孿葉豆、塔特布木2018122TB17—櫟木、達(dá)荷瑪木、

薩佩萊木

苦油樹(shù)、毛羅藤黃1716112TB15—錐栗（栲木）、樺木、黃梅蘭蒂、

梅薩瓦木、水曲柳、紅勞羅木1514102TB13—深紅梅蘭蒂、淺紅梅蘭蒂、白梅蘭蒂、巴西紅厚殼木131291TB11—大葉松、小葉椴111081強(qiáng)度等級(jí)組別適

用

樹(shù)

種橫紋承壓fc彈性模量E全表面局部表面及

齒面拉力螺栓墊板下面TC17A柏

木23410000B東北落葉松TC15A鐵杉、油杉23410000B魚(yú)鱗云杉、西南云杉TC13A油松、新疆落葉松、云南松、馬尾松12310000B紅皮云杉、麗江云杉、紅松、樟子松9000TC11A西北云杉、新疆云杉1239000B杉木、冷杉TB20—櫟木、青岡、椆木46812000TB17—水曲柳35711000TB15—錐栗（栲木）、樺木34610000TB13

深紅梅蘭蒂、淺紅梅蘭蒂、白梅蘭蒂、巴西紅厚殼木2348000TB11

大葉松、小葉椴2347000注：1）對(duì)位于于木構(gòu)件端部（如接接頭處）的的拉力螺栓栓墊板，其計(jì)算中中所取的木材橫紋承承壓強(qiáng)度設(shè)設(shè)計(jì)值，應(yīng)按“局部表面及及齒面”一欄的數(shù)值值采用。2）當(dāng)使用原木時(shí)，若驗(yàn)算算部位未經(jīng)經(jīng)切削，其其順紋抗壓壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)值、抗彎彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)值和彈性性模量可提高15％。3）當(dāng)構(gòu)件矩形截面的短邊尺寸寸不小于150mm時(shí)，其抗彎彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)值可提高10％。4）當(dāng)采用濕材時(shí)，各種木木材的彈性性模量和橫橫紋承壓強(qiáng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值值，以及落落葉松木材材的抗彎強(qiáng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值值宜降低10％。木材強(qiáng)度設(shè)設(shè)計(jì)值和彈彈性模量的的調(diào)整系數(shù)數(shù)項(xiàng)

次使

用

條

件調(diào)整系數(shù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值彈性模量12345露天環(huán)境長(zhǎng)期生產(chǎn)性高溫環(huán)境，木材表面溫度達(dá)40~50℃按恒荷載驗(yàn)算時(shí)（注①）用于木構(gòu)筑物時(shí)施工荷載和維修時(shí)的短暫情況0.90.8

0.80.91.20.850.8

0.81.01.0注：①當(dāng)僅有恒恒荷載或恒恒荷載所產(chǎn)產(chǎn)生的內(nèi)力力超過(guò)全部部荷載所產(chǎn)產(chǎn)生的內(nèi)力力的80%時(shí)，應(yīng)單單獨(dú)以恒荷荷載進(jìn)行驗(yàn)驗(yàn)算。②當(dāng)若干條條件同時(shí)出出現(xiàn)，表列列各系數(shù)應(yīng)應(yīng)連乘。不同設(shè)計(jì)使使用年限時(shí)時(shí)木材強(qiáng)度度設(shè)計(jì)值和和彈性模量量的調(diào)整系系數(shù)設(shè)計(jì)使用年限調(diào)整系數(shù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值彈性模量51.11.1251.051.05501.01.01000.90.93.5正常使用極極限狀態(tài)3.4.1正常使用極極限狀態(tài)設(shè)設(shè)計(jì)表達(dá)式式正常使用極極限狀態(tài)設(shè)設(shè)計(jì)表達(dá)式式：式中，Sd——荷載效應(yīng)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)組合下下的變形計(jì)計(jì)算值；R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件容容許變形值值，大于極極限變形值值。受彎構(gòu)件按撓度驗(yàn)算算時(shí)，其計(jì)計(jì)算條件式式為ω≤[ω]式中中ω———按按《《建建筑筑結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)荷荷載載規(guī)規(guī)范范》》荷載載效效應(yīng)