（木材科学与技术专业论文）木质工程材料在木结构建筑上的设计应用.pdf

摘要：发达国家的木结构建筑使用的是以工波速生林术为原料的褒代重缀型缩构用本 质材籽，露我国的术结构建筑却仍然袭用传统的优质天然原木或以优质天然原本为原 料的实本；为了迎合我国术结构建筑的发展鬻要，本文通过对现代木结构建筑用术质 工程材料性能的分析，取莱特“流水别艇”的建筑外观，对木结构建筑简部结构的屋 盖、楼盖和外墙体系作出研究设计，同时提出了竹大片刨花板、木质工字梁等现代主 要建筑材料在木结构中的应甜模式。 木质工程材糕包括胶合本、结构胶合扳、单扳层积材、单扳条层积材、定向刨花 扳、本质工字梁、术桁架。这些材料属于重组型木质材料，剔除了术材原有缺陷，力 学强度高，一般通1 f j 北美a p a 或c s a 标准。今后木质工程板材和预制件将成为木结构 建筑用材料的发展重点。 在采用木质工程材籽设计本结构建筑的屋盖、楼美和外墙时，具体设计与验算参 数如下： ( 1 ) 屋架体系采用大木结构、胶合木结构和轻型木结构三种结构类型，跨度分 别为4 6 m 、4 m 和2 6 m 。大木结构和胶合术结构的挂瓯条、屋砸板和檩条都为红皮 云杉锯材，其中前者的上弦与下弦材料使用稍径8 c m 的杉木琢木，后者则是型号为 8 - 1 2 x 1 5 1 8 英寸瓣1 6 f - v 2 的北美南方松胶合本杆件。按照美圜木结构设讨。规范的 方法对上、f 弦胶合木构件进行设计，将时阃效应系数、弯曲系数、尺寸系数的概念 引入杆件设计中，通过强度校核得知满足构件强度极限状态，可以接受该设计方案。 轻型术结构屋盖由红松规格材制作，顶棚搁栅问距6 0 0 m ，其他按照轻型木结构构造 要求进行。 ( 2 ) 搂盖体系孵楼扳覆嚣板选用厚度1 5 m m ，弹性摸量4 5 0 0 m p a 的竹大片刨花 板。搁搬材料为t j ij o i s t 的1 1 7 胆t j i 2 5j o i s t 型预制复合工字粱，其e i = 2 8 5 1 0 6 i n 2 1 b s ，中心间距6 0 0 m m ，跨长4 8 m 。在底层晟不利位置验算受弯曲限制、受挠度 限制和受剪力限制的跨度，结果为5 4 4 m ，5 3 m 和5 4 m ，大于楼层跨度4 8 m 。震动 校核对的挠度为0 9 4 m m ，小予震动许用挠度l 。2 1 m m 。 ( 3 ) 外墙体系的墙扳覆面板选用厚度1 5 m m ，弹性摸量4 5 0 0 m p a 的竹大片刨花 板，内层覆面板为1 0 r a m 厚的防火石膏板。对在底层最不利位置进行墙骨柱设计与强 度验算，压应力为6 1n m m 2 o ol = 1 0 n m m 2 ，所选1 0 x1 0 c m 截面的红松方木做墙 骨柱是合适的。 敛竹大片刨花扳为铡分磬亍术质 二稷板奉孝在本结构建筑土的应用情况，主要用在本 结构建筑的地板覆面板、墙体覆两扳和屋顶覆面板上。铺装时遵循板材长度方向与搁 t 删垂直、宽度方向与搁删平行并相互错开的原则进行铺设，符合构造要求的搁删间距 为4 0 0 m m 、5 0 0 m m 、6 0 0 m m ，根据实验确定1 2 r a m 厚板材的最大搁栅间距为6 5 0 m m 。 其它厚度的摄大搦概糍距需要逶过实验确定。 将木质工字梁的受力情况简化为简支梁避行考虑的设计愚路符合实际使用情况， 具体受力分析和设计探讨的结果如下： ( 1 ) 术质工字梁的截砸尺寸与跨长有线性关系，随若工字梁高度增加其跨距变 长，二者相关系数商达0 9 9 1 6 。工字型截面梁的最大受剪面为中性面，在高度为旦处 z 的腹板处存在最大剪应力t 川睡= 兰。木质工字粱最大受挝( 压) 丽在翼缘两端，其 正应力s 。一再磊。总荷载的许闵挠度、活荷载的诲用挠度分别为跨长 的焘和刍，使用净跨距时为净跨长的志。 ( 2 ) 实际使用时，工字梁备矮表列设 指标需要乘以截两形状修币系数、荷载 持续时赫因数、潮湿使用因数、温度因数和体积因数。 ( 3 ) 工字粱的弹性模量和腹板剪切强度需要做实验进一步分析。 关键词：木结构建筑，木质材料，设计 l l a b s t r a c t ：t h em o d e r nr e c o n s t i t u t e dw o o d e ns t r u c t u r a lc o m p o s i t e sw i t ht h ei n d u s t r y f a s t - g r o w i n gw o o da st h er a wm a t e r i a lw a su s e di nt h ew o o df r a m ec o n s t r u c t i o no ft h e d e v e l o p e dc o u n t r i e s b u tt h et r a d i t i o n a lh i i g hq u a l i t yl o ga n ds o l i dw o o dw i t ht h eh i g h q u a l i t yl o ga st h er a wm a t e r i a lw a s s t i l lu s e di no u rc o u n t r y sw o o df r a m ec o n s t r u c t i o n i n o r d e rt oc a t e rt od e v e l o p m e n t a lr e q u i r e m e n to fo u rc o u n t r y sw o o df r a m ec o n s t r u c t i o n ，t h e p e r f o r m a n c eo fw o o d - b a s e de n g i n e e r i n gm a t e r i a lo fm o d e mw o o df r a m ec o n s t r u c t i o nw a s a n a l y z e di nt h i sp a p e lt h ea u t h o rr e d e s i g n e dt h er o o ff r a m e ，t h ef l o o r , t h eo u t e rw a l l s y s t e mo fw o o df r a m ec o n s t r u c t i o na c c o r d i n gt oo u t w a r da p p e a r a n c eo ff r a n kl w r i g h t s f a l l i n g w a t e rv i l l a ，a n dp r o p o s e da p p l i c a t i o np a t t e r no ft h em a i nm o d e mc o n s t r u c t i o n m a t e r i a ls u c ha sb a m b o o b a s e dw a f e r b o a r da n dp r e f a b r i c a t e dw o o di - j o i s ti nt h ew o o d f r a l n ec o n s t r u c t i o n w o o d - b a s e d e n g i n e e r i n gm a t e r i a l i n c l u d e sg l u e - l a m i n a t e dl u m b e r , s t r u c t u r a l p l y w o o d ，l v l ，p s lo s b ，w o o di - j o i s ta n dt r u s s t h e s em a t e r i a l sb e l o n g t ot h e r e c o n s t i t u t e dw o o d e ns t r u c t u r a lm a t e r i a l ，w h i c hr c j e c t e dt h el u m b e ro r i g i n a lf l a wa n dt h e m e c h a n i c si n t e n s i t yi sh i g h ，n o a ha m e r i c aa p ao rt h ec s as t a n d a r di sf i tf o rt h e s e m a t e r i a l si nc o m m o n w o o d b a s e dp a n e l sa n dp r e f a b r i c a t e dp a r t sw o u l db ed e v e l o p m e n t a l e m p h a s e so ft h em a t e r i a lo fw o o d f r a m ec o n s t r u c t i o ni nf u t u r e w o o d b a s e de n # n e e r i n gm a t e r i a lw a sa p p l i e di nd e s i g n i n gt h er o o ff r a m e , t h ef l o o r a n do u t e rw a l lo fw o o df r a m ec o n s t r u c t i o n 。i d i o g r a p h i cd e s i g na n dc h e c k i n gc a l c u l a t i o n p a r a m e t e rw a sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb i gw o o dc o n s t r u c t i o n ，t h el a m i n a t e dw o o ds t r u c t u r ea n dt h el i g h tf r a m ew o o d i n s t i t u t ec o n s t r u c t i o nw e r ea p p l i e di nr o o ff r a m ea n dt h es p a nw a s4 6 m 。4 ma n d2 6 m r e s p e c t i v e l y t h eh a n g i n gt i l em a t e r i a l s ，r o o f i n gb o a r da n dp u f f i no fb i gw o o dc o n s t r u c t i o n a n dl a m i n a t e ds t r u c t u r ew e r ea l lr e ds k i ns p r u c e t h em a t e r i a l so ff i r s tq u a r t e ra n db e l o w q u a r t e ro ft h ef o r m e rw e r ek o r e a np i n el o gw h i c hs m a l lt o pd i a m e t e rw a s8 e m 。t h el a t t e r w a sn o r t ha m e r i c ap i n el a m i n a t e dw o o dm e m b e rw h i c ht y p ew a s8 - 1 2 x 1 5 1 8i n c ho f 1 6 f - v 2 a c c o r d i n g t ot h ed e s i g ns t a n d a r do fa m e r i c a nw o o df r a m ec o n s t r u c t i o n ，t h ef i r s t a n db e l o wq u a r t e rw e r ed e s i g n e dw h i c hi n t r o d u c e dt h et i m ec o e f f i c i e n t ，t h ec u r v i n g c o e f f i c i e n t ，t h es i z ec o e f f i c i e n t t h ed e s i g np r o p o s a lw a sa p p l i c a b l ea f t e rt h es t r e s st e s t s t h el i g h tf r a m ew o o dc o n s t r u c t i o nr o o fw a sm a d eo fk o r e a np i n ef i m b e r t h ec e i l i n gj o i s t c e n t r a ls p a c i n gw a s6 0 0 m t h eo t h e r sw e r ec a f r i e do nw i t l lt h ec o n s t r u c t i o nr e q u e s t so f l i g h tf r a m ew o o dc o n s t r u c t i o ns t a n d a r d ( 2 ) t h eb a m b o o b a s e dw a f e r b o a r dw i t h1 5 m mt h i c k n e s s ，4 5 0 0 m p am o d u l eo f e l a s t i c i t yw a ss e l e c t e df o rf l o o rs h e a t h i n g t h ej o i s tm a t e r i a lw a sp r e f a b r i c a t e dw o o di - j o i s t w i t ht j ij o i s tm o d e lo f1 l 弼t j i 2 5 。e i = 2 8 5 x 1 0 6i n 2 1 b s t h ec e n t r a ls d a c i n gw a s 1 l l 6 0 0 m ma n ds p a nw a s4 8 m c u r v i n gl i m i t ，f l e x i b i l i t yl i m i ta n ds h e a rl i m i ts p a nw e r e c h e c k e di nt h em o s td i s a d v a n t a g e o u sp o s i t i o no ft h ef i r s tf l o o r , a n dt h er e s u l tw a s5 4 4 m ， 5 。3 ma n d5 4 m w h i c hw a sl a r g e rt h a nt h ea l l o w a b l es p a n4 8 m 。t h ev i b r a t i o nt e s t s d e f l e c t i o nw a s0 9 4 r a m ，w h i c hw a ss m a l l e rt h a nt h ev i b r a t i o na l l o w a b l ed e f l e c t i o no f 1 2 1 r a m 0 ) t h eb a m b o o b a s e dw a f e r b o a r dw i t h1 5 m mt h i c k n e s s ，4 5 0 0 m p am o d u l eo f e l a s t i c i t yw a ss e l e c t e df o ro u t e rw a l ls h e a t h i n g w h i l et h ei n n e rl a y e rs h e a t h i n gw a st h e f i r e p r o o fp l a s t e rb o a r do fl o m m t h ec o l u m nd e s i g no fw a l lb o n ea n dt h es t r e s sc h e c k i n g c a l c u l a t i o nw e r ec a r r i e do nt h em o s td i s a d v a n t a g e o u sp o s i t i o no ft h ef i r s tf l o o r t h es t r e s s w a s6 1n m m 2 f ：r 。 = 1 0 n m m 2 ，c h o o s i n gk o r e a np i n et i m b e ro fl o x l o c ma st h ew a l l b o n ec o l u m nw a sa p p r o p r i a t e a p p l i c a t i o n o fw o o d - b a s e d e n g i n e e r i n g m a t e r i a l sw a sa n a l y z e d t a k i n g t h e b a m b o o b a s e dw a f e r b o a r da se x a m p l e t h er e s u l ts h o w e dt h eb a m b o o b a s e dw a f e r b o a r d w a sm a i n l yu s e di nt h ef l o o rs h e a t h i n g ，t h ew a l ls h e a t h i n ga n dt h er o o fs h e a t h i n go ft h e w o o df r a m ec o n s t r u c t i o n w h e np a v i n g ，i tf o l l o w e dt h ep r i n c i p l e so fb o a r dl e n g t hd i r e c t i o n p a r a l l e l i n gt ot h es t u d so ft h ef r a m ea n dt h ew i d t hd i r e c t i o np a r a l l e l i n gt ot h es t u d so ft h e f r a m e t h er e q u i r e ds t u d so ft h ef r a m ec e n t r a ls p a c i n gw a s4 0 0 m m ，5 0 0 m m ，6 0 0 m m ，a n d a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t st h el o n g e s tj o i s tc e n t r a ls p a c i n go fb o a r dw i t ht h i c k n e s so f1 2 m m w a s6 5 0 r a m t h el o n g e s tj o i s tc e n t r a ls p a c i n go fo t h e rt h i c k n e s sn e e d st ob ed e t e r m i n e d t h r o u n at h ee x p e r i m e n t s t h ed e s i g ni d e at a k i n gt h es t r e s ss i t u a t i o no fp r e f a b d c u t e dw o o di - j o i s ta ss i m p i e b e a mw a s a c c o r d i n gt op r a c t i c e ，a n dt h er e s u l to fs t r e s sa n a l y s i sa n dd e s i g nd i s c u s s i o nw a s a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h e r ew a sl i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es e c t i o ns i z eo fp r e f a b r i c a t e dw o o di - j o i s t a n ds p a n w i t ht h eh e i n a to f i - j o i s ti n c r e a s e d ，i t ss p a ni n c r e a s e d t h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n to ft h e mr e a c h e sa sh i 曲a st o0 9 9 1 6 t h eb i g g e s ts h e a r e ds e c t i o no fi - b e a mw a s 龇n c u t 翻s e c t i o n t h eb i g g e s ts h e a rs t r e s se x i s c e di n 譬h e i 蛳。ft l l ew c b 性面一罴 t h eb i g g e s tt e n s i l es t r e s so fp r e f a b r i c a t e dw o o d i - j o i s te x i s t e di nt h ef l a n g ee n d s i t ss t r e s s e q 谢t o s 。2 芦矛6 习h 。丽m n t 矾b a a 甜t o w 棚e a e n 硎。na n a 协e 斯e 。a a a l l o w a b l ed e f l e c t i o nw e r er e s p e c t i v e l y 二a n d 二o ft h es p a n 。a 1 l o w a b l ed e f l e c t i o n 2 4 03 6 0 。 w a s 4 8 l 0 o fl h en e ts p a nw h i l eu s i n gn e ts p a n i v ( 2 ) i np r a c t i c e ，t h ee a c hc a t a l o g so fp r e f a b r i c a t e dw o o d1 - j o i s tn e e dt om u l t i p l yt h e s e c t i o ns h a p ec o r r e c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h ed u r a t i o nc o e f f i c i e n to ft h el o a d ，t h eh u m i d i f i c a t i o n c o e f f i c i e n t ，t h et e m p e r a t u r ef a c t o ra n d t h ev o l u m ef a c t o rw h e nd e s i g n e d - ( 3 ) t h ep r e f a b r i c a t e dw o o dl - j o i s t s m o d u l eo fe l a s t i c i t ya n dt h ew e bs h e a r i n g s t r e n g t hs h o u l db ef u r t h e ra n a l y z e db ye x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：w o o df r a m ec o n s t r u c t i o n ，w o o d b a s e dm a t e r i a l s ，d e s i g n v 声明 本人声明所呈交的论文楚我个人在导师指导下进行的研究工作取得的硬究残果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料，与我一同工作豹同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 繇韭嗍：赶至乡 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或帮分肉容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 虢7 滞止嗍如、，如 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 木质工程材料在木结构上的设计应用近来成为困扰木结构建筑业的重大问题，已 经严重影响了木质工程材料和木结构建筑在我国的发展，引起了业内人士的极大关 注。目前我国木结构建筑中所用的木质t 程材料和施工技术人员全部依赖进口，建筑 成本届高不下。现存木结构建筑商中的有识之士已经， - 始寻求国内生产商，但国内木 材行业对木质工程材料在木结构上的设计应用缺乏足够了解，无法满足木结构建筑业 的需求。 由于对木质工程材料存木结构建筑上的设计应用缺乏了解，木结构建筑所用的施 t 材料和令部技术人员全部依赖进i n ，甚至建筑物在使用过程中所用的修补材料都必 须从国外采购。这出做法提高了木结构建筑的建造成本，阻碍了这种节能环保、调温 调湿、居住性能优良的建筑在我国的发展，妨碍了我国居民居住水平的提高。特别近 年来伴随我国节能建筑强制规范的出台，木结构建筑越来越受到建筑商和消费者的亲 睐，降低木结构的建造成本成为木结构在我国推广的关键，故而要对木质t 程材料在 木结构建筑上的设计应用问题给予高度重视。 木质工程材料和施工人员依赖进口，不仅提高了木结构的建造成本，更加妨碍了 木质工程材料在我国的发展。表现在：一是占用有限资金，导致相关科研单位和生产 企业得不到充裕经济支持。二是技术依赖心理，妨碍了自主创新的形成，业界无能力 对木质工程材料的制造、使用、技术规范作出进一步分析探讨，企业失去技术支持， 无法发展木质工程材料的生产。三是一旦形成使用进1 ：i 1 材料和技术的习惯，消费者不 能很快接受国内同类产品，国内生产企业很难打开市场。因材，有关木质工程材料在 木结构建筑上设计应用的研究已经刻不容缓。 1 2 国内外研究现状 木结构及其木质建筑材料是国外( 包括发达国家、中等发达国家和欠发达国家) 普遍采用的建筑方式和建筑材料，尤其对体育馆等大中型公共场所而言，r * n 止t ，国外 对木结构材料性能及其与建筑结构的关系己经有了一卜分广泛和深入的研究。这些研究 木质t 程材料在术结构建筑上的设计应用 主要集中在木质材料的基本性质和结构性质、木结构用标准零部件的设计、木结构材 料的制造工艺、木结构材料的应用技术、木结构各零部件之问的连接方式及其连接件 等，并已经形成了各种工程技术手册；各种各样的木结构建筑物已经实现了积木化。 我国在现代轻型木结构建筑和木结构材料方面尚处起步阶段。九五、十五期间， 国家或各省已经对木结构基础应用研究方面作出了大量投入，中国林科院木材工业研 究所、东北林业大学、北京林业大学、南京林业大学、中南林学院、福建林学院等纷 纷对木质材料的制造加工、木质环境居住质量【“2 3 】等方面开展了研究并获得了成果， 中国林科院术材工业研究所还开始考虑现代轻型木结构建筑标准样板房的试制工作； 所有这些j 作为我国木结构产业的逐步形成奠定了定基础。中蚓建设部邀约了加拿 大、美国、芬兰等国专家，组织了一个中国木结构建筑专家组，研究开发中国的木结 构建筑规范；但毕竟因为我国现代轻型木结构材料学、建筑学等方面尚为空白而未形 成完整的规范，只是对中国传统木结构建筑规范作出了修订。具体的木结构建筑材料 的设计、制造和应用技术方面在我国尚属宁白。 1 2 1 材料 1 8 世纪欧洲移民涌入美洲大陆后北美开始发展现代木结构建筑，并成为现代木 结构建筑的中心。最早应用木质1 程材料的木结构建筑是1 8 3 3 年发明于芝加哥被称 为“气球结构”( b a l l o o nf r a m e ) 的轻质木结构房屋【4 j ，这种建筑将结构胶合板应用于 墙体覆面板、楼层覆面板和屋顶覆面板，由此揭开木质工程材料在现代木结构建筑上 应用的序幕。随后，各层纹理大致平行的单板层集材等叠层胶合木出现，在二十世纪 3 0 年代的美国发展成为一种主要的结构材料。第次世界大战期间及战后发明了配 制与使用酪素胶制造木质飞机的结构构件，这一技术扩大到了建筑中采用的大型结构 构架中。定向结构刨花板可用低等级材质的原木制造，因此在国际上尤其是北美得到 大量的推广，部分取代结构胶合板。上世纪八十年代初期，美国e l m e n d o r f 制造公司 在c l a i r e m o n t 经营第一条o s b 生产线。到二十世纪九十年代早期，美国大部分华夫 板生产企业都开始转向生产o s b 。英国木质工程材料主要依据b s5 2 6 8 2 木制建筑 材料的使用和d de n v1 9 9 5 1 1 木制建筑材料的设计进行设计、生产和应用 5 1 。 欧盟标准中木质工程板材的弹性模量取的是平均值，使用强度设计值则是整体测量后 得到的，若板材单度使用，其可靠度仅有5 。f l 本在木质工程材料方而的研究也比 较系统，1 9 6 6 年即开始制定集成材的丌本农林标准【，目前已经制定了有关木质工程 1 绪论 材料的一系列标准，尤其在异性胶合木、弯曲木等重型木结构用建筑材料方面有深入 研究。 我国关于各种木质工程材料的设汁制造、力学性能、质量标准等方面的研究起步 较晚，对各种问题的了解不够系统。 1 2 2 设计，规范 1 9 4 4 年美国木材生产者协会( 现美国林业与纸业协会) 出版第一部建筑物等 级应力及其紧固件幽家没计规范盯l ，第一次提出了叠层胶合木结构构件的设计指南， 包含了应力分级木材的允许单位应力、设计公式与设计荷载及木结构连接件的做法。 第二次世界大战后木材制品实验室提出了干燥与潮湿使用条件下的设计值。1 9 6 0 年 开始美国材料试验学会a s t m 代替木材产品实验室制定木质工程材料等所有木材制 品的权威性数据。加拿大结构板材协会c a s 、加拿大建筑材料中心c c m c 等都有相 关的产品设计、生产、府用规范。我国于1 9 8 8 年首次出版木结构设计规范) ) g b j5 - 8 8 ， 2 0 0 3 年中国建筑西南设计研究院、四川省建筑科学研究会同有关单位对原有木结 构设计规范进行修订，增加了轻型木结构建筑的设计规范，并对胶合木结构设计部 分作出修订。尽管如此，现有木结构设计规范中对木结构屋盖、楼盖和外墙体系中有 关木质j 程材料的应用部分并不完善。 1 2 3 板材 自从轻质木房屋出现以来，木质 ：程板材始终是木结构的主要建筑材料，从早期 的结构胶合板、华夫板、发展到后来的定向刨花板，单板层积材。北美等国对板材的 原料选择、制造工艺、使用条件等方面研究较为系统。我国于2 0 0 0 年颁布定向刨花 板的行业标准译j ，最近相关单位开始准备起草单板层积材的国家标准，但一直以来， 对于木质工程板材在木结构上的应用问题未做深入研究。西南林学院张宏健等人研制 的竹大片刨花板是一种新型的木质工程板材，它既具备了木质材料调温调湿、节能环 保的优点，还兼有竹材较高的力学强度1 9 l ，在木结构上应用前景广阔。以竹大片刨花 板的应用问题为例，可以较好的分析探讨木质工程材料在木结构建筑的应用情况。 1 2 4 预制件 术质工程材料在木结构建筑上的设计应用 木质工程材料的预制件包括轻型木桁架和木质工字梁。有关木桁架的应用研究较 为细致，加拿大相关标准中已将住宅与小型建筑的木桁架、商业或：i ：业建筑的木桁架 以及农业建筑中的木桁架分别进行设计计算【1 0 】。对于木质上字梁的研究目前仅有 a s t m 标准5 0 5 5 l u j ，随着木结构建筑的发展，对于木质工字梁的受力分析、影响因 子、设计探讨等都将越来越受到关注。 1 3 主要研究内容 论文舟分析小结构建筑材料的基础上，设计了木结构的屋箍、楼盖、外墙的等典 型局部结构，分析探讨了木质工程材料在木结构建筑上使用时的选材、布置、连接等 问题，为建筑部门和材料制造企业提供一定的技术指导。同时分析了竹大片刨花板在 木结构上应用的场合、模式、保温、防火等具体问题，通过试验确定了竹大片刨花板 在铺设时的最大搁栅间距。文章最后一部分探讨了术质工字梁的受力分析、影响因素 和材料的设计。具体研究内容如下： 1 ) 材料性质的评价 2 ) 本结构建筑局部结构设计 ( 1 ) 屋盖结构设计 ( 2 ) 楼盖结构设计 ( 3 ) 外墙结构设计 3 ) 典型木结构木质建筑材料的应用分析 ( 1 ) 竹大片刨花板 ( 2 ) 木质工字梁 4 2 木质工程材料概述 2 木质工程材料概述 工程木质材料保留了木材本身调温调湿、减震无辐射的优点，改进了木材易变形、 易虫蛀、易发生火灾等缺点；具有绿色环保、无污染、有益居住者身心的特点，是新 型木结构建筑的首选材料。 2 1 种类 2 1 1 胶合木 腓( g l u e l a m i n a t e dl i m b e r ，日语中称“集成材”1 是采用板材或小方材按木 纤维平行方向，在厚度、宽度和长度方向胶合而成的木材制品”- 1 4 1 。据国家林业 局中国木材学会统计，2 0 0 4 中国胶合木产量为4 0 8 万3 【1 5 1 。用胶合木制造的构件 尺寸不再受树木尺寸的限制，可制得能满足各种特殊形状要求的木构件。 2 1 2 结构胶合板 结构胶合板( s t r u c t u r a lp l y w o o d ) 是指用于承重结构的人造板，采用耐水胶粘剂胶 合，应用于受力构件。结构胶合板是一种传统的产：品，多用作轻型木结构房屋的楼面 板、屋面板和墙面板，也常见于工字形或箱形胶合梁的腹板。加拿大结构胶合板常用 树种为花旗松胶合板( d f p ) 和杨木胶合板( p o p l a r ) ，这两种胶合板是以表板和背 板材料命名的。根据表层单板的外观性能和质量分为三个等级，分别用字母a ( 最高 等) 、b ( 中间等级) 和c ( 最低等) 表示。通过使用不同的单板组合，制造商能够 生产符合各种要求的单板。表板的等级标签通常被粘贴在材料的一个表面，有些两面 都需要标识的材料其等级标签放在材料的端部。 2 1 3 单板层积材 单板层积材( l v l ) 是将厚度为2 5 6 4m m 的旋切单板涂胶后顺纹层积热压 而成，我困的木结构施工质量验收规范g b 5 0 2 0 6 2 0 0 2 中称为旋切板胶合木。其 成品厚度为2 1 7 5m m ，最大达1 5 0m m ，宽度1 0 0 1 8 0 0m m ，长度2 5 0 0 2 5 0 0 0m m 。 水质t 程材料在木结构建筑上的设计应用 单板层积材出材率可达6 0 7 0 【1 6 1 ，成品材长度方向不收限制；尺寸稳定性好，变异 系数小；缺陷分散，强度均匀；其抗弯强度1 8 m p a ，剪切强度1 7 m p a ，弹性模量1 0 0 0 0 m p a l l 7 】。 2 1 4 单板条层积材 单板条层积材也被称为旋切片胶合木，由瑞典人d e r e k 于二十世纪8 0 年代发明。 有两种类型的产品：一种是条状定向层积材p s l ( p a r a l l e ls t r a n dl u m b e r ) ，另+ 种是木 片层积捌l s lr l a m i n a t e ds t r a n dl u m b e r ) 。译板条层积材强度商、垂量轻、耐候性好、 比胶合木的出材率高2 0 以上，r m k n u d s o n 1 8 】还发现p s l3 0 0 t ml s l 的力学变 异系数小于实体木材。 2 1 5 大片刨花板 人片刨花板是用长6 0 8 0 m m ，宽l o 3 0 m m 、厚0 5 1 o m m 的大片刨花，甲 面方向上随机铺装而制成的工程结构用板，据英文( w a f e r b o a r d ) 发音，也有人称其 为华夫板，目前木质大片刨花板已被定向结构刨花板淘汰。最近我国张宏健等人研制 出以竹材为原料的竹大片刨花板。 2 1 6 定向刨花板 以小径材、间伐材、木芯等为原料，通过专用设备加工成为长4 0 - 7 0 r n m ，宽 5 - 2 0 m m ，厚0 3 0 7 m m 的长条刨花，经干燥、施胶、和定向铺装后经热压成型的人 造板1 1 9 1 即为定向刨花板。上世纪八十年代初期，美国e l m e n d o r f 制造公司在 c l a i r e m o n t 经营第一条o s b 生产线。目前在美国和加拿大有超过6 0 家的o s b 生产 厂家，墨西哥、苏格兰、法国、俄罗斯等地也分别有数量不等的生产企业。2 0 0 3 年 世界2 0 家顶级o s b 公司产量为2 7 6 0 3 亿f t 2 - 3 8 i n 厚度，其中北美洲产量占8 6 ；2 0 0 4 年世界顶级1 0 家o s b 公司有5 家在加拿大：n e x f o r , g r a n t ，a i n s a l o r t h ，t o l k o ， c a n f o r ”l 。定向结构刨花板强度高、内结合力强、线膨胀小、握钉力高、耐水性好， 实测时板材的静曲强度、静曲弹性模量、内结合强度都优于同样厚度的非定向板。 6 2 木质j ：程材料概述 2 1 7 木质预制工字梁 木质预制工字梁( p r e f a b r i c a t e dw o o di - j o i s t ) 是采用结构复合木材f 如l v l 、p s l 或 l s l ) 作翼缘、o s b 为腹板、以耐水胶粘剂胶合，现已大量应用在轻型木结构房屋中 取代钉连接的规格材组合梁 2 q 。最近北美国家已经出现腹板中空的木质工字梁产品， 但技术还不够完善。工字木搁栅是一种可以有效代替实木搁栅的工程木产品。工字木 搁栅般采用规格材或单板层积材( l v l ) 作翼缘，结构胶合板或定向刨花板( o s b ) 作腹板。冈为1 j 字木搁栅采用了高强度的工程木，所以与传统的实木搁栅相比，它的 跨度更人( 单跨般可以达到1 8 米) 。工字梁常用高度为2 4 1 m mr 9 1 2 ”1 5 0 8 m m ( 2 0 ”) ，最大可达7 6 2 m m ( 3 0 ”) 。工字梁翼缘的常见高度为3 8 m m ( 1 - 1 2 ”) ，翼缘宽度为 4 5 m m ( 1 - 3 4 ”) 8 9 r a m ( 3 1 2 ”) 。腹板厚度从9 5 m m ( 3 8 ”) 一1 2 7 m m ( 1 2 ”) 。一般工字 梁线密度为3 k g m ( 2l b s f e e t ) 9 k g m ( 6l b s f e e t ) 。 表2 - 1 木质预制工字梁高度范同 t a b l e2 - 1r a n g e so fp r e f a b r i c a t e dw o o dl - j o i s t 2 1 8 轻型木桁架 轻型木桁架( t r u s s ) n 司 用于轻型木结构的 屋盖和楼盖，代替屋盖椽条和楼盖搁栅。目 前在美国约有7 5 的住宅的屋盖系统采用轻 型木桁架。2 0 0 4 年，美国工程木制材料中木 质屋架已经占到2 3 的市场份额【2 2 1 ，而且还 有继续上升的趋势。 2 - 1 - 木希栗中的齿板连接件 屋盖桁架根据屋面形状的不同，有不同 f i 9 2 1 t r u s sy l i g h i m t a lp l a t ec o n n e e t i o n 的坡度。桁架杆件一般采用截面尺寸 3 8 x 6 4 m m - 3 8 x 2 8 6 m m 的机械分等规格材，杆件在节点处采用会属镀锌齿板从桁架两 侧压入，将所有杆件连接在起。所用齿板连接件有1 6 、 1 8 和2 0 的小i 司规格f 美国 标准规格) ，材料满足加拿大建筑材料中心( c c m c ) 求，实验时遵从c s a 木质工程材料在木结构建筑 二的设计应用 $ 3 4 7 一m 1 9 8 0 2 3 】的要求。常用的齿板长度范围6 m m ( 1 4 ”) 一2 5 m m ( 1 ”) ，宽度范围2 5 m m ( 1 ”) - 3 0 0 r a m ( 1 2 ”) 。 2 2 力学性能 木质工程材料的主要性能由原材料的种类及加工方式决定，不同种类板材的物理 机械性能用以满足不同的最终用途。对木结构建筑来讲，最重要的性能是弯曲、拉伸、 压缩和剪切性能。 2 2 1 弯曲性能 弯曲强度和弯曲弹性模量通常指的是板材表面弯曲或平板弯曲的性能指标，这种 受力模型来自地板和框架结构使用过程的受力情况模拟。然而工字梁腹板的受力情况 不属于这种类型，工字梁腹板受力属于侧向弯曲，所以对于材料的侧向弯曲性能有时 也有要求。对于平板弯曲来说，板材( 例如结构胶合板和o s b ) 在长度和宽度方向 存在不同的弯曲强度值，所以在木结构中使用这些板材时要特别留意它们的方向，一 般欧洲板材协会在材料上以下标方式标出材料从0 到9 0 度的方向等级【5 j 。其它类型 板材( 刨花板) 则不存在力学性能的各向异性。对于那些需要设计侧向弯曲性能的地 方，单板是否定向也会对侧向弯曲产生巨人影响，所以在产品设计及使用时都需要考 虑到这一点。 2 2 2 拉