（森林工程专业论文）钢框架、木楼盖住宅结构性能研究.pdf

摘要 钢框架、木楼盖结构住宅是一种新型的住宅形式，具有工业化程度高、施工速度快、 绿色环保等特点。在传统钢结构住宅中引入木楼盖，改变了以往压型钢板混凝土楼盖需要 进行湿作业的格局，从而大大突出了钢结构的优点，使得钢结构住宅更趋于向绿色可再利 用的建筑发展。 本文根据某住宅建筑施工图进行钢框架、木楼盖住宅结构的初步设计。用有限元软件 对楼( 屋) 盖进行受力分析，得到合理的搁栅布置方式。利用s a t w e 对结构进行计算与分 析，以满足承载能力和正常使用条件下取得良好的经济效益为目标，得到了结构布置方案 及构件截面尺寸。利用s a p 2 0 0 0 对该结构进行计算与分析，实现了两个有限元软件计算结 果的对比和印证。对传统钢结构、木结构的连接方式进行了探讨，通过分析确定了本结构 构件之间的连接方式。在充分调研的基础上，结合钢木混合结构的特点，选择了保温材料， 并对本结构的围护体系进行了设计。 通过研究，得出了钢框架、木楼盖结构作为住宅从结构性能上来说是可行的，研究成 果对于推动钢木混合结构住宅的发展以及对此结构形式的深入研究具有一定的指导意义 和参考价值。 关键词：钢结构；木结构；绿色环保；静力分析；动力分析 a b s t r a c t s t e e l - f r a m ea n dw o o d e nf l o o rs t r u c t u r er e s i d e n c ei san e wr e s i d e n t i a lf o r m ，h a sf o l l o w i n g e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s ：h i g hi n d u s t r i a l i z a t i o n , f a s tc o n s t r u c t i o n , g r e e n w et a k et h ep a r to f w o o d e nf l o o ri n t ot h et r a d i t i o n a ls t e e ls t r u c t u r er e s i d e n c e ，c h a n g et h ep a t t e r nt h a tt h ep r o f i l i n g s t e e lp l a t ea n dc o n c r e t ef l o o rw h i c hn e e d sw e tc o n s t r u c t i o n , o v e r h a n gt h ep e r f o r m a n c e so fs t e e l s t r u c t u r er e s i d e n c eg r e a t l y , m a k es t e e ls t r u c t u r er e s i d e n c et e n d st ot h ed e v e l o p m e n to fg r e e n e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i nt h i sp a p e r , ar e s i d e n t i a lb u i l d i n gp l a nh a st ob e e nc a r r i e do u tap r e l i m i n a r ys t r u c t u r ed e s i g n o ft h es t e e lf r a m ea n dw o o df l o o rs t r u c t u r e u s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ef o rs t r e s sa n a l y s i so ft h e f l o o r ，g e tar e a s o n a b l el a y o u to ft h eg r a t e c a l c u l a t ea n da n a l y s i st h es t r u c t u r eb ys a t w e ，m e e t t h ec a r r y i n gc a p a c i t ya n du n d e rc o n d i t i o n so fn o r m a lu s eo ft h ee c o n o m i cb e n e f i t so fag o o d t a r g e t ，o b t a i nt h el a y o u to ft h es t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t ss e c t i o ns i z e c a l c u l a t ea n da n a l y s i st h e s t r u c t u r eb ys a p 2 0 0 0 ，w i t c hc o m p a r e dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h ef i r s tf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e ，a n dp r o v ei t d i s c u s s e dt h ec o n n e c t i o n so ft r a d i t i o n a ls t e e ls t r u c t u r ea n dw o o d s t r u c t u r e ，d e t e r m i n e dt h ec o n n e c t i o nf o r mo ft h es t r u c t u r a lc o m p o n e n t sb ya n a l y z i n g i nt h e b a s i so ft h ef u l lr e s e a r c h ，a n dc o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t e e l w o o dh y b r i d s t r u c t u r e ，t h ep a p e rc h o s et h ef o r mo fh e a ti n s u l a t i n gm a t e r i a la n dd e s i g nt h ee x t e r i o r - p r o t e c t e d s y s t e m i nt h i sp a p e r , t h r o u g has e r i e so fc a l c u l a t i o nc o m p a r a t i v ea n da n a l y s i s ，w h i c ht h ef e a s i b i l i t y o fs t e e lf r a m ea n dw o o d e nf l o o rs t r u c t u r er e s i d e n c eg o tf u r t h e rr e s e a r c h t h er e s e a r c h p r o d u c t i o nt h a tp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h ef o r mo ft h i sr e s i d e n c e ，a n dg i v et h eg u i d i n g s i g n i f i c a n c ea n dr e f e r e n c ev a l u et ot h ei n d e p t hs t u d yo ft h es t r u c t u r ef o r m k 呵w o r d s ：s t e e ls t r u c t u r e ，w o o ds t r u c t u r e ，g r e e ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , s t a t i ca n a l y s i s ， d y n a m i ca n a l y s i s 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ： 降著喜。7 年易月小 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅苯人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容 保密口，在- 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密影 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 扫月f 月1 日 日 7臼， 致谢 本论文是在导师郑晓燕教授的精心指导下完成的，从论文选题以及模型的建立与分析 处理，无不倾注了郑老师的心血和智慧，给予我无私的指导和帮助。在论文选题及编写的 一年多时间里，郑老师渊博的学识，严谨细致的学风，谦逊有礼的为人以及忘我的敬业精 神，给我留下了深刻的印象。这也将会使我在今后的工作中受益匪浅。值此论文完成之际， 谨向郑老师致以最诚挚的谢意! 此外还要感谢在论文工作中帮助我的同学和朋友! 同时也感谢我的家人对我一如继往 的支持与关心! 陆荣喜 2 0 0 9 年6 月 1 绪论 1 - 1 研究的背景与意义 改革开放以来，我国住宅建设迅猛发展。1 9 9 9 年同1 9 7 8 年相比，城市人均居住面积 从3 6 平方米增加到9 7 8 平方米，城镇住宅竣工面积从3 7 5 2 万平方米增加到4 3 6 2 5 万平 方米，城镇住宅建设投资从3 9 2 1 亿元增加到5 1 1 0 亿元。然而，住宅建设作为我国的传 统产业目前仍处于粗放型的生产阶段，住宅结构形式单一，建筑工业化程度差，劳动生产 率低，技术含量不高，能源和原材料消耗大。我国住宅单位面积耗能是同等气候条件下发 达国家的3 倍，墙体采用新型墙材的比例只有发达国家的1 8 左右，特别是墙体材料仍 占8 0 左右的粘土砖，其生产能耗高，毁田多，施工劳动强度大，质量难以控制，抗震 性能相对较差。据不完全统计，烧制这些粘土砖每年挖毁农田5 6 万亩；耗能燃煤为全国 煤产量的1 1 0 ，加上未能充分利用而排放掉的工业废渣所占用的大量土地，其数字是十 分惊人的。这既破坏了生态平衡又耗费了大量能源。因此，发展轻质高强、节能抗震、利 用“三废”、保护环境、节约土地、降低成本，并具有一定建筑生产工业化水平的建筑结 构新体系势在必行。 当前中小城市的住宅体系仍以砖混结构体系为主，这种体系不符合当前国家倡导的可 持续发展的战略。考虑到这一点，同时也是为了适应我国住宅建设的发展趋势，从而构思 了这种新型住宅结构体系，即钢框架、木楼盖混合结构住宅体系。这种新型住宅结构体系 是一种梁柱仍以钢结构为主，结构的楼盖则以轻型木结构楼盖取代，在钢结构中结合木结 构，一方面克服了木结构在层数上限制，可以使建筑物的层数达到中小城市的要求，即普 遍性的五到六层。这种新型的结构体系不仅体现出其本身的优点，如：绿色环保、可再生 利用以及促进住宅建筑的产业化的发展；同时这种新型的结构体系也丰富了我国住宅的体 系形式的单调性，与传统的钝钢结构共存，使得目前的住宅结构体系走向种多元化。本 结构还有一方面的优点就是，传统钢结构住宅大多采用压型钢板混凝土的楼盖，而本结构 采用的是木楼盖，这样可以改变传统钢结构楼盖施工中的湿作业问题；木楼盖中的搁栅是 完全预制的，从另一方面来讲采用这一形式的楼盖也可以缩短工程建设的工期，从而使得 结构整体的工业化程度有所提高。 1 2 国内外发展与研究现状 1 2 1 钢结构的国内外发展与研究现状 住宅体系在国际住宅发展史上曾经有过辉煌的发展。二次大战后，为解决房荒，欧洲 各国纷纷研究开发形式各异的住宅建筑体系，并称之为专用住宅建筑体系。各类住宅建筑 体系的共同特点是应用标准化和工业化的方法，高效率、快速地建设房屋，同时达到经济 和适用的目的。随着专用体系的发展，为了克服专用体系的隔离、封闭的状况，又逐渐发 展到了住宅建筑通用体系的高级阶段。体系化建筑的发展可以说是顺应了城市化急速发展 和劳动技能明细协作化而出现的。快速、高质量、大批量的住宅建设要求为体系化建筑提 出了客观的社会需求n 1 。工业化社会技术的发展为体系化建筑提供了必要的物质基础。钢 结构住宅体系是体系建筑中的重要类型。目前轻钢结构已成为发达国家的主要建筑结构形 式。 近两年来，世界钢铁产量的增加和国际军需用钢量的下降，促使各国拓展钢结构的使 用范围，各国建筑用制量在钢材总耗用中的比例明显提高。美国、瑞典、日本等国家，钢结 构用钢量占到钢材产量的3 0 以上。钢结构建筑面积占到总建筑面积约4 0 以上”1 。在发达 国家，钢结构技术比较成熟，各种类型的住宅都有建设，在中低层住宅方面有许多完善的 建筑体系。基本上是轻锅框架结构，采用严格的模数设计，施工装配化程度很高。如英国 的t e t n 体系，法国的g e a i 轻框架体系等。在高层住宅的建设方面也大量用钢如日本琦玉 县5 5 层住宅，采用钢管混凝上结构，高达1 8 5 m 。目前，国外钢结构住宅工业化生产方面研 究已进入对住宅体系灵活性、多变性的研究阶段其目的是扩大适应面和产生规模效应”1 。 而在我国，运用普通烧结砖、砌块、混凝土等材料砌筑住宅还是主要的住宅建造方式。但 是从1 9 7 8 年以后，我国实行改革开放政策，经济建设有了突飞猛进的发展我国建筑钢结 构也有了前所未有的发展，应用领域有了较大的扩展。高层和超高层房屋、多层房屋、单 层轻型体育场馆等都有采用制结构的。如上海中福城( 二期) 商住楼、马钢光明新村1 # 楼、马钢光明新村2 # 楼和济南百花园l # 楼等。 图卜1 上海中福城( 二期) 商住楼图卜2 济南百花园l # 楼 目前已建和在建的高层和超高层建筑钢结构已有3 0 余幢，其中地上8 8 层、地下3 层、 高3 6 5 m 的上海金茂大厦的建成，标志着我国的超高层钢结构已经进入世界前列。 为推动国内钢结构住宅的发展，建设部组织编制了轻型房屋钢结构技术规程和矩 形钢管混凝土结构规程，并于2 0 0 1 年发布了钢结构住宅产业化技术导则。在建设部的 带动下，中国钢结构协会住宅钢结构分会已经成立，多次召开了住宅钢结构研讨会，各地 纷纷投入力量探索发展途径。评审通过了三批共3 6 项钢结构住宅科研项目立项“1 。在政策 的有力推动下，目前我国钢结构住宅的开发应用己呈现出广泛与深化的发展趋势。全国各 地相继建成了一批钢结构试点工程。如上海中启集团建设的t 海中福城乡项目，天津建筑 设计院和天津建工集团分别开发的1 1 层钢管混凝土住宅，长沙远大开发的集成住宅，马鞍 山钢铁公司建造的1 8 层钢结构住宅，北京埃姆斯特开发的冷弯超薄壁型钢住宅体系等。这 些项目的建成为钢结构住宅的开发建设积累了宝贵的经验。实际上钢结构住宅不是简单地 用钢材替代混凝土作为支捧结构，如今开发钢结构住宅体系主要面临的问题不是结构方面 的问题，而是怎样解决与钢结构住宅相配套的体系与材料的问题，包括墙体、楼板、厨卫 等。钢结构住宅的设计和施工技术已经比较完善，但楼板、墙板等配套体系都存在一些问 题。其中外墙材料体系是主要的技术难点。外墙必须具有防湿、防潮、保温、隔热、防火、 防裂等功能。目前比较好的外墙板造价比较高，而价格低的预制板材料在解决保温隔热， 冷桥等物理性能方面又达不到要求。经过上个世纪末一些单位和组织的试验开发、实践探 索，政府主管部门、住宅产业办又采取了一系列促进政策及措旆，人们观念发生转变，对 钢结构住宅的优越性有所认识，从2 0 0 0 年开始我国已经进入镅结构住宅发展阶段。 图l - 3 马钢光明新村l # 楼 图卜4 马钢光明新村2 # 楼 建设部颁布的钢结构住宅产业化技术导则在总结我国钢结构住宅初步经验的基 础上，制定了建筑体系、结构体系、建筑设备、钢结构防护、工厂化生产和施工安装方面 的指导原则，并将我国钢结构住宅基本定位在1 2 层( 含1 2 层) 以下。国家为加快住宅产业化、 现代化的步伐，明确提出要积极合理地扩大钢结构在建筑中的应用。为了推动和加快钢结 构住宅的发展，建设部有关部门在2 0 0 1 年到2 0 0 3 年推出$ 3 6 项“钢结构住宅体系及关键技 术”的研究课题。项目内容广泛，对我国钢结构住宅体系的研究以及关键技术的攻关都起 到了积极推动作用，并且通过一批示范工程和试点项目的建设以及国家住宅产业化基地， 使钢结构住宅稳步健康地发展。为推进钢结构住宅建筑体系的形成，目前国内部分省市己 在不同层次开展对钢结构住宅的研究、试验和开发工作。在全国各地像北京、上海、天津、 广东、安徽、山东、辽宁、浙江、长春、攀枝花、杭州等都进行了试点工程。多层轻钢结 构与传统结构形式有着较大的区别，并且还处于起步阶段，还存在着很多问题，比如设计 方法，经济柱网的选择，以及构件截面形式的确定，围护结构的选取”。 在铜结构住宅的示范工程的研究中，武汉理工大学承接 1 。2 0 0 1 年科研攻关项目“钢 结构住宅示范工程一北京水利基础总队住宅工程”，建设部2 0 0 3 年科技攻关项目“夏热冬 冷地区多层钢结构住宅体系研究”，以及2 0 0 3 年武汉市建设科研项目可行性报告“基于型 钢住宅结构体系的研究”。这些方面的研究主要是针对一些地区的地质条件和实际情况相 应提出适用的结构体系并进行论证，有利于推动我国钢结构住宅的发展，使住宅结构体系 多元化，研究的结构体系针对于不同地区不同类型的建筑，所以其适用面广泛，易于推广。 对此体系的结构研究，更可推动其他相关专业的配套研究，使之更为完善。住宅产业是我 国国民经济新的增长点，住宅建筑量大面广，在推进住宅产业现代化过程中，钢结构住宅 发展前景广阔。钢结构住宅以其固有优点将成为我国推进产业现代化的主要建筑体系印 。 2 0 0 5 年谢小锋n 1 研究了低烈度区冷弯型多层钢结构住宅的构件性能与结构体系，还对 壁厚大于6 m m 的冷弯型钢进行了研究；同年东南大学郑添哺1 采用塑性铰法对6 层、1 0 层、1 2 层的纯框架、框架支撑及框架核心简体系进行了弹塑性分析比较及体系优选；2 0 0 7 年董军、 梅阳等旧1 对抗震设防烈度为8 度，6 层及1 0 层的纯框架、框架支撑及框架核心筒体系进行了 弹性阶段的性能分析及比较；同济大学的李国强教授和沈祖炎教授等n 们对钢框架结构进行 了同时考虑节点和杆件剪切变形及轴力影响的二阶效应地震反应分析，给出了h 型钢柱纯 框架层间弯剪型模型，对梁单元弹塑性刚度矩阵作了改进，提出弹塑性模型n 妇n2 | ，将c l o u g h 梁单元弹塑性刚度矩阵计算的二杆模型推广为广义c l o u g h 模型n3 | ，研究了梁柱连接变形和 节点域剪切变形对钢框架的抗震性能的影响；西安建筑科技大学郝际平和陈绍蕃教授n 4 3 对焊接工字钢和h 型压弯构件在循环荷载下的局部屈曲和低周疲劳进行了试验研究，得到 了翼缘宽厚比、腹板高厚比对承载力和延性的影响规律。 自1 9 6 0 年以来，美国就开始发展冷成型钢结构构建n5 1 ；美国d i e t r i c l i 公司n 铂开发出 了成套的轻钢龙骨体系多层住宅体系( d b s 体系) ，与低层体系不同的是此结构设置了由轻 钢龙骨纸面石膏板和镀锌钢板构成的剪力墙，在非抗震区最高可达1 2 层。交错桁架体系的 概念首先是在1 9 6 6 年由美国麻省理工学院的m a n i n e c o o 和r o b e n j h a n s e n 等n 7 1 人提出， 于1 9 6 7 年首次应用于美国明尼苏达州的圣保罗公寓；1 9 7 1 年j bs c a b z i 等n 8 1 人提出了双平 面支撑框架力学模型，将相邻两竖向平面结构合成一个平面，简化了计算；在2 0 世纪7 0 年代欧洲就已经大量兴趣钢一混凝土混合结构体系的建筑，1 9 8 1 年，f r a n k l i n yc 1 i e n g 用杆系一层模型对钢一混凝土混合结构进行弹塑性地震反应分析。 1 2 2 木结构的国内外发展与研究现状 木材是人类认识和利用较早的建筑材料之一。据史书记载，木结构建筑早在公元1 0 0 0 年前就曾作为古代埃及和希腊基本梁柱结构形式得到应用，但由于当地木材资源的相对短 缺，木结构技术在古代欧洲并没有发展成为主流结构技术。相反，古代中国木材资源相对 丰富，木结构技术在中国的千年文明中却得到了广泛的应用和发展，而成为中国建筑史上 最主要的建筑方式，并形成了风格独特的建筑体系。近代随着钢铁工业的发展和混凝土技 术的发明及应用，出现了钢结构和钢筋混凝土结构，但西方木结构技术却也同得到了长足 发展，特别是人造木技术的发展，使得木结构技术从住宅领域发展到了其他民用建筑领域， 成为和钢结构技术、混凝土结构技术同时发展的建筑技术n9 l 。在现代中国，由于前几十 年森林管理等方面的原因，滥砍滥伐，以致木材材源枯竭。政府对木材在建筑上的应用制 定了严格的限制措施，提倡以钢代木，以塑代木。因此，近三十年来木结构在中国被排除 在主流建筑之外，木结构建筑几乎成了中国建筑的盲点。木材作为建筑材料具有重量轻、 强度高、美观、加工性好等特点，现代木结构建筑在世界上许多国家应用已很普遍。尤其 伴随着现代科技和计算机产业的发展，木结构从取材、加工、设计、安装均融入科技成分， 现代木结构建筑已成为传统营造概念和现代科技的完美结合物。 近十年来，我国在吸收和消化国外先进的木结构房屋建造技术的基础上，也加快了木 结构房屋国产化的步伐 z o o 前期研究以引进为主，在国家林业局9 4 8 项目( 木结构房屋结 构材料应用关键技术引进) 的资助下，中国林科院木材工业研究所分别与日本松美公司、 加拿大悦庐公司合作，建造了两幢以研究为主要目的的示范性木结构房屋，2 0 0 4 年正式启 动。这是具有开发前景和政策引导的国际合作示范项目，也是中国第一个现代木结构建筑 材料评价和建造技术比较的研究课题。目前，对示范房屋材料和木结构建筑性能的评价正 在继续乜1 i 。另外中国林科院引进项目中的“胶合木结构”、“轻型木结构”经过林科院对 其进行了在国内可行性的研究，并在原来基础上提出了结构形式和材料的修改建议，研究 呈现出自主创新的特色，如中国林科院对现代木结构材料提出了“国产化”的概念，建议 采用我国国产木材建造木结构，并对国产人工林杉木规格材进行了应力分级、构件连接等 研究，湖南大学对使用我国特色材料一竹材建造竹结构建筑进行了研究，举办了首届“现 代竹结构国际研讨会”。随之发展起来的我国国内木结构企业也在积极寻求与科研院校的 合作，如南京北美木屋有限公司与同济大学、南京林业大学合作测试其自主生产齿板连接 性能e 2 2 o 研究总体呈现多面性的特点，分别涉及标准制定、构件材料、结构性能、构造 设计等领域。 在北美，木结构住宅处于市场的主导地位，2 0 0 0 年美国新建独户别墅约l1 1 4 万幢， 其中9 0 采用木结构；在加拿大，木材工业是国家支柱产业之一，其中木结构住宅的工业 化、标准化和配套安装技术非常成熟。在日本，大量的住宅是利用木材、胶合木和水泥刨 花板建造的。目前，日本新建的住宅房屋中，有半数以上是木结构。在北欧的芬兰和瑞典， 居住房的9 0 为一层或两层的木结构建筑。除大量的住宅建筑外，木结构建筑还被广泛应 用于建造厂房、学校、旅馆、体育馆等公共建筑。在现代西方许多优秀的木结构建筑范例 中，建筑师充分利用木材的特性，创造出了丰富的空间概念和建筑形态。国外的木结构的 研究主要是从以下几个方面进行的：( 1 ) 木结构的设计和标准；( 2 ) 木材建造系统和生产 方法；( 3 ) 剪力墙的性能；( 4 ) 木结构的声学性能；( 5 ) 木结构的防火性能；( 6 ) 木结构 的振动性能。木结构建筑的发展，扩大了木材的用途，可促使林业产业的良性循环，若木 结构房屋材料有研究和开发等技术问题能在近期内有较大突破，住宅建设领域能够大量使 用人工林木材，木材需求量的增加和丰厚的利润则将促使人工林的经营者和个体林农积极 种树，以至形成一个可持续发展的良性循环。另一方面，也可以带动化工、机械等相关行 业的发展，形成一个新的增长点，也将会使利用人工林木材( 杨树、马尾树、落叶松、桉 树、甚至竹材等) 生产的结构人造板( o s b ) ，用量大大增加，从而促进我国木质人造板工业 的发展e 2 3 。由于建造木结构房屋能够节省能量和维护生态清洁，所以在许多国家它又重 新得到发展。近年来，国外的装配式木结构房屋得到大力推广。不仅在北美，而且在欧洲、 斯堪的纳维亚和俄罗斯等地区国家，都广泛利用木材建造房屋。美国每年建设的木结构房 屋在美洲很流行，原因是它同钢筋混凝土房屋比较平均节省费用2 0 3 0 。为了建造单户 住宅和3 层甚至5 层房屋，美国多半采用框架式结构。这时，只有房屋的1 3 立面用木材装 修，而剩下的2 3 立面为沙浆抹墙，用塑料或者金属“薄板”饰面。在德国、瑞士、法国、 英国等西欧国家，也在组织大规模生产木结构房屋，所建房屋多半在小城市。在这些国家， 以前只允许建造一层和两层的木结构房屋。现在欧洲标准规定，工业生产的木结构房屋可 以建多层的。过去，芬兰城市里只有木结构房屋。现在，这个国家几乎全部郊外的房屋( 9 8 ) 和几乎全部单户住宅( 9 0 ) 都为框架结构的木房屋。在芬兰，当建造多层房屋时，如果木 材构件符合修改后法律的防火要求，则尽可广泛使用。建造三层和四层的房屋，不论是居 住用，还是商业用途，均用木框架和木材装饰立面。现在，芬兰一所大学的建筑系首倡实 施“现代化的木头城市”计划，已经在3 0 个地区开展建造不同形式的木结构房屋：在农村 建造单层的木结构房屋，在城市建造多层、多户的木结构房屋乜引。木结构住宅在国外得 到长足发展的同时，也加强各个性能方面的研究了。如对木结构住宅的抗震方面的研究， 这些抗震研究包括从小到钉子测试大到整栋房屋的足尺地震模拟心蚴3 。由于多种传力路径 和“非结构”构件的贡献，所以用数学模型模拟传统木框架建筑的抗震性能比较困难一因 此，研究人员一般通过更多地了解材料和组件的特性来更好地预测整栋房屋的抗震性能。 通过足尺模型试验，研究人员正在研究整栋房屋的构件如何共同作用以抵抗地震作用这 一复杂模型。这一研究既有助于解释传统木建筑的抗震性能，也能为设计人员提供更有效 的设计方案h 8 i 。加拿大国家林产工业技术研究院( f o ri nt e k ) 是加拿大最重要的林产研 究机构，其抗震研究的重点是对房屋构件进行测试和建模。他们的研究成果已被用来增强 加拿大木结构设计规范中的有关抗震条文。加拿大国家林产工业技术研究院及其合作伙伴 同时还研究发展计算机模型，用于评估木结构房屋在地震中的性能。此计算机模型可作为 一种工具，有效地帮助工程师进行木结构房屋的抗震设计。 1 3 本文研究的内容 ( 1 ) 针对某住宅建筑施工图，进行结构的初步设计。 ( 2 ) 用a n s y s 对木楼( 屋) 盖部分进行分析，确定合理的搁栅布置方案。 ( 3 ) 利用s a t w e 软件模块对结构进行计算与分析，探讨合理的结构布置和构件尺寸。 ( 4 ) 利用s a p 2 0 0 0 对结构进行计算与分析，实现了两个软件计算结果的对比和印证；证 明了该结构体系的可行性。 ( 5 ) 探讨轻型木结构的楼盖的节点连接形式及钢框架中的梁与梁、柱与柱和梁与柱的节 点连接形式，确定本结构的连接形式。 ( 6 ) 对本结构的围护体系和保温材料进行选取并确定了其相应的构造做法。 2 钢框架、木楼盖结构住宅设计方案探讨 2 1 钢柱网及钢梁布置 柱网尺寸首先应该最大限度上满足建筑使用功能的要求，然后根据造价最省的原则， 充分考虑加工、安装条件等因素综合确定。由于钢结构承载能力高而质量轻，与钢筋混凝 土结构相比，钢结构应采用大柱网，在节约造价的同时也满足到住宅的需要，本住宅标准 层建筑平面图如图2 - 1 所示，在综合考虑相关影响因素并进行了结构方案的初步探讨，最 终采用的柱网尺寸如下： 纵向3 6 m 、2 6 m ，横向4 4 m 、3 4 m 、3 9 m ( 如图2 - 2 ) 。 j l | 1 1 嫩 啦 h 图2 1 楼层平面布置图 多层钢结构建筑，可采用纯框架形式，如果结构刚度要求较高，纯框架难以满足要求， 可采用支撑框架形式。本工程虽然处于7 度抗震设防地区，但结构本身只有5 层，高度只 有1 4 m 左右，建筑形式又比较规则，柱网也不是太大，纯框架形式很容易满足要求，经济 性能优于框架支撑体系，而且h 型钢加工制作简单，节点处理也比较方便，因此采用钢框 架结构形式。 量 量 孽 3 d鞠m3 o3 6 j d 图2 - 2 柱网布置平面图 7 结构的框架梁柱承受的荷载都比较大，在材料选用时应优先考虑强度高的钢材，本工 程主梁和柱子采用q 3 4 5 b 钢材。 工字形梁的截面高而窄，在主轴平面内截面刚度较大，楼盖可以通过剪刀撑来加强其 刚度，本结构梁截面采用工字形截面，同一梁高，计算时以最大跨度4 4 0 0 r i o n 确定，现将 高跨比设为1 1 5 - 1 2 0 ，即为2 2 0 m m 到2 9 3 m m ，初定梁和柱的尺寸：梁高取为3 0 0 m m ，初 始设计时选用h n 3 0 0 x1 5 0 ；柱也用h 型钢，选用h m 3 0 0 2 0 0 。 2 2 楼盖设计 钢结构住宅中楼盖的合理选择对整个结构的安全性、经济性显得至关重要，它不仅起 到将竖向荷载传给梁柱，保证抗侧力结构的空间协同作用，而且还影响建筑的使用功能和 造价以及施工的进度，因此在确定多层钢结构楼盖的方案时，应考虑以下几点要求： ( 1 ) 保证楼盖有足够的平面整体刚度 为有效地抵抗水平地震及风荷载的作用，楼面必须有足够的刚度，防止结构因较大的 变形而发生整体失稳破坏。 ( 2 ) 减轻楼盖结构的自重及减小楼盖结构层的高度 在传统的梁板结构形式中，梁高占建筑的层高较多，选择适宜的楼盖形式，可以有效 地减小构件截面尺寸，增大使用空间，减轻结构自重。 ( 3 ) 有利于现场安装方便及快速施工 钢结构的制作安装的工业化程度很高，因此在设计时要考虑施工中尽可能不采取传统 模板拆模的繁琐作业，以免影响钢结构施工进度。 ( 4 ) 较好的防火、隔音性能，并便于敷设动力、设备及通讯等管线设施 楼盖的设计在考虑结构安全性的同时，还应该充分考虑到它的适用性，经济性；使建 筑中管线的铺设同楼盖的形式紧密的结合起来，既节约了造价，也美化了环境。 2 2 1 钢结构工程中常用楼盖的类型和特点 ( 1 ) 压型钢板混凝土楼盖 在钢结构设计中，采用压型钢板与混凝土组合楼盖具有多项优点：合理的设计后，可 不设置专业施工的模板系统，实现多层同时施工作业，大大加快施工进度；压型钢板的凹 槽内可铺设通讯、电力、通风、采暖等管线，吊顶方便；压型钢板便于运输、堆放，安装 方便，不需拆卸，火灾危险性小；施工时可起增强钢梁侧身稳定性作用，在组合楼板中压 型钢板可以作受拉钢筋使用。 ( 2 ) s p 预应力空心板楼盖 s p 板是引进美国s p a n c e r e t e 公司的生产设备和生产技术生产的大跨度预应力混凝土 空心板；s p 板既可以用作楼板，又可用作墙板，能很好地满足房屋的建筑和结构的要求。 以s p 空心板作为楼盖有以下一些优点：1 ) 跨度大、承载力高。s p 板通过板和板之间的共 同作用可以承受较大的集中荷载；另外，s p 板采用预应力钢绞线作为受力主筋，其最大 跨度可达1 8 米，可满足各种结构的需要。2 ) 任意切割，不受建筑模数限制。建筑上布局 灵活，造型美观。3 ) 外观尺寸准确，平整度好。4 ) 施工安装快捷，缩短施工工期。5 ) 抗震 性能强，在地面加速度、场地等其他条件相同的情况下，s p 板建筑的延性较好，抗震性 能接近于钢筋混凝土剪力墙。6 ) 用钢量低。该板采用预应力钢绞线，无分布筋和其它构造 筋。 ( 3 ) 混凝土叠合楼盖 混凝土叠合板是预制钢筋混凝土板支撑在工厂制作的焊有栓钉剪力连接件的钢梁上， 在铺设完现浇层中的钢筋之后浇灌混凝土，当现浇混凝土达到一定的强度时，栓钉连接件 使槽口混凝土、现浇层及预制板与钢梁连成整体共同工作，形成钢一混凝土叠合板组合梁， 预制板和现浇层相结合形成叠合板。预制板按照设计荷载配置了承受正弯矩的受力钢筋， 并伸出板端，现浇层中在垂直于梁轴线方向配置了负弯矩钢筋。负弯矩的钢筋和伸出板端 的钢筋还同时兼作组合梁的横向钢筋抵抗纵向剪力。预制板既作为底模承受现浇混凝土自 重和施工荷载，又作为楼面板的一部分承受竖向荷载，同时还作为组合梁翼缘的一部分参 与组合梁的受力。它的主要优点是：用预制板代替了模板，取消了脚手架，使施工速度加 快；免去了支模的工序，不中断下部交通，便于立体交叉施工。叠合板组合楼盖具备一般 组合楼盖的良好受力性能；叠合板和钢梁的组合，可以提高钢梁的抗弯刚度，减少截面高 度，增加结构的稳定性。 以上三种楼盖形式中，结构用材仍然是混凝土，楼盖施工中仍然需要湿作业，满足不 了本结构避免湿作业的要求，本结构的楼盖采用一种有别于以往钢结构住宅的楼盖形式， 即木搁栅楼盖。 2 2 2 木楼盖设计 ( 1 ) 木楼盖的形式 楼盖主要由木搁栅和楼面板两个部分组成( 如图2 3 ) ，搁栅选择木“工字形”，这样 的楼面承载能力较大、刚度也较好；楼面覆板采用的是定向刨花板( o s b ) 。为了保证楼面 搁栅的侧向刚度，搁栅之间可以考虑用填块、剪刀撑进行加强，或在楼面搁栅底部用连续的 木板或钢板联系，工字形搁栅与h 形钢梁采用钢拼接板进行连接，楼板面的铺设上是用钉 子将楼板钉在木搁栅上。 拥橱 u 卜 、 。、 卜叫卜_ 图2 - 3 楼面形式 ( 2 ) 木搁栅合理间距和覆板厚度的确定 1 ) 搁栅的选取 本结构所用的木搁栅是t r u sj o i s tm a c m i l l a n 生产的t j i 预制工字形搁栅系列中的 定向木片板o s b 腹板，且上、下翼缘平行的等截面工字形搁栅。根据本结构的特点，选择 9 型号为t j i p r o l 5 0 和t j i p r 0 2 5 0 两种，搁栅的材料参数如表21 所示。 表2 - 1t j i 搁栅材料参数 类型弹性模量最大弯矩值翼缘截面尺寸腹板厚度搁栅截面高度 t j i p r o l 5 0 1 4 5 0 0 _ m 卅23 7 0 5 n 所3 8 蛐4 5 衄 95 釉2 4 1 t j i p r 0 2 5 0 1 4 5 0 0 n m m 4 3 5 7 nm 3 8 m 3 8 口05 m l2 4 1 2 ) 搁栅间距的确定 为了使搁栅的间距选u 相对合理性，选择了六种捐栅间距来进行分析对比，确定其中 比较合理的一种。本建筑方案一共有以下六种不同开间进深的房间：36 39 m 、36 34 m 、3 6 44 m 、26 x 3 9 m 、26 3 4 m 、26 4 4 m 。六种不同的开间进深分别以 f 表示( 如图2 - 4 所示) 。在分析时选取了其中两种具有代表性的开间、进深的房间进行分 析，即为房问a 和房间f 。搁栅的排列平行于短边方向。 宙o l l l 图2 4 六种不同开间与进椿的房间符号表示 利用有限元软件分析搁栅在荷载作用下的弯矩和挠度值，模型中木搁栅采用b e a m l 8 8 单元，木搁栅与粱的结点处理以绞结连接，楼盖的模型如图2 - 5 所示。 图2 5 楼盖的有限元模型 楼面荷载的取值按计算值4 0k n m 2 进行取用。 通过a n s y s 计算，得到搁栅的弯矩值和挠度值如下： a a 房间 采用t j i p r 0 2 5 0 搁栅，弯矩和挠度的计算结果如表2 - 2 。 表2 2a 房问不同间距下的计算结果 b f 房间 采用t j i p r o l 5 0 搁栅，弯矩和挠度的计算结果如表2 - 3 。 表2 3f 房间不同间距下的计算结果 3 ) 覆板厚度的确定 搁栅的覆板采用的是定向刨花板o s b ，对常用的1 5 m m 、1 8 m m 和2 5 r a m - - - - 种板厚的板在六 种搁栅间距下进行承载力验算。验算的方法是对o s b 板在荷载作用下的弯曲应力值与其强 度值进行比较，确定其合理的厚度。定向刨花板一般静曲强度值达至u 2 0 m p a 左右，参考 k o l l m a n n 嘞1 的研究成果，计算时取其强度值厶为i o m p a 。 板的弯曲应力值按式( 2 1 ) 进行计算，计算宽度取6 0 0 m m 。 = 等 ( 2 1 ) 式中：以一弯曲应力； 尸m 。一荷载值( n ) ； 卜跨度( 所垅) ； 6 一宽度( m m ) ； h 一厚度( m m ) 。 a 表2 - 4 为板厚为1 5 m m 时，各种搁栅间距下板的应力分析结果。 搁栅间距( m m ) 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 弯曲应力( 此p 口) 2 4 3 6 4 3 3 0 6 7 6 7 9 7 4 4 1 3 2 6 1 7 3 2 弯曲应力允许值 1 0 胁 b 表2 - 5 为板厚为1 8 r a m 时，各种搁栅间距下板的应力分析结果。 表2 - 5 各种间距下板的弯曲应力值( h = l s m m ) c 表2 - 6 为板厚为2 5 r a m 时，各种搁栅间距下板的应力分析结果。 表2 - 6 各种间距下板的弯曲应力值( h = 2 5 m m ) 木结构设计规范g b 5 0 0 0 5 2 0 0 3 中有关受弯构件挠度的限值如表2 - 7 所示，由表 可见搁栅的挠度限值为l 2 5 0 的跨度，即a 房间的挠度限值为1 4 4 m m 、f 房间的挠度限值 为1 0 4 m m 。 表2 - 7 受弯构件挠度限值( ，为受弯构件的跨度) 从有限元计算的结果可见，六种间距的搁栅挠度值都远远小于规范中的限值；随着搁 栅间距的增大，搁栅弯矩值也随着增大，当间距超过6 0 0 m m 后，a 房间采用的t j i p r 0 2 5 0 的搁栅已经不能满足承载力的要求；由表2 4 表2 6 可以看出，随着搁栅间距的增加， 覆板的弯曲应力也越来越大，板厚为1 5 m m ，搁栅间距超过6 0 0 m m 后，板的强度值小于荷 载作用下的弯曲应力，不能满足要求，当板厚为1 8 m m 时，搁栅间距超过7 0 0 m m ，板的弯 曲应力超过其强度值，不能满足要求。综合考虑整个楼盖的安全性和经济性，最后a 房间、 b 房间和c 房间选择t j i p r 0 2 5 0 搁栅，间距为6 0 0 m m ，覆板的厚度为1 8 r a m ：e 房间和f 房间选择t j i p r o l 5 0 搁栅，间距为6 0 0 m m ，覆板的厚度选择1 8 m m 。a - f 房间的具体分布 形式以图例进行表示。 采用t j i p r 0 2 5 0 型搁栅的为a 房间、b 房间和c 房间，布置形式如图2 6 图2 8 。 卜盟- r 苴 量l且 景l l r 霉i z 卜幽_ _ 1 图2 - 6a 房间搁栅的布置图图2 7b 房间搁栅的布置图 图2 8c 房间搁栅的布置图 采用t j i p r 0 2 5 0 型搁栅的为e 房间和f 房间，布置形式如图2 9 图2 1 0 。 髑 48 l 立型) _ 一，斟 图2 - 9e 房间搁栅的布置图图2 - 1 0f 房间搁栅的布置图 2 3 木屋盖设计 2 3 1 屋盖的形式 传统钢结构形式的住宅，在屋盖的选取上多以压型钢板混凝土这一形式的楼盖为主， 本结构从木结构方向入手，设计一种新的形式来代替传统的屋盖，此屋盖的基层与本结构 楼盖的形式一致，面层加入组合屋盖。 2 3 2 屋盖搁栅间距与覆板厚度的确定 屋面为不上人屋面，组合后得到屋面的荷载值为2 9 5a 配v m 2 ，这里也选择六种房间 中具有代表性的a 房间和f 房间进行计算。 ( 1 ) 屋盖搁栅间距的确定 利用有限元软件计算搁栅的弯矩和挠度值如下： 1 ) a 房间 r 引1 采用t j i p r 0 2 5 0 搁栅，弯矩和挠度的计算结果如表2 8 所示。 表2 8a 编号房问不同间距下的计算结果 2 ) f 房间 采用t j i p r o l 5 0 搁栅，弯矩和挠度的计算结果如表2 - 9 所示。 表2 - 9f 编号房间不同问距下的计算结果 ( 2 ) 覆板厚度的确定 屋盖中搁栅覆板也按楼盖中对其强度值按式( 2 2 ) 进行验算，确定一种合理的板厚。 a 表2 1 0 为板厚为1 5 m m 时，各种搁栅间距下板的应力分析结果。 表2 一1 0 各种间距下板的弯曲应力值( h = 1 5 m m ) b 表2 1 1 为板厚为1 8 m m 时，各种搁栅间距下板的应力分析结果。 表2 - 1 1 各种问距下板的弯曲应力值( h = 1 8 m m ) 搁栅间距( 所聊)弯曲应力( 朋_ 尸口)弯曲应力允许值 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 1 2 2 9 2 1 8 5 3 4 1 4 1 0 俨口 4