哈工大-建筑学结构与选型-建筑结构-木结构简化 考研（优选分析）

1、建筑结构-木 结 构,哈尔滨工业大学 建筑学院 孙世钧 2008.09,1,业内相关,表1 建筑结构的分类,2,业内相关,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

2、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。,3,业内相关,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，

3、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；,4,业内相关,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

4、。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。,5,业内相关,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

5、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：,6,业内相关,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

6、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,业内相关,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

7、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。,8,业内相关,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

8、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。,9,业内相关,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

9、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。,10,业内相关,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）。,11,业内相关,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

10、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。,12,业内相关,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

11、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。,13,业内相关,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

12、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。,14,业内相关,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。,、,15,业内相关,7 木 结

13、 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。,

14、、,16,业内相关,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,、,17,业内相关,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,、,18,业内相关,7 木 结 构7.2 木结构构件计算,7.2.3 受弯构件,、,19,业内相关,7 木 结 构7.2 木结构构件计算,7.2.3 受弯构件,、,20,业内相关,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,、,21,业内相关,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

15、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。 7.3.1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。,、,22,业内相关,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

16、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。,、,23,业内相关,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）。,、,24,业内相关,7 木 结 构7

17、.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）。,、,25,业内相关,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)

18、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。,、,26,业内相关,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； (

19、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。,、,27,业内相关,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

20、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1 2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。,、,28,业内相关,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。,、,29,业内相关,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。,、,30,业内相关,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。,、,31,业内相关,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