轻型木结构房屋的结构特点与改进_图文

1、建 筑 结 构 学 报(增刊2Journa l o f Bu il d i n g Struct u res(Supp le m entary Issue 2基金项目:国际科技合作项目(2008DFA71990,陕西省教育厅自然专项基金项目(09J K548。作者简介:谢启芳(1978 ,男,江西赣州人,工学博士,讲师。E m ai:l x i eq f gh xau a.t edu .cn 收稿日期:2009年9月轻型木结构房屋的结构特点与改进谢启芳1,2,吕西林1,熊海贝1(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055摘要

2、:轻型木结构房屋是指用由间距较密的规格材和覆面材料用钉子连接组成结构构件的一种木结构房屋体系。轻型木结构房屋因其建筑综合能耗低、建筑材料环境亲和力强、抗震性能好等突出优点在北美、加拿大等国家广泛应用,几乎所有的低层住宅都是轻型木结构房屋。而我国在轻型木结构房屋方面的研究和应用刚刚起步。介绍了轻型木结构房屋的结构形式、构造特征及施工方法,分析了轻型木结构房屋的优点和结构特点。根据已有的研究资料和房屋的破坏特征探讨了该结构体系的不足之处:薄弱的钉连接、墙骨柱强度未发挥。提出了一种新型木结构墙体,木骨架中的竖向墙骨与横向墙骨、顶梁、底梁采用榫卯连接,面板与木骨架采用钉连接,该墙体受剪承载力较高、耗能

3、性能好及施工更为简便。分析了轻型木结构中国化特别是中国村镇化的发展趋势。关键词:轻型木结构房屋;结构特点;改进措施中图分类号:TU366.2 文献标志码: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 引言节能环保是世界各国迫切需要解决的问题,而作为我国国民经济支柱产业的建筑业能源消耗巨大,据统计,目前我国建筑能耗已达总量能耗的30%。发展节能环保、资源可再生性的绿色住宅体系,走可持续发展之路是建筑业发展的方向。与混凝土、各种砌块和钢材相比,木材是最好的可持续发展材料,具有环保、节能、材料可再生等特点,因此木结构是环保、节能、可持续发展建筑的代表,必将成为我国建筑业新的发展方向。350我国是木结构建筑的发源地,历史悠久、源远流长,有一大批木结构古建筑保存至今,如已经历近千年风雨的现存世界上最高(67m的木结构建筑佛宫寺释迦塔(应县木塔、规模宏大的故宫木结构建筑群等。我国木结构古建筑之所

10、以能历经沧桑而大量长存,是因为其有别于钢结构、钢筋混凝土结构及用铁钉、铁匝连接的现代木结构,而有着其独特的结构特性1。但由于过渡砍伐,木材资源出现短缺匮乏,近20年我国木结构发展基本处于停滞阶段。与此同时,欧美现代轻型木结构体系得到了迅猛发展,占当地住宅市场90%以上。轻型木结构体系是指用由间距较密的规格材和覆面材料用钉子连接组成结构构件的一种木结构房屋体系。轻型木结构房屋因其建筑综合能耗低、建筑材料环境亲和力强、抗震性能好等突出优点在北美、加拿大等国家广泛应用,几乎所有的低层住宅都是轻型木结构房屋2。我国在轻型木结构房屋方面的研究和应用刚刚起步,基本上是全盘引进国外木结构的建造技术,且相配套

11、的木材加工技术却未能得以引进而需进口建造用材,使得我国轻型木结构住宅的造价较高,这与我国的国情不相适应。本文在介绍了轻型木结构房屋体系的基础上,根据已有的研究资料和房屋的破坏特征探讨了该体系的结构特点与不足之处,提出了一种新型木结构墙体并分析了其特点,分析了轻型木结构中国化特别是中国村镇化的发展趋势。1 轻型木结构简介轻型木结构房屋主要是由木构架墙体、木楼盖和木屋盖系统等的全部或部分组成的结构体系,适用于3层及3层以下的民用建筑,图1为一个2层轻型木结构房屋的结构体系。这种结构体系是由各种木产品建造而成,承担并传递作用于结构上的各类荷载。这些木产品主要包括建造结构框架的规格材(实心木、工程木产

12、品(再造木,以及用来覆盖在框架上作为覆面板(墙面板、屋面板和楼面板之用的板材,如胶合板或定向木片板。1.1 轻型木结构的构造特征3 4图2是轻型木结构的主要结构构件,下面将对该类结构的三大组成部分:墙体、楼盖、屋盖分别加以叙述。墙体的作用是承受竖向荷载并将屋盖和楼盖荷载传至房屋基础, 并且承担由地震和风荷载引起的侧图1 轻型木结构房屋的结构体系F i g.1 Struc t ura l syste m of li ght wood frame house图2 轻型木结构的主要结构构件F i g.2 Struct ura lm e m be rs of li ght wood fra m e h

13、ouse楼盖主要由梁(组合梁、搁栅和楼面板组成。梁由紧固在一起的规格材或工程木产品制造而成,为楼盖搁栅提供中间支撑。楼盖搁栅由规格材或工程木产品制成,由一系列水平结构构件组成,用于支撑楼板面板、吊顶及其上的荷载。楼面板由胶合板或定向木片板制成,板材长度方向与搁栅垂直。图4为典型楼盖系统剖视图。351 图3 墙体框架及构件F i g .3 F ram e and m e m bers o f w all图4 楼盖系统及其构件F i g.4 Syste m and m embers o f fl oo r屋盖按照建造方法的不同可以分为传统屋盖和木桁架屋盖两种。传统屋盖是指采用单个构件(如椽条和搁栅

14、等在现场组装构成的屋盖;木桁架屋盖是指在工厂预制好桁架、运输到现场后安装桁架和屋面板而成的屋盖。图5 所示为传统双坡屋盖。图5 传统双坡屋盖F i g .5 D ouble pitch roo f1.2 轻型木结构施工方法3我国GB 50005 2003#木结构设计规范5中所指的轻型木结构亦称!平台式框架结构。平台式框架结构是一种更精确的表达方式,它描述了轻型木结构的施工技术及方法,见图1,描述如下。轻型木结构房屋通常采用混凝士基础,然后将木材和楼面板制成的楼盖(此为地面锚固在基础上,就形成了一层楼盖,同时也为一层墙体框架的施工提供了工作平台。墙体框架的每个墙肢相互连接,同时与楼盖(此为地面连

15、接在一起,从而形成一层房屋。建造两层房屋时,将第二层楼的楼盖锚固在第一层楼的墙顶,从而为建造第二层墙体框架提供工作平台。对于三层楼的房屋,可重复第二层楼的建造工序。最后将由木材和屋面板制成的屋盖安装在顶楼的墙顶上,并与墙顶紧固在一起,这就形成了完整的房屋。图6为轻型木结构房屋墙体的施工 方法示意图。图6 墙体的施工方法F ig .6 Constructi on progra m of w a ll1.3 轻型木结构房屋的优点轻型木结构房屋以其诸多优点在很多国家得到了广泛的应用,在加拿大和美国,几乎所有的低层住宅都是轻型木结构房屋。其主要优点如下:(1节能环保。木材是最好的可持续发展材料,在生长

16、过程中能吸收大量的二氧化碳,房屋拆除后木材可以循环利用,且与石油等能源不同,木材是可再生资源。由于木材具有良好的绝热性,墙体和屋架体系中又填充了高效的保温棉,使得木结构房屋具有良好的保温性能。研究表明6,木结构住宅在生产和使用中的能耗表现都优于轻钢和混凝土结构的住宅。(2施工简便快速。轻型木结构房屋的主要构件均在工厂按标准加工生产,在施工现场组装,无需大型机械设备,简单快速。(3抗震性能好。木结构房屋由于自身重量轻,在地震时吸收的地震作用相对较少,同时轻型木结构中大量的钉连接、齿板连接和锚栓连接等柔性连接以及木材的变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。已在历次地震中得到了检验

17、。此外,轻型木结构房屋还具有设计灵活,便于安装电气和机械管线,舒适便利,耐久性好等优点。3522 轻型木结构房屋的结构特点从结构受力上分析,轻型木结构房屋有如下特点:(1构件间钉连接。钉连接是轻型木结构房屋中最主要的连接形式,包括面板钉连接和骨架钉连接,即墙体面板与墙骨柱、楼盖面板与搁栅、屋盖面板搁栅或桁架、墙骨柱与底梁板、墙骨柱与顶梁板等均采用钉连接。(2墙骨柱上下铰接。墙骨柱上下两端分别与顶梁板和底梁板采用钉连接,因此墙骨柱上下两端近似为铰接,这使得墙骨体骨架基本上不能承担水平荷载,只能承担竖向荷载,而水平荷载由墙体面板承担。 (3墙体多次超静定。虽然墙骨柱为上下铰接,但将面板通过若干钉连

18、接于墙骨架之后,由于每多一个钉连接就多一次超静定,使得墙体为多次超静定构件,这也是轻型木结构房屋通常不会发生整体倒塌的重要原因。3 轻型木结构的结构缺陷轻型木结构建筑引进我国后,建造所需的规格材、定向木片板(O SB 等主要材料均无生产能力而需进口,使得其造价较高,故只能定位于别墅、度假村等少量高端建筑,除此之外,轻型木结构还存在以下明显不足:(1薄弱的钉连接。轻型木结构中的各部件之间(墙骨柱与面板、搁栅与墙骨柱等全部采用钉连接,从已有的大量试验研究可以看出,由于钉子的接触面积很小,轻型木结构的破坏主要是钉连接破坏(钉子从墙面板中被拔出、钉头穿透墙面板、墙面板剪坏、墙骨柱与底梁板分离等7,如图

19、7所示。虽然钉连接破坏过程是轻型木结构以牺牲局部破坏保证整体结构安全的有效措施,但钉连接破坏时其它构件的强度还远未发挥出来。 图7 钉连接破坏F i g .7 D a m ages o f na il connecti on(2墙骨柱强度未发挥。理论分析可知,即使墙骨柱按#木结构设计规范允许的最小截面尺寸和最大间距进行设计,墙骨柱的压应力远低于其抗压强度,而已有的研究结果也表明7:墙骨柱对墙体的抗剪强度和抗侧刚度贡献很小,因此墙骨柱的作用并未很好发挥。原因是由墙骨柱、墙面板组成的墙体的整体性差。4 轻型木结构的改进措施4.1 墙体结构改进为了增加轻型木结构墙体的整体性,本文提出一种新型木骨架墙

20、体。该木骨架墙体由木骨架、面板、顶梁和底梁组成,木骨架中的竖向墙骨与横向墙骨、顶梁、底梁采用榫卯连接,面板与木骨架采用钉连接,如图8所示。图8 新型木骨架墙体示意图F i g .8 A ne w wood fra m e w all与原有的墙体相比,该新型木骨架墙体具有以下优点:(1墙体受剪承载力较高。该新型木骨架墙体中木骨架中的竖向墙骨与横向墙骨之间为半刚性连接,本身可以承担一定的水平剪力。将面板钉于木骨架后,木骨架与面板形成一个整体,整个墙体可看成一桁架,面板是桁架的斜压杆和斜拉杆,竖向墙骨为弦杆,横向墙骨为腹杆,如图9所示,这样新型墙体的受剪承载力可显著高于仅靠面板受剪的原有墙体的受剪承

21、载力,从而可以减小墙骨的截面尺寸和面板的厚度,降低造价。(2墙体耗能性能好。虽然轻型木结构具有良好的抗震性能,但已有的研究结果表明7,原有轻型木结构墙体的耗能性能较差,主要是通过钉连接的破坏来吸收能量。而对于该新型木骨架墙体,木骨架各构件间均为半刚性榫卯连接,在水平荷载作用353下,榫卯的挤压变形可以吸收大量的能量8。同时竖向墙骨在水平荷载作用下与顶、底梁因拔出与插入的摩擦也可消耗大量能量。这样可以保证墙体不发生破坏的前提下就可消耗大量地震能量。 图9 新型木骨架墙体计算模型F ig .9 Ca lcu l ation mode l o f new w ood fra m e wa ll(3墙

22、体施工更为简便。与其它结构相比,原有轻型木结构的施工简便快速,其施工方法已在前文介绍,施工时墙体平面外需设置临时支撑。而该新型木骨架墙体只需将竖向墙骨插入安装在底梁的卯口上即可保证其平面外倾倒,无需设置临时支承,施工更为简便。4.2 降低造价近年来轻型木结构在我国逐渐得到了应用,但主要集中在少数高档的别墅会所等建筑,没有得到很好的推广,主要原因是造价较高。由于受防火要求的限制,我国现行木结构设计规范规定轻型木结构房屋的层数不能超过3层,因此在土地极其紧张的城市根本无法推广,而只能在村镇推广应用。但我国村镇经济相对落后,目前还无法承担各种材料均需进口的轻型木结构。因此要将轻型木结构在我国推广应用

23、,必须加大研究力度,降低造价,发展适合我国国情的国产化轻型木结构。(1发展具有中国特色的木结构建造技术。在吸收国外现代木结构先进技术的同时,结合我国传统木结构的优点,中西合璧,发展具有自主知识产权的新型木结构。同时根据各地区的地域特点,就地取材,利用地方材料开发适用于本地区的木结构住宅体系,从而降低造价。(2研究、开发国产化、本土化的木结构建筑材料。通过开发我国人工速生林、竹材及其它环保材料作为木结构骨架、面板材料,实现材料的国产化,并形成资源的良性循环,从而大大降低造价。如国内刚刚具有生产能力的秸秆定向板(OSSB 就完全可以替代木片定向板(OSB,价格却低得多。(3加大木结构物理性能研究。按照轻型木结构房屋的建造要求,结构的防火