轻型木结构住宅节点构造研究.pdf
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1、第六届全国现代结构工程学术研讨会轻型木结构住宅节点构造研究熊俊石永久王元清陈宏(清华大学土木工程系,北京1 0 0 0 8 4)(清华大学建筑设计研究院,北京1 0 0 0 8 4)摘要:轻型木结构住宅在北美单体住宅中应用广泛,近年来逐渐引入我国,我国的轻型木结构住宅研究及建设逐渐升温。本文介绍了轻型木结构节点类型及各自的特点,详细分析了屋面、墙体、楼面等相关节点的构造方法和受力特点,并简单预测了节点构造与材料的发展前景。关键词:轻型木结构,节点类型,节点构造结构体系概述(一)结构体系构成轻型木结构采用规格材作墙骨,木基结构板作面板的框架墙承重,主梁或屋脊梁,与木基结构板材构成楼盖和屋盖。此种
2、结构在施工时独立组装的楼板系统能够提供一个工作的平台,骨架结构”。典型的平台框架结构如图1 所示1 m 1 嘲:图1平台框架结构节点连接形式及受力性能支承规格材组合梁或层板胶合梁作因此,轻型木结构亦称为“平台式结构主要组成部分为屋面结构、墙面结构和楼面结构。(二)结构特点轻型木结构将间距紧密的规格材与面板结合使用,形成建筑物结构骨架,承载力、刚度和整体性通过主要结构构件(骨架构件)和次要结构构件(墙面、楼面和屋面板)的共同作用得到控1。屋面板和楼面板既可以承担竖向设计荷载,同时可设计为墙面的水平支撑,与墙面结构一起组成抗侧力体系。因此,轻型木结构是高次超静定结构,这一优点使一些非结构构件也能参
3、与抗侧力作用,提高了抗侧刚度和安全储备 5 o轻型木结构材料利用率高。除优质实木之外,还能在楼面、屋面等结构上广泛采用速生材和胶合板等材料,节省材料。木结构的连接形式较多,传统木结构主要采用榫卯、木钉等方式,而现代木结构建筑主要采用铁钉、螺栓、连接件等方式1。这三种方式在力学性能、耐久性等方面,较传统木结构有较大改进。同时在施工工业建筑2 0 0 6 增刊第六届全国现代结构工程学术研讨会方面,铁钉、螺栓等连接方式也较传统榫卯节点有很大的优势。因此,除了建筑外观等方面的特殊要求之外,现代木结构节点构造基本源于上述三种基本形式。而轻型木结构由于受力较小,且构件的标准化程度高,主要采用钉连接H 1。
4、部分受拉部位采用齿板等连接件连接。如果有抗震要求,则在关键节点位置采用螺栓连接。(一)钉连接和螺栓连接钉连接适用范围广泛,施工简便,是木结构中采用最为广泛的连接形式。螺栓连接与钉连接作用类似,需要预钻孔,不如钉连接施工简便,适用范围因此受到一定限制。钉连接和螺栓连接均为类铰接节点,其承载力主要由木材剪切、劈裂、承压以及螺栓和钉的弯曲等条件控制哺。由于木材剪切、劈裂等破坏均为脆性破坏,而钉和螺栓则有一定的塑性变形能力,所以从破坏的安全性来看,充分利用螺栓和钉的抗弯能力为连接破坏的理想状况。因此,规范规定了螺栓连接和钉连接中木构件的最小厚度,从构造上保证连接受力的合理性与可靠性。同时,由于大多数轻
5、型框架连接器均靠钉子、螺栓等紧固件起附着作用,所以紧固件的布置对水平和竖向力的传递起着至关重要的作用。北美建筑法规中有对轻型木结构框架用钉要求的规定。图2 螺栓连接(二)连接件连接轻型木结构中,连接件主要采用齿板。齿板采用薄钢板制成,通过压力将齿压入待连接木构件中形成节点,主要用于受拉和受剪构件的连接,如木桁架、楼盖或屋盖梁等。因为齿板较薄,受压承载力较低,所以不能将其用于传递压力。从齿板节点的应用范围可知,齿板主要处于剪一拉复合受力状态,而齿板连接的破坏形式也由此主要分为三种,一是板齿屈服并从木材中拔出(图3),二是齿板净截面受拉破坏(图4),三是剪切破坏(图5)m3。图3 齿板拔出破坏图4
6、齿板受拉破坏图5 齿板受剪破坏连接件的种类很多,其中与螺栓或铁钉配合使用的预制连接件在轻型木结构中也有应用。与齿板连接类似,这些连接件也主要用于拉、剪构件连接。同时,较之齿板,螺栓型连接件形式多样,更适用于复杂节点,且在现场施工时更便于组装。如图6。1 6 6 6工业建筑2 0 0 6 增刊第六届全国现代结构工程学术研讨会图6螺栓连接件连接由于螺栓的锚固,螺栓连接件的受力性能较好,不会出现齿板连接可能出现的拔出或者滑移等现象,因此适用于受力较大,传力途径较为复杂的杆件连接。节点的破坏形式主要集中于螺栓的受弯和连接件的受拉或受剪破坏,节点延性变型能力较好,有抗震要求的木结构建筑多采用螺栓与钢连接
7、件配合使用的节点形式。三、框架节点构造分析轻型木结构建筑板件连接较多,主要分为屋盖、楼盖、墙体等三大部分。三部分中,与框架受力密切相关的节点构造主要包括:(1)主梁与次梁节点(2)梁与柱节点(3)屋盖桁架节点(4)柱与基础节点下面分别详述各节点构造。(一)主梁与次梁节点主梁与次梁连接最简单的构造方式是将次梁直接安放在主梁的上部,用钉、螺栓等紧固件固定。如图7,搁栅置于木梁之上并斜钉入木梁,每个搁栅使用两个钉子。图7 搁栅和主梁的安装工业建筑2 0 0 6 增刊木曩木斟打鲁蛀盛五缝如果受建筑净空要求的限制,不能采用叠放的方式,则主次梁的连接需借助于连接件。如图8 所示,为几种较有代表性的连接件。
8、其中,第一种较为适于承受水平和竖向荷载。而其余三种更利于承受水平荷载作用。第六届全国现代结构工程学术研讨会图8 部分主梁与次梁的节点构造(二)梁与柱节点轻型木结构普通框架梁、柱连接除了钉子、螺栓等紧固件之外,必须采用连接件加固。框架中的梁、柱连接,一般取柱、梁截面宽度一致,将梁搁置于柱顶,用钉固定押1(如图9)。平台框架结构则是将楼面结构与墙面结构分别组装,施工时将墙底板钉牢在楼板框架构件上,主要连接为梁与墙骨构件的连接。图9 框架柱与梁连接图1 0 斜柱与梁连接除框架梁柱连接之外,部分木结构房屋在屋架等位置可能存在斜柱与梁连接。如图1 0,采用了齿板节点,保证斜柱竖向力有效传递到梁上盯3。(
9、三)屋盖桁架节点普通轻型木结构住宅均采用坡屋面,因此屋盖中桁架结构应用普遍。桁架结构的节点构造也较为多样。桁架支座等受压节点处较多采用齿连接。规范推荐采用正齿构造的单齿连接和双齿连接H 1。如下图。图1 1屋架中的齿连接形式在齿连接设计中,齿槽的承压面应与所连接的压杆轴线垂直,单齿连接压杆轴线应通过承压面中心。由于屋架支座处受力较为集中,因此在支座处齿连接应进行加固。加固主要采用螺栓或连接件随3。具体加工业建筑2 0 0 6 增刊第六届全国现代结构工程学术研讨会固形式如图1 2:图1 2支座齿连接加固形式(螺栓与连接件)齿连接主要用于承压构件连接,而桁架中的复杂连接或杆件接长等位置则须采用连接
10、件加固节点。如图1 3,桁架节点均采用螺栓加固连接板连接,能够承担节点处的拉力、剪力复合作用,在屋架中应用较多。图1 3 屋架节点中连接件的应用轻型木结构住宅多采用标准材,在大跨的梁、桁架等位置可能需要将构件接长。梁的接长节点主要承受拉力,也需要采用连接板加强,如图1 4 所示,分别采用在两侧或内部加铁件加强的方式口1。配合螺栓将两构件紧固。一一图1 4 梁的接长节点(四)柱与基础节点柱与基础的节点主要将柱上部结构的竖向荷载传递给基础,同时应保证节点构造能够传递建筑所受的水平荷载。因此,柱与基础节点均需在基础下混凝土支座内预埋配件口3。配件的类型较多,包括钢夹板、工业建筑2 0 0 6 增刊1
11、 6 6 9第六届全国现代结构工程学术研讨会锚栓等。因为轻型木结构质量轻,高度小,水平荷载不大,所以配件与柱连接方式都较为简易,保证水平力的有效传递即可。下图是一些较为常用的节点连接构造。四、节点发展前景展望图1 5 柱与基础节点构造随着经济的快速发展,轻型木结构住宅建筑目前逐渐引入国内的住宅建筑市场。国内工程界在这一领域的研究日趋深入、成熟。节点作为木结构体系中重要的组成部分,其构造与设计方法也在不断的发展中。为适应工业化建筑的特点,木结构节点构造将日趋规范化、标准化,以便于大规模、高效率的生产,而射钉和标准连接件的推广使用成为推进这一趋势的有效途径。同时,地震多发地区木结构建筑的推广使用,
12、促使木结构节点的可靠性随工艺和构造技术的进步进一步提高。新材料的介入也将使节点构造不断发生变革。据此,笔者认为,在今后的研究工作中,木结构节点的研究热点将会集中于以下几个方面:1、节点受力及如何提高节点的可靠性;2、改进节点构造,推进标准化,工业化,以提高施工效率,降低成本;3、新材料在木结构节点中的推广使用。参考文献(1)潘东辉加拿大木结构住宅的结构与施工住宅科技,2 0 0 3(9)(2)何敏娟,F r a n kL a m 北美“轻型木结构”住宅建筑的特点结构工程师,2 0 0 4(2)(3)P e t e rA C l a i s s e,T i mJ D a v i s H i g
13、hp e r f o r m a n c ej o i n t i n gS y s t e m sf o rt i m b e rM a t e r i a l S1 2(1 9 9 8)4 1 5-4 2 5(4)木结构设计规范G B 5 0 0 0 5 2 0 0 3(5)木结构设计规范条文说明(6)江雪梅轻型木结构体系的研究(7)于伸现代木结构房屋的设计探讨(8)M a r i aA P a r iS i,M a u r i Z i oP i a z z a S e i s m i cb e h a v i o ra n dr e t r o f i t t i n go fj o i
14、 n t si nt r a d i t i o n a lt i m b e rr o o fs t r u c t u r e s S o i1D y n a m i c sa n dE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g2 2(2 0 0 2)11 8 3 11 9 1工业建筑2 0 0 6 增刊轻型木结构住宅节点构造研究轻型木结构住宅节点构造研究作者:熊俊,石永久,王元清,陈宏作者单位:熊俊,石永久,王元清(清华大学土木工程系,北京,100084),陈宏(清华大学建筑设计研究院,北京,100084)相似文献(9条)相似文献(9条)1.学位论文
15、胡国玺 不规则木结构剪力墙抗侧性能研究 2007 北美式轻型木结构由于具有能较好地利用木材、节能效果好、抗震性能优越、环境友善等优点,在美国、加拿大、新西兰、日本等国家的低、多层建筑中得到了广泛的应用。目前,在我国北京、上海、大连、杭州、苏州等城市已建起了数千栋的轻型木结构建筑,我国木结构设计规范GB 50005-2003增加了“轻型木结构”方面的内容(主要只是强度设计方面的内容),为轻型木结构房屋在中国的推广应用和发展创造了必要的条件。为了限制地震与风对建筑物造成的损坏,估算建筑物的侧向变形与刚度已成为建筑结构设计的重要内容。在轻型木结构建筑中,木结构剪力墙是抵抗风、地震等侧向作用的主要构件
16、,尽管有些国家的建筑规范中已给出了计算木结构剪力墙侧向变形的方法,但这些方法并不适合于工程上应用较多的不规则木结构剪力墙(无抗倾覆锚固件、两侧钉接覆面板、无横撑)。本文主要工作是针对以上不规则木结构剪力墙侧向变形计算方法进行了探讨,基于力学模型推导了不规则木结构剪力墙侧向变形计算公式,并利用ANSYS软件对不同形式木结构剪力墙的抗侧性能进行了有限元分析,希望能为轻型木结构剪力墙的设计和应用提供借鉴。本文主要内容如下:第一章介绍了木结构剪力墙的基本知识以及目前国内外对木结构剪力墙的研究成果。第二章介绍了木结构剪力墙试验中的加载方案以及抗侧性能参数的定义方法,并针对不同形式木剪力墙抗侧性能进行了对
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