木结构讲义.doc

第五节 木 结 构 一、木结构用木材 (一)木结构的特点和适用范围 由木材或主要由木材组成的承重结构称为木结构由于树木分布普遍，易于取材，采伐加工方便，同时木材质轻且强，所以很早就被广泛地用来建造房屋和桥梁木材是天然生成的建筑材料，它有以下一些缺点：各向异性、天然缺陷(木节、裂缝、斜纹等)、天然尺寸受限制、易腐、易蛀、易裂和翘曲因此，木结构要求采用合理的结构形式和节点连接形式，施工时应严格保证施工质量，并在使用中经常注意维护，以保证结构具有足够的可靠性和耐久性 由于木材生长速度缓慢，我国木材资源有限，因此目前在大、中城市的建设中已不准采用木结构，但在木材产区的县镇，砖木混合结构的房屋还比较常见近年来，胶合木结构也正在积极研究推广，速生树种的应用范围也在不断扩大，因此，木结构在一定范围内还会得到利用和发展 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处于下列生产、使用条件的房屋和构筑物不应采用木结构： (1)极易引起火灾的； (2)受生产性高温影响，木材表面温度高于500C的； (3)经常受潮且不易通风的。

(二)木结构用材的种类及分类 1．木结构用材的种类 结构用的木材分两类：针叶材和阔叶材主要承重构件宜采用针叶材，如红松、云杉：冷杉等；重要的木制连接件应采用细密、直纹、无节和其他缺陷且耐腐的硬质阔叶材，如榆树材、槐树材、桦树材等． 2．木结构用材的分类 木结构构件所用木材根据使用前截面的不同，可分为原木、方木和板材三种： (1)原木 原木又称圆木，可分为整原木和半原木原木根部直径较粗，梢部直径较细，其直径变化一般取沿长度相差1m变化9mm原木梢部直径为梢径原木直径以梢径米度量 (2)方材 截面宽度与厚度之比小于3的称为方材(方木)，常用厚度为60～240mm (3)板材 截面宽度与厚度之比大于3的为板材，常用厚度为15～80mm (三)木材的力学性能 1．木材的受拉性能 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1／10～1／40木材在受拉破坏前变形很小，没有显著的塑性变形，因此属于脆性破坏； 2．木材的顺纹受压性能 由木材顺纹受压时的应力—应变关系(图11-127)可见，木材受压时具有较好的塑性变形，它可以使应力集中逐渐趋于缓和，所以局部削弱的影响比受拉时小得多：木节对受压强度的影响也较小，斜纹和裂缝等缺陷和疵病也较受拉时的影响缓和，所以木材的受压工作要比受拉工作可靠得多。

3．木材的受弯性能 由木材横向弯曲试验得到试件中部(纯弯曲段)截面的应力分布(图11-128)从图中可以看出，截面的应力只在加荷初期才呈直线分布随着荷载的增加，在截面的受压区，压应力分布将逐渐成为曲线，而受拉区内应力的分布仍接近于直线，中和轴逐渐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，一直到边缘拉应力到达抗拉强度极限时，试件即告破坏木材的抗弯强度极限是从测得的破坏弯矩M按σ=M/W求得的(W—试件截面抵抗矩)，是假定法向应力呈直线分布导出的，并不代表试件破坏时截面的实际应力，它实际上是一个虚设的极限应力，按这个公式求得的极限抗弯强度只是一个折算的指标 4．木材的承压性能 两个构件利用表面互相接触传递压力叫做承压；作用在接触面上的应力叫做承压力在构件的接头和连接中常遇到这种情况 木材承压工作按外力与木纹所成角度的不同，可分为顺纹承压、横纹承压和斜纹承压三种形式(图11-129) (1)顺纹受压 木材的顺纹承压强度一般略低于顺纹受压的强度，这是由于承压面不可能完全平整，致使承压力分布不均匀；又由于两构件的年轮不可能对准，一构件晚材压人另一构件早材，也使变形增大。

但两者相差很小，所以，《木结构设计规范》(GB 50005—2003)(本节以下简称《木结构规范》将顺纹承压与顺纹受压强度取同一值 (2)横纹承压 横纹承压分为局部长度承压，局部长度和局部宽度承压、全表面承压三种情况(图11-130a，b，c) 局部长度承压的强度较高，因为局部长度承压时，不承压部分的纤维对其受压部分的纤维的变形有阻止作用，实际上起到了支持和减载的作用在局部长度承压中，承压面长度越小，承压强度越高，但如构件全长l与承压面长度lc之比>3时，承压强度将不再提高此外，如未承压长度不小于构件厚度时，两端将出现开裂(图11-131)， 因此构造上要求保证未承压长度小于承压面的长度和构件的厚度 在部分宽度上的局面承压；因为木材在横纹方向彼此牵制作用很小，所以局部承压中不考虑在宽度方向未受力部分的影响 木材全部表面横纹承压时变形较大，加荷至一定限度后，由 于细胞壁逐渐破裂被压扁，塑性变形发展很快，当所有细胞壁被压扁，木材被压实，其变形逐渐减小直至纤维束失去稳定而破坏所以横纹全部表面承压的强度最低 (3)斜纹承压 斜纹承压即外力与木纹成—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、其值随角(见图11—129)的增加而降低 5．木材的受剪性能 木材的受剪可分为截纹受剪、顺纹受剪和横纹受剪(图11—132) 截纹受剪是指剪切面垂直于木纹，木材对这种剪切的抵抗能力很大，一般不会发生这种破坏顺纹受剪是指作用力与木板平行横纹受剪足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则为顺纹剪切强度的8倍木结构中通常多用顺纹受剪剪切破坏属于脆性破坏 (四)影响木材力学性能的阅素 木材是由管状细胞组成的天然有机材料，它的力学性能受着许多因素的影响 1．木材的缺陷 天然生长的木材不可避免地会存在一些缺陷，对木材影响最大的缺陷是腐朽、虫蛀，这是任何等级的木材绝对不允许的；此外，对木材影响较大的缺陷有木节、斜纹、裂缝以及髓心 《木结构规莅》将木材材质按缺陷的多少和大小，以及承重结构的受力要求，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级(Ⅰ级最好，Ⅲ级最差)承重结构构件按受力方式及受力重要性分为三类：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Ⅱ级；受压构件及次要受弯构件(如吊顶小龙骨)材质等级选用Ⅲ级。

2，含水率 木材的含水率对木材强度有很大影响，木材强度一般随含水率的增加而降低，当含水率达到纤维饱和点寸，含水率再增加，木材强度也不再降低、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 按含水率的大小，木材可分为干材(含水率≤18％)，半干材(含水率=18％～25％)和湿材(含水率>25％)．<木结构规范规定，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干25％：(2)板材和规格材不应大于20％； (3)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15％，且同一构件各层木板间的含水率差别不应大于5％ 3．木纹斜度 木材是一种各向异性的材料，不同方向的受力性能相差很大，同一木材的顺纹强度最高，横纹强度最低此外，木材的力学性能还与受荷载作用时间、温度的高低、湿度等因素的影响有关受荷载作用随时间的增长，木材的强度和刚度下降温度升高、湿度增大，木材的强度和刚度下降 二、木结构构件的计算 (一)木结构的设计方法 木结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，计算时考虑以下两种极限状态： 1. 承载能力极限状态 与钢结构一样，按承载能力极限状态设计时，木结构的设计表达式采用应力表示的计算式，木材强度的设计值按《木结构规范》表4．2．1—3采用。

计算内容包括强度和稳定 2．正常使用极限状态 按正常使用极限状态设计时，对结构和构件采用荷载的标准值(按荷载的短期效应组合)验算其变形；对受压构件验算其长细比 (二)木结构构什的计算 1．轴心受拉构件 轴心受拉构件的承载力按下式计算： 2．轴心受压构件 (1)强度计算(2)稳定计算 对于比较细长的压杆，一般在强度破坏前，就因失去稳定而破坏因此轴心受压构件还需进行稳定计算，即： (3)刚度验算 受压构件的刚度以长细比λ表示，为避免受压构件因长细比过大，在自重作用下下垂过大，以及避免过分颤动，受压构件的长细比应满足： 3．受弯构件 受弯构件有单向受弯构件和双向受弯构件两种当荷载的作用平面与截面主轴平面重合时为单向受弯构件(图11—134a)，如房屋中木梁；当荷载的作用平面与截面主轴平面不重合时为双向受弯构件(图11-134b)，如檩条、挂瓦条 (1)单向受弯构件的计算 1)强度计算 按承载能力极限状态要求，受弯构件应满足强度要求，包括弯曲正应力和剪应力计算 a．抗弯强度(正应力)计算fm—木材抗弯强度设计值。

b．抗剪强度(剪应力)计算 2)挠度验算 为满足正常使用极限状态要求，对于受弯构件还需验算其挠度： (2)双向受弯构件计算 1)强度计算 2)挠度验算 4．拉弯、压弯构件计算 (1)拉弯构件 受拉同时受弯的构件称为拉弯构件拉弯构件所产生的弯矩可能是由于横向荷载引起的、拉力的偏心作用引起的、或者是由于不对称的截面削弱引起的 拉弯构件的承载力按下式计算： 式中符号意义同前 (2)压弯构件 构件受轴向压力的同时还承受弯矩作用的构件称为压弯构件压弯构件所产生弯矩的原因与拉弯构件相同木结构中，压弯构件较为常见，当屋架上弦节点间放置檩条时，即为压弯构件 压弯构件的受力特点是：当构件弯曲时，除初始弯矩和挠曲外，还出现了由轴向压力引起的附加弯矩(图11－135)，在计算中必须考虑这一因素 1)强度计算三、木结构的连接 (一)齿连接 齿连接是通过构件与构件之间直接抵承传力，所以齿连接只应用在受压构件与其他构 件连接的节点上 齿连接有单齿连接与双齿连接(图11—136)，应符合下列规定： (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)上弦轴线及支座反力作用线宜与下弦净截面的中心线交汇于一点；当采用原木 时，可与下弦毛截面的中心线交汇于一点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桁架支座节 点齿深不应大于h／3(h为齿深方向的构件截面高度)；中间节点的齿深不应大于h／4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，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 (5)桁架支座节点采用齿连接时，必须设置保险螺栓保险螺栓应与上弦轴线垂直 (二)螺栓连接和钉连接 根据穿过被连接构件。