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2019二级注册建筑师《建筑结构与设备》复习知识点:木结构

更新时间:2018-11-16 13:47:59 来源:环球网校 浏览321收藏64

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一、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;木材采伐和加工方便,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,施工质量以及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。

承重木结构应在正常温度和湿度环境中项房屋结构和构筑物中使用。凡处于下列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,木材表面温度高于 50 ℃ 的;

( 3 )经常受潮且不易通风的。

二、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、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I、II、III级,设计时应根据受力的种类进行选用: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材质等级选用 III级。承重结构木材材质标准参见《 木结构设计规范 》 ( GB50005-2003 )(本节以下简称 《 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(log)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。锯材又分方木( square timber )、板材( plank )和规格材( dimension lumber )。方木是指直角锯切且宽厚比小于 3 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。

( 3 )胶合材( glued lunber )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。

三、木材的物理性能

1 .木材的含水率

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 18 %一 25 % )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:

( 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 % ;

( 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 % ,同一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。

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 )环向的收缩受到径向的约束,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,不会致使开裂,若任其自由变形,则发生翘曲。

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。对木材强度有影响的缺陷还包括:木节、斜纹、裂缝和髓心。

四、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 。斜纹受拉强度介于顺纹与横纹两者之间,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级材,对未材的缺陷给予严格限制。

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III级材。

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 )。

( 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,一构件晚材压人另一构件早材,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、局部长度和局部宽度承压、全表面承压三种情况。如图 7-2 ( 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,不承压部分的纤维对其受压部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 7-3 ) ,因此构造上必须保证木结构构件 1 / 1c的比值足够大,才能提高横纹承压强度。

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。

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 a 值有关系。

3 .木材的受弯性能

木材的受弯性能如图 7-4 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II级材。

4 .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,如图 7-5 ( a )、( b )、( c )所示。截纹受剪是指剪切面垂直于木纹,木材对这种剪切的抵抗力是很大的,一般不会发生这种破坏。顺纹受剪提指作力与术纹平行。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。木材缺陷对受剪工作影响很大,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。

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,包括连接形式、连接构造和连接计算三部分内容。常用的木结构连接形式包括两大类:齿连接和螺栓连接。

一、齿连接

1 .连接形式

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结点上。齿连接有单齿连接与双齿连接,如图 7 一 6 ( a )、( b )所示。

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 )木绗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,宜与下弦净截面的中心线交汇于一点;当采用原木时,可于下弦毛截面的中心线交汇于一点,此时,刻齿处的截面可按轴心受拉验算;

( 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 )绗架支座结点齿深不应大于 h / 3 ,中间结点的齿深不应大于 h / 4 ( 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lv不应小于 4 . 5 倍齿深;

( 7 )当采用湿材制作时,木析架支座节点齿连接的剪面长度应比计算值加长 50mm ;

( 8 )析架支座节点采用齿连接时,必须设置保险螺栓,其方向与上弦轴线垂直,但不考虑保险螺栓与齿的共同作用。

3 .单齿连接计算

( 1 )按木材承压:

式中 fca ― 木材斜纹承压强度设计值, N / mm2,按《 规范 》 第 4 . 2 . 6 条确定;

N ― 作用于齿面上的轴向压力设计值, N ;

Ac ― 齿的承压面面积,mm2。

( 2 )按木材受剪:

式中:fv ― 木材顺纹抗剪强度设计值, N / mm2;

V 一作用于剪面上的剪力设计值, N ;

lv ― 剪面计算长度,mm,其取值不得大于齿深 hc的 8 倍;

bv ― 剪面宽度,mm ;

Ψv― 沿剪面长度剪应力分布不匀的强度降低系数,按《 规范 》 表 6 . 1 . 2

采用。

4 .双齿连接计算

( 1 )双齿连接的承压,仍按照( 7-13 )计算, Ac取两个齿承压面之和。

( 2 )双齿连接的受剪,仍按照( 7-14 )计算,此时全部剪力 V 均由第二齿面承受,且 lv≤10hc。

( 3 )双齿连接沿剪面长度剪应力分布不匀的强度降低系数ψv按《 规范 》 表 6 . 1 . 3 采用。

5 .保险螺栓计算

当析架支座采用齿连接时,必须设置保险螺栓。其承受之拉力 Nb 由上弦轴力设计值 N 和上下弦的夹角 a 按下式计算:

式中 Nb― 保险螺栓所承受的轴向拉力, N ;

N 一上弦轴向压力设计值, N ;

a ― 上弦与下弦的夹角,°。

二、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 一 7 ( a )、( b )所示;

( 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 )所示。

2 .构造要求

连接木结构的最小厚度规定按表 7-1 取值;

3 .单齿连接计算

( 1 )当木结构最小厚度符合表 7-1 规定时,螺栓连接或钉连接顺纹受力的每一剪面的连接承载力值按下式确定:

式中 Nv 一螺栓或钉连接每一剪面的承载力设计值, N ;

fc― 木材顺纹承压强度设计值, N / mm ;

d ― 螺栓或钉的直径, mm ;

Kv ― 螺栓或钉连接设计承载力计算系数,按照《 规范 》 表 6 . 2 . 2 采用。

( 2 )当木结构最小厚度不能满足表 7-1 规定时,则每一剪面的承载力设计值除了Nv按式( 7-16 )计算外,且不得大于0.3cdΨ2αfc,Ψα按照《 规范 》 表 6 . 2 . 4 采用。

( 3 )若螺栓的传力方向与构件木纹成a角度时,按式( 7-16 )计算的每一剪面的承载力设计值应乘以木材斜纹承压的降低系数Ψα,Ψα按照《 规范 》 表 6 . 2 . 4 采用。钉连接可不考虑斜纹承压的影响。

4.影响木材强度的主要因素

(1)含水量

木材强度受含水量影响很大。当木材含水率在纤维饱和点以下时,随含水率降低,木材强度提高;反之,强度降低。当木材含水率在纤维饱和点以上变化时,强度不变。为便于比较,我国标准《木材物理力学试验方法》 (GB 1927~1943-91)规定测定木材强度以含水率12%时的强度测定值作为标准,其他含水率下的强度可按下式换算成标准含水率时的强度。

σ12=σw[l十a(w-12)] (1-45)

式中σ12——含水率为12%时的木材强度;

σw一一含水率为w%时的木材强度;

w——试验时木材含水率;

α一一一木材含水率校正系数。

α随作用力和树种的不同而不同,如顺纹抗压所有树种均为0.05;顺纹抗拉时阔叶树为0.015,针叶树为0;抗弯所有树种为0. 04; 顺纹抗剪所有树种为0.03。

(2)负荷时间

木材在长期荷载作用下不致引起破坏的最高强度称为持久强度。木材的持久强度仅为短期极限强度的50%~60%。木结构通常都处于长期负荷状态,因此,在设计时应考虑负荷时间的影响。

(3)环境温度

木材的强度随环境温度升高而降低。长期处于50°C以上的建筑物不宜采用木结构。

(4)疵病

木材在生长、采伐、保存过程中,所产生的内部和外部的缺陷,统称为疵病。木材的疵病主要有木节、斜纹、裂纹、腐朽和虫害等。一般木材或多或少都存在一些疵病,致使木材的物理力学性能受到影响。

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