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轻型木结构房屋抗风性能研究

陈松来  
【摘要】:我国现有的轻型木结构是从北美引入,工程实践中一般使用进口规格材和木基结构板材,结合国产钉子和石膏板等其他材料,按照北美的构造方法进行现场施工。由于采用了国产钉子等国产材料后,其受力性能与国外的结构也就存在着一些差异。我国木结构设计规范GB50005-2003规定了轻型木结构的构造设计方法,却没有提供超过构造规定的抗风要求时的设计规定和计算方法。国外对轻型木结构房屋抗风性能的研究,在结构刚度计算和整体结构抗侧力分析方面亦尚未形成统一认识。为此,本文开展了我国轻型木结构房屋的抗风性能研究,内容包括钉连接、剪力墙和楼盖等结构构件和整体房屋的抗侧力性能试验研究和理论分析,以及轻型木结构房屋抗风设计方法的研究。 本文完成了以下研究工作:(1)222个国产圆钉的钉连接试件的单调加载试验和90个钉连接试件的循环加载试验,40颗钉子的弯曲屈服强度试验,以及1482个木材密度和含水率试验;(2)14个剪力墙的抗侧力试验和2个楼盖足尺试件的抗侧力试验;(3)在此基础上建立了经试验数据校准的钉连接工作性能模型和剪力墙有限元分析模型,对轻型木结构常用尺寸规格的剪力墙进行了数值试验研究和分析;(4)1幢国内实际建造的两层轻型木结构房屋的现场分阶段的侧向抗风性能试验研究;(5)为进一步了解轻型木结构的整体结构受力机理和抗风性能,在实验室里按照实际工程状态建造了1幢单层的足尺房屋模型,进行了模拟侧向风荷载作用的试验研究。 通过试验研究发现国产普通圆钉的弯曲屈服强度高于国外同类产品,但处在轻型木结构用钉的正常范围内,偏于其上限值;我国钉连接剪切承载力也相应地高于北美标准钉连接。通过试验还发现采用石膏板覆面的剪力墙在侧移角超过1/400后,石膏板发生轻微损坏。但如果在剪力墙的一侧采用石膏板覆面、另一侧采用木基结构板材覆面,则可延缓石膏板的破坏过程,从而可利用石膏板的承载力和刚度,提高房屋的抗风设计能力和经济指标。整体房屋结构试验表明,轻型木结构房屋呈现明显的整体空间工作性能,在对侧向荷载的分配中楼盖的工作性能更加接近刚性横隔的作用;非抗侧力构件对房屋整体侧移刚度增强作用明显,但是鉴于实测数据量尚不充足,本文对此种作用暂未予考虑。钉连接和轻型木结构房屋的循环加载试验表明,在抗风设防标准以内风荷载的多次反复作用不会导致抗侧力承载力下降,但是会导致抗侧力刚度衰减。为了防止刚度衰减侧移增大和房屋内部装修损坏,轻型木结构抗风设计除了应作承载力验算外,尚应按剪力墙层间侧移角验算正常使用极限状态,侧移角不应超过1/400。 根据本文对抗风设计正常使用极限状态下剪力墙允许层间侧移角为1/400的建议,根据剪力墙的理论分析模型,提出了钉连接、剪力墙和楼盖基于变形的刚度取值方法,进而通过试验数据的回归分析,给出了钉连接、剪力墙和楼盖的刚度计算公式。在此基础上提出了2个改进的轻型木结构整体受力分析模型,用于抗风设计分析。由于我国尚没有钉连接试验方法标准,本文根据国际上剪力墙承载力的取值标准,提出了新的覆面板与骨架钉连接承载力取值方法标准、钉连接承载力的理论计算方法,以及与此对应的剪力墙和楼盖的承载力计算方法。 在轻型木结构构件和整体结构分析的基础上,本文提出了轻型木结构以风压类型和传力路径统一考虑的抗风设计新思路,初步给出了轻型木结构抗风设计正常使用极限状态和承载力极限状态的验算要求和方法,可作为我国木结构设计规范关于轻型木结构抗风设计的补充。


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