垂直荷載木結(jié)構(gòu)大跨屋頂設(shè)計(jì)

摘? ? 要：木結(jié)構(gòu)大跨屋頂多用于低層住宅或廠房建筑。隨著木結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展，木結(jié)構(gòu)建筑受到了很多人的喜愛(ài)和青睞。本文針對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑淺談一個(gè)垂直荷載木結(jié)構(gòu)大跨屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：木結(jié)構(gòu);大跨屋頂;檢核;設(shè)計(jì)

1? 引言

木結(jié)構(gòu)大跨屋頂是以木材為主要受力體系的工程結(jié)構(gòu)的大跨度屋頂。在六十至七十年代，我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)主要是磚木混合的蘇式結(jié)構(gòu)，屋頂多為木結(jié)構(gòu)。在這個(gè)時(shí)期，木結(jié)構(gòu)大跨屋頂多用于低層廠房建筑。目前，我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)是以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等為主，而木結(jié)構(gòu)除在一些低層住宅或廠房中有所應(yīng)用外，在其他類(lèi)型建筑中的應(yīng)用幾乎是一片空白。但木結(jié)構(gòu)在中國(guó)古代一直占統(tǒng)治地位。當(dāng)前，建筑結(jié)構(gòu)用木材的應(yīng)用技術(shù)日趨現(xiàn)代，已不是傳統(tǒng)意義上的磚木房屋了，許多大規(guī)模大跨度木結(jié)構(gòu)建筑，既靈活美觀又節(jié)能環(huán)保，受到很多人的喜愛(ài)和青睞，它應(yīng)是中國(guó)建筑文化市場(chǎng)最具發(fā)展?jié)摿Φ膭e墅建筑形式，更有可能成為一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)概念、一種新的業(yè)態(tài)、一次新的建筑文化革命。下面淺談一個(gè)垂直荷載木結(jié)構(gòu)大跨屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)。

2? 設(shè)計(jì)項(xiàng)目

屋蓋占地（覆蓋）面積為60m×100m，假設(shè)屋頂簡(jiǎn)支于柱上，建筑物類(lèi)型為一般房屋，建筑物的安全等級(jí)取二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年。對(duì)于柱子及以下的部分不要求設(shè)計(jì)，這里假設(shè)柱子的強(qiáng)度和剛度都滿(mǎn)足要求。本結(jié)構(gòu)的主要材料為木，也可改良使用鋼材，但設(shè)計(jì)的目標(biāo)為盡可量減少非木質(zhì)材料的使用，確保結(jié)構(gòu)的安全環(huán)保，同時(shí)追求經(jīng)濟(jì)優(yōu)化和形式美觀。在綜合考慮荷載和荷載組合及屋架選型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)承擔(dān)垂直荷載的木結(jié)構(gòu)大跨屋頂。

3? 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

3.1? 基本條件

基于建筑物類(lèi)型為一般房屋，建筑物的安全等級(jí)取二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)λ0取1.0。在本設(shè)計(jì)中認(rèn)為場(chǎng)地良好，柱能支撐屋頂。屋面受垂直向下的均布荷載，橫荷載為0.5kN/m2，活荷載為0.5kN/m2。同時(shí)，采用1.2倍恒載和1.4倍荷載組合。

3.2? 軟件數(shù)據(jù)規(guī)范

使用軟件是結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器 V2.6.1;AutoCAD 2017;Excel 2017。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范參照GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》報(bào)批稿（初稿）;JGJT 265—2012《輕型木桁架技術(shù)規(guī)范》;GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

3.3? 選材選型標(biāo)準(zhǔn)

（1）連接方式與選材。主要采取齒連接、墊塊連接、螺栓連接三種連接方式。一般而言，螺栓選用普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓，鋼材用密度0.65g/[cm3]的Q235鋼，木材采用強(qiáng)度等級(jí)TC17木材。

（2）桁架選型及尺寸。多邊形、弧形桁架的上弦節(jié)點(diǎn)一般位于一條二次拋物線上，首先要與簡(jiǎn)支梁在均布荷載作用下的彎矩圖基本一致，其弦桿內(nèi)力較均勻，腹桿內(nèi)力較小;其次是以梯形桁架受力較為合理，這些桁架常在跨度較大的場(chǎng)合使用;再次是三角形桁架受力性能較差，自重大，用料多，一般用于跨度較小的場(chǎng)合，不宜超過(guò)18m。根據(jù)實(shí)際，本結(jié)構(gòu)選取為多邊弧形桁架結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

本結(jié)構(gòu)桁架尺寸設(shè)計(jì)跨度為30m，屬于木結(jié)構(gòu)大跨度屋頂，因此采用多邊形桁架，本結(jié)構(gòu)的高度選取為5m，預(yù)起拱度為30×[1200]=0.15m。桁架自重所占總荷載的比例不大，桁架設(shè)計(jì)后的自重與計(jì)算值即使有偏差，也不必重新驗(yàn)算。

假定桁架高度為5m，跨度為30m，下弦節(jié)點(diǎn)間距取6m，按y=-1/45x?+5求得形狀近似二次拋物線的多邊形桁架，如圖1所示。

在主次梁間距設(shè)計(jì)上，當(dāng)木桁架采用木檁條時(shí)，桁架間距不宜大于4m，因此本結(jié)構(gòu)桁架間距選取為3m，檁條間距取為1.5m。

4? 荷載計(jì)算及內(nèi)力分析

檁條內(nèi)力設(shè)計(jì)值計(jì)算。為滿(mǎn)足木結(jié)構(gòu)大跨屋頂設(shè)計(jì)要求，方木檁條的高寬比不宜大于2.5，擬采用截面面積為120mm×220mm的檁條，由于荷載在120mm寬度方向上無(wú)偏心作用，故檁條可看成一維簡(jiǎn)支梁，直接承受屋面的均布荷載與自身重力。重力在3m長(zhǎng)度上的線集度設(shè)計(jì)值為：[q=]1.2[ρvgL][≈]2.69kN/m。

中部檁條承受3×1.5×1.3=5.85kN的荷載，故檁條的荷載線集度為5.85/4+2.69=4.15kN/m。簡(jiǎn)支梁最大剪力為[12]ql=6.23kN，最大彎矩為[18]q[l2]=4.67kN·m，軸力為0;最外側(cè)的檁條承受5.85/2=2.925kN的荷載，線集度為：2.925/4+2.69=3.42kN/m，最大剪力為：6.84kN，最大彎矩為6.84kN·m，軸力為0kN，由于檢核時(shí)僅對(duì)較危險(xiǎn)構(gòu)件計(jì)算，所以?xún)H需用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器畫(huà)出中部檁條的內(nèi)力圖，如圖2和圖3所示。而檁條屬于受彎構(gòu)件，在檢核時(shí)要按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)受彎構(gòu)件的檢核規(guī)則進(jìn)行檢核。

5? 連接設(shè)計(jì)與檢核

5.1? 桁架支座節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)

在桁架端部擬采用齒連接，由于端部截面較大，故需采用雙齒連接。齒連接的齒深不應(yīng)小于20mm;桁架支座節(jié)點(diǎn)齒深不應(yīng)大于h/3，中間節(jié)點(diǎn)的齒深不應(yīng)大于h/4。雙齒連接中，第二齒的齒深應(yīng)比第一齒的齒深至少大20mm。單齒和雙齒第一齒的剪面長(zhǎng)度不應(yīng)小于4.5倍齒深。因此，若hc=100mm，TC17木材的橫紋承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為3.5，乘以折減系數(shù)0.9后為3.15。雙齒連接還需進(jìn)一步驗(yàn)算木材承壓能力、木材受剪能力、保險(xiǎn)螺栓強(qiáng)度。

經(jīng)驗(yàn)算，[NAc]=4.91553261[ N/mm2]<[fcα]=10.2596482[，]0.74125983<1.0，最小厚度[t]=20mm?？梢?jiàn)，本結(jié)構(gòu)桁架支座節(jié)點(diǎn)承壓能力、受剪承載能力、保險(xiǎn)螺栓所承受的軸向拉力，以及下弦桿抗拉承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。支座節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)構(gòu)造如圖4所示。

5.2 下弦桿及腹桿的連接

對(duì)于下弦桿設(shè)計(jì)采用雙剪螺栓連接，為減小兩側(cè)連接構(gòu)件的厚度，所有連接構(gòu)件均采用鋼板。對(duì)于高度或?qū)挾炔灰粯拥臈U件，認(rèn)為較細(xì)的桿端部尺寸與粗桿相同、中部削細(xì)，而桿件自身的檢核仍然滿(mǎn)足要求。

根據(jù)螺栓連接順紋受力的每個(gè)剪面的承載力設(shè)計(jì)值要求，由給定螺栓直徑計(jì)算出所需螺栓的最少個(gè)數(shù)，使用鋼板作為夾板時(shí)，接頭每端的螺栓數(shù)由計(jì)算確定，但不宜少于6 個(gè)，且不應(yīng)排成單行。若桁架跨度較大，鋼夾板厚度不應(yīng)小于6mm。因此，采用雙行齊列的排列方式，螺栓的[S0=2d]，[S1=7d]，[S2=3.5d]，[S3=1.5d]。

5.3 上弦桿及腹桿的連接

對(duì)于多邊形和梯形木桁架，上弦可采用偏心抵承措施，因腹桿內(nèi)力較小，故拉桿可以使用木材。在連接方法上均采用鋼夾板中心螺栓連接。中心螺栓所受荷載應(yīng)考慮全跨和半跨可變荷載分別作用下兩腹桿的內(nèi)力，注意其拉壓性質(zhì)和大小，取矢量和。承載力驗(yàn)算時(shí)須分別考慮它們與木紋不同的夾角，按螺栓連接的有關(guān)規(guī)定驗(yàn)算。又因?yàn)槎噙呅舞旒苌舷铱缍容^大，所以通常需要加肋。

由上弦兩端偏心抵承形成的負(fù)彎矩計(jì)算跨中的彎矩。另外，上弦截面根據(jù)軸向力設(shè)計(jì)值和彎矩設(shè)計(jì)值按壓彎構(gòu)件確定;上弦中間各段木料的長(zhǎng)度和截面均相同，在支座節(jié)點(diǎn)處按與上弦軸線垂直的面鋸割而在各中間節(jié)點(diǎn)處均沿圓弧的半徑方向鋸割，使構(gòu)件尺寸統(tǒng)一，制造簡(jiǎn)便。

“中心螺栓”對(duì)螺栓受力不利。本來(lái)“中心螺栓”具有4個(gè)剪面，但計(jì)算中僅按3個(gè)剪面計(jì)算，而每一剪面的承載力仍按螺栓連接的計(jì)算規(guī)定來(lái)確定。試驗(yàn)證明，當(dāng)螺栓直徑達(dá)到16mm之后，再加大直徑時(shí)，連接的承載力不再提高。因此，只有當(dāng)腹桿內(nèi)力較小時(shí)，才可采用這種連接方案。鋼夾板與上弦連接的其他螺栓，其直徑最好與“中心螺栓”相同，且上弦接縫的每側(cè)仍不應(yīng)少于兩個(gè)螺栓。

6? 結(jié)束語(yǔ)

本垂直荷載木結(jié)構(gòu)大跨屋頂設(shè)計(jì)，在造型上，選擇多邊弧形桁架結(jié)構(gòu)，靈活美觀，節(jié)約用材，施工方便;在選材上，科學(xué)環(huán)保，既有傳統(tǒng)的木質(zhì)結(jié)構(gòu)，又具備現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是鋼木有機(jī)融合與傳統(tǒng)建筑的創(chuàng)新發(fā)展;在連接方式上，采取齒連接、墊塊連接、螺栓連接的混合應(yīng)用，符合結(jié)構(gòu)力學(xué)原理;在荷載上，通過(guò)驗(yàn)算整個(gè)多邊形屋架的內(nèi)力和構(gòu)造均符合《結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器》標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《輕型木桁架技術(shù)規(guī)范》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求;在理論上，解決了大跨屋頂木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題，是中國(guó)建筑文化傳承和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 樊承謀.木結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展前景[J].建筑技術(shù)，2003.

[2] 崔艷秋，苗紀(jì)奎，鄭紅.木結(jié)構(gòu)坡屋頂改造中的結(jié)構(gòu)選型及構(gòu)造設(shè)計(jì)[A].中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑師分會(huì)建筑技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)代表大會(huì)暨全國(guó)建筑技術(shù)學(xué)科學(xué)術(shù)研討會(huì)[C]，2006.

作者簡(jiǎn)介：

宋煥然（2000—）男，苗族，貴州松桃人，北京林業(yè)大學(xué)土木工程173班班干部。研究方向：土木工程。