轻型木结构介绍

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轻型木结构介绍美国林业及纸业协会许方简介中华人民共和国建设部和国家质量监督检验检疫总局于2002年4月25日联合发布了关于国家标准《木结构工程施工质量验收规范》的发布通知。该规范于2002年7月1日正式实施。在这本新出的施工质量验收规范以及今后将要出版的《木结构设计规范》中，都新增加了“轻型木结构”一章。这样，作为一种较新的结构体系，轻型木结构从设计和施工质量验收上都有了规范体系的法律保障。目前，轻型木结构在世界上不少国家地区的住宅以及商业和工业项目中获得了广泛地应用。单在北美，约有85%的多层住宅和95%的低层住宅采用轻型木结构体系。此外，还有约50%的低层商业建筑和公共建筑，如餐馆，学校，教堂，商店和办公楼等，都采用这种结构体系。轻型木结构体系，是将小截面构件按一定的间距等距离平行排列形成框架，然后在框架外根据受力需要，包上结构面板，形成建筑物的墙体，楼盖和屋盖等基本构件。整个结构体系就是由这些墙体，楼盖和屋盖构成的箱形建筑体系。作为一种高次超静定的结构体系，轻型木结构的结构强度通过主要结构构件（框架）和次要结构构件（墙面板，楼面板和屋面板）的共同作用得到。本文通过对北美的轻型木结构所用的材料以及建筑构造特点的介绍，使得读者对轻型木结构有进一步的了解。轻型木结构的材料规格材（DimensionLumber）轻型木结构的框架，或者说骨架，包括楼盖搁栅，屋盖椽条，天棚搁栅以及墙体中的墙骨柱等（见图1），一般采用规格材。所谓规格材是指按一定尺寸和模数制成的实心锯材，截面宽度一般为38mm（名义尺寸2”），64mm（名义尺寸3”），89mm（名义尺寸4”）。截面高度分为从38mm到286mm（名义尺寸12”）之间几种不同的规格。规格材虽然有三种不同的宽度规格，但轻型木结 图1图2构框架最常用的是截面宽度为38mm（名义宽度2”）的构件。规格材的长度一般为600mm为进级单位。木材是天然材料，在生长过程中不免会产生种种天然缺陷，例如节子，腐朽，振裂和干裂，虫眼，斜纹和扭曲等，此外，木材在加工过程中会产生加工缺陷，包括钝棱，漏刨等。所有这些缺陷，都会影响到木材的强度。所以，在使用之前，必须对木材进行分等分级。在美国，规格材的分等分为目测分等和机械分等。用于轻型木结构的规格材主要采用目测分等。对于规格材分等的标准称作“分等分级标准”，由分等机构编写。规格材生产时，在锯木厂由分等员负责分等，由作为第三方的分级机构进行不定期的质量抽检控制。经过分等的规格材，如符合质量要求，都会打上等级标识（见图2），标识内容包括：(a).分级机构的名称或标识(b).生产厂家代号(c).规格材的等级。(d).树种或树种组合名称(e).干燥状态（19%含水率以下称干燥状态）美国所有的建筑规范规定，用于轻型木结构的所有规格材必须有等级标识。胶合木（Glulam）胶合木是采用防水结构胶，将锯材粘接在一起形成的一种工程木产品。胶合木的截面尺寸包括定尺和非定尺尺寸，定尺的胶合木大部分用于住宅。非定尺的胶合木主要用于商业和公共建筑中。图3图4与规格材一样，符合胶合木产品标准生产出来的胶合木都附有由质量认证机构提供的标识（见图4），表明产品经过一系列严格的检测和认证，符合相关的产品标准。图中所示标识是由美国APA-工程木协会提供的认证标识。结构复合木材（StructuralCompositeLumber）结构复合木材主要指两种产品，即单板层积材（LVL）（中国的《木结构施工质量验收规范》GB50206-2002中也称旋切板胶合木）和旋切片胶合木（PSL ）。单板层积材是将木材单板平行放置，热压成型。而旋切片胶合木则将单板切成条状，然后采用结构胶沿构件长度方向粘接。结构复合木材用的胶粘剂都是室外用防水胶。结构复合材被广泛地用在轻型木结构中梁，柱，过梁以及重型木结构的构件中。结构复合材在加工过程中，对原材料的缺陷进行了分离，提高了结构强度。验数据显示：结构复合材的抗弯强度是标准强度等级的规格材的三倍。刚度高30%。工字木搁栅（WoodI-joist）工字木搁栅是一种可以有效代替实木规格材搁栅的工程木产品。工字木搁栅一般采用规格材或单板层积材(LVL)作翼缘，结构胶合板或定向刨花板（OSB）作腹板。因为工字木搁栅采用了高强度的工程木，所以与传统的实木规格材搁栅相比，它的跨度更大（单跨一般可以达到18米）选。图5轻型木桁架(Truss)轻型木桁架可用于轻型木结构的屋盖和楼盖，代替屋盖椽条和楼盖搁栅。屋盖桁架根据屋面形状的不同，有不同的坡度。而楼盖桁架为上下玄杆平行的桁架。生产时，桁架的杆件一般采用截面宽度为38mm的机械分等规格材。杆件在节点处，采用金属镀锌齿板从桁架两侧压入，将所有杆件连接在一起（见图7）。目前在美国，约有75%的住宅的屋盖系统采用轻型桁架用图6图7木基结构板材（Wood-basedStructuralPanels）我们一般所说的木基结构板材包括结构胶合板（Plywood）和定向刨花板（OSB）。木基结构板材在轻型木结构中用作楼盖，屋盖和墙体的面板。作为结构构件，面板除了承载竖向重力荷载外，更主要起到传递和承载由风和地震荷载引起的侧向荷载。所以称作结构板材，以示与不承重的非结 构板材的区别。轻型木结构历史上，轻型木结构分成两种，即全高框架式与平台框架式两种（见图8和图9）。全高框架式轻型木结构主要用在20世纪的早期，墙体框架构件在两层楼高范围内沿竖向连续。现在，这种结构除了在建筑物的局部采用外，已经不作为主要的结构形式了。从20世纪后期开始，平台框架式轻型木结构主导了北美的住宅市场并广泛地用于商业和轻型工业建筑。这种轻型木结构的特点是每层楼盖作为一个平台，支承于下层的墙体上，该平台同时为上层墙体的施工提供工作面。现代的平台框架式轻型木结构与50年前比较，在所用材料和施工方法上都有很大的不同。图8图9轻型木结构的基础在美国，轻型木结构的基础主要采用地下室基础，独立或条形基础以及混凝土础现浇地坪。地下室基础一般采用现浇钢筋混凝土或混凝土砌块，在美国北部普遍采用。混凝土现浇地坪在美国南部和西部较为常见。除了上述三种基础，还有一种地下室基础采用经加压防腐处理木材建造的。这种基础，除了地下室的底板采用混凝土外，周围墙体采用经过加压防腐处理的规格材和木基结构板材。施工时，基础外墙位于地面以下部分应有防潮层，同时在外墙的回填土中有排水措施。之所以采用这类基础，是因为许多人不喜欢混凝土的感觉而希望地下室与上部结构有同样的建筑性能标准。因为基础墙体必须是永久性的，所以墙体的墙骨柱，墙面板以及连接件都必须耐腐。美国的建筑规范规定了墙体材料的具体耐腐要求。除了墙体结构构件，所有的连接件必须耐腐，例如可采用不锈钢连接件。轻型木结构楼盖 对于采用地下室基础的轻型木结构，底层的楼盖一般由柱和梁支承，梁可以采用组合梁，胶合梁或工字钢梁。组合梁一般由规格材组成。如采用底层架空独立或条形基础，底层楼盖可采用同样的支承体系。北美的轻型木结构楼盖体系中，楼盖搁栅的中心间距一般为400mm或610mm（即16或24英寸）。搁栅的尺寸与荷载，搁栅间距，跨度，树种以及规格材等级有关。常用搁栅一般可采用截面尺寸为38x89或38x235（即2X8或2X10英寸）的规格材；预制工字木搁栅或平行铉杆桁架的截面尺寸，根据不同的生产厂家。规格材的搁栅的经济跨度一般从3.6m到4.8m。超过此跨度，可采用工字搁栅或其他工程木产品。为了使工程技术人员较为简便地计算搁栅的截面尺寸，一般在规范和标准中都给出有关的跨度表。对于预制工字木搁栅或平行铉杆桁架的承载力，可参见有关生产厂家的技术说明。楼梯，壁炉以及烟道等楼盖开孔会截断一根或数根楼盖搁栅。一般情况下，开孔方向尽量与搁栅的长度方向平行以减少被截断的搁栅的数量。在结构上，凡是被截断的搁栅均由封头搁栅支承，而封头搁栅两端由未截断的楼盖搁栅支承。开孔宽度1.2m以下时一般采用单根封头搁栅，超过这一宽度，应通过工程计算确定。另外，封头搁栅两端连接应特别注意。按规范要求，对于框架构件的切割和钻孔应减小到最低程度。经切割或钻孔的构件，当超过规范规定的范围时应采取相应的加强措施。在集中荷载较大的部位，例如浴缸下，应采用加强搁栅或其他有效地加强措施。如果楼盖采用桁架或工字木搁栅，则楼盖能达到的跨度比采用规格材的楼盖跨度大许多，不需加额外的中间支座。除此之外，另一大优点就是桁架的腹杆之间和工字搁栅的腹板开孔都能很容易地安排管道走向。楼面板除了承担楼面竖向荷载外，还起到了横向支撑的作用，传递风荷载和地震荷载引起的剪力。所以也称作剪力横撑。楼面板为施工提供了工作平台，也是楼面其他装修材料的基层。美国早期的住宅一般采用实木板作楼面板，而现代的轻型木结构住宅一般采用木基结构板材作楼面板，主要包括结构胶合板和定向刨花板。在施工时，根据不同位置的受潮湿程度的难易性，决定所用板材的暴露等级。例如靠近水管部位的楼板等等。安装楼面板时，一般板材的长度方向与搁栅垂直。板材的之间应留有拼缝，宽度不小于3mm，主要是保证潮湿引起的少量收缩膨胀。 轻型木结构的外墙除了山墙，轻型木结构的外墙一般都是承重墙，承载楼盖和屋盖传来的荷载。墙体的框架构件主要包括竖向的墙骨柱和其他水平向构件，这些水平构件包括顶梁板，底梁板以及门窗洞上的过梁等。墙骨柱的截面尺寸一般为38x89,38x114或者38x140mm。墙骨柱之间的中心间距一般采用300，400或610mm。墙骨柱的截面尺寸根据墙体所受的荷载，外墙材料以及所需的墙体的保温要求来定的。门窗洞口尺寸小于1.2m时过梁的截面尺寸一般为38x140。为使得过梁与墙体的宽度一至，一般在两根过梁间用填块连接。除此之外，也可采用预制工字木搁栅或其他结构复合材。施工时，从底层楼盖安装完毕开始施工第一层墙体。在多数情况下，先在楼盖上水平施工，待整片墙体组装完毕，然后竖起安装到位。如果整片墙体太长，则可将墙体分成若干片，分别组装安装。在安装墙体框架构件时，特别应注意交角和拐角处的墙骨柱的安装，即提供内部装修材料的安装基层。一般在隔墙与外墙的交接处，应采用双根墙骨柱，为隔墙提供支承。（见图10）承重墙体的顶梁板一般为双层，尤其当屋面椽条或楼盖搁栅的的支座位置在墙骨柱之间时，顶梁板必须双层。上下顶梁板的拼缝应错开至少一个墙骨柱的间距。在风力较大或地震烈度较大的地区，规范要求上下层墙体之间以及底层墙体与基础之间都必须有可靠的锚固连接。外墙面板材料一般采用木基结构板材。和楼盖用作剪力横撑的道理一样，作为一种箱形结构，轻型木结构的墙体承担风力和地震力引起的剪力，并将这种剪力传至基础。在轻型木结构中，并不是要求所有的墙体都起到传递剪力的功能，对于具有传递剪力功能的墙体，我们称作加撑墙或剪力墙。为了保证这些墙体本身的刚度用以传递剪力，墙体内部必须有支承。而最常用和简单的支承办法就是利用墙面板，包括木基结构板材和石膏墙板。除此之外，美国的规范还提供了其他几种不同的加撑办法，有兴趣的读者可参阅美国有关的建筑法规。轻型木结构的天棚和屋面 现在在美国，轻型木结构的屋面体系一般有两种，即传统的搁栅-椽条体系以及轻型桁架。而后者的应用现在越来越广泛，已经达到了75%的市场占有率。美国50年代以前的建筑大部分采用搁栅和椽条体系。椽条一般一端支承在墙体的顶梁板上而另一端支承在屋脊板上。为了减少椽条对墙体的推力，椽条之间在底部支座处用天棚搁栅连接。而天棚搁栅同时与墙体的顶梁板连接。轻型木结构的附属结构现在在美国，越来越多的住宅带有露台。露台提供了室内和室外的过度空间。露台一般采用经过防腐处理的木材建造。在美国，大部分露台采用南方松防腐材建造。根据露台的复杂程度，用户可以请专业的施工单位或自己动手安装。__