点击这里给我发消息
 
 
木屋百科    
 

轻型木结构房屋剪力墙和楼屋盖设计

作者: 来源: 日期:2016-8-26 17:00:41
 

木结构房屋

轻型木结构房屋通常由屋盖、楼盖与墙体或柱子组成。墙体除了将从屋盖、楼盖传来的竖向荷载传递到基础之外(需要说明,一些墙体除了承担本身的自重荷载外,还承担其他外荷载),还需承受风荷载和地震作用下的侧向力。其中与这些侧向荷载平行的一些墙体,被设计成承受并传递剪力,称之为剪力墙。

  屋盖和楼盖除了将竖向荷载传递至墙体或柱子外,尚应将横向荷载分配和传递至剪力墙,因此它们必须具有足够的刚度,担当房屋水平横隔的作用。

  剪力墙和楼屋盖是轻型木结构房屋体系中最主要的受力构件,它们组成了一个简单的箱形建筑结构体系承受竖向和横向荷载,使轻型木结构体系具有了高次超静定性及易于建造和修理的特性,得到了广泛的应用。

一、剪力墙和楼屋盖的构造

  剪力墙和楼屋盖由边框与密置排列的墙骨柱和搁栅组成,在其一侧或两侧覆盖木基板材或木板,通常承受两种类型的荷载,即平面内和平面外的荷载。

  平面外的荷载通过覆面板承弯传递至墙骨柱和搁栅,而使其受弯。平面内荷载有的通过墙骨直接传递到基础,有的通过边框传给覆面板,由覆面板受剪承担。由于剪力墙和楼屋盖的骨架之间的连接只是很弱的连接,所以覆面板与骨架之间的连接是关键。它们不仅用于传递覆盖版之间的剪力,也用于骨架之间力的传递。

  由于覆盖版的尺寸通常要较剪力墙和楼屋盖的尺寸小,建造时通过接缝将面板连接起来将剪力从一块板传递到另一块板。与骨架方向平行的接缝采用与同一根骨架连接,与骨架垂直的接缝要设置专门的横撑连接接缝。在实际工程中考虑到造价等问题,也有不设横撑的剪力墙和楼屋盖,但是其承载力和刚度将作相应的折减。当在平面内的剪力非常高时,最好还是设置木横撑。

  为很好地满足受力要求,剪力墙还要有可靠的锚固连接。这种锚固连接通常分两种,即将底板梁与基础锚固用于传递剪力的抗剪锚栓和将端部强骨柱与基础锚固用于传递上拔力的拉锚螺栓。通常将抗剪锚栓用于传递剪力,不考虑抗上拔力作用;拉锚螺栓用于传递全部的上拔力。但是在不设置拉锚螺栓的剪力墙中,需要考虑抗剪锚栓的抗上拔力作用,这时要采取措施防止剪力墙底梁板在偏心荷载作用下的劈裂破坏,同时还要考虑剪力墙抗剪承载力的折减。

二、剪力墙设计

  1.剪力墙承载力分析

  实际结构中的剪力墙需要承受垂直于墙面的风荷载,以及由上部楼屋盖传来的竖向荷载和水平荷载。在这些荷载共同作用下,要仔细地分析剪力墙各部分的强度和应力分布是十分复杂的。在工程设计中采用构造措施来保证面板和骨架之间的连接强度,需要分析墙骨在轴向力作用和弯曲荷载共同作用下的强度,以及剪力墙的抗剪强度。规范中提供的抗剪承载力是通过实验结果得到的,所以是分别针对不同形式和构造的剪力墙。

  理论模型用于分析剪力墙承载,得到均匀相对近似的简化方法的结果。复杂的有限元模型在实际应用中显得十分复杂而很少被采用。

  2.开洞剪力墙承载力分析

  开洞会明显影响剪力墙的受力性能,较大的洞口如门洞将剪力墙分隔成若干小的墙片,这时原剪力墙的性状已发生改变。这时需要根据力学原理分析洞口四周剪力的传递,重新确定剪力墙的抗剪承载力,或者按多个独立的剪力墙来分别计算承载力,并采取相应的设计构造措施。

  当剪力墙的开洞符合以下条件,即洞口上下部分墙面的剪跨比不小于1\8,且墙面覆板面积率不小于30%,这时可以采用以下的经验公式对剪力墙的承载力进行折减。当剪力墙在较小变形阶段,也即剪力墙的变形角为1\300左右时,采用以下的折减系数经验计算公式:

  F=3γ\(8-5γ)

  而当变形角为1\150~1\60时,采用以下的折减系数经验计算公式:

  F=γ\(2-γ)

  这里F定义为开洞墙抗剪承载力与无开洞墙承载力的比值,γ为墙面覆盖板面积率,定义为:

  γ=1\[(1+A0)\(HεLi)]

  公式中,A0为所有洞口面积之和,H为墙高度,Li为第i墙肢长度。

  3.剪力墙变形计算

  剪力墙的变形和刚度是十分复杂的问题,至今人们还没有从理论上给出剪力墙的刚度分析模型。因此剪力墙的变形计算只能是近似的和初步的分析。以下公式可用于近似计算有横撑木基面板剪力墙弹性变形:

  D=2uQh3\3EAb+uQh\By+0.0025hen

  公式中,By是覆面板厚度上的剪切刚度;en是钉连接的滑移量,mm;uQ为单位长度剪力;h为剪切墙高度;b为剪力墙宽度;E、A分别为端墙骨柱的弹模和面积。

  上面的近似公式是考虑了三部分的变形,即弯曲变形、剪切变形、钉连接的移滑变形。计算表明,剪力墙的弯曲变形较小,主要变形为钉连接的滑移变形和面板的剪切变形,其中尤以钉连接的滑移变形为主。

  4.锚固设计

  正常设计的剪力墙要求有明确的传力路径,底部抗剪锚栓仅用于传递剪力,端部拉锚螺栓用于传递上拔力。当端部拉锚螺栓只承受部分抗拔力或者不承受上拔力时,将发生传力路径的改变,同时造成剪力墙的承载力降低。实际结构中会有一些剪力墙不设置拉锚螺栓而仅有抗剪锚栓,这种情况会出现在剪力墙承受上部竖向荷载,或者端墙骨与垂直方向的剪力墙连接而提供部分抗拔力的情况。这时剩余的上拔力将由墙端部附近底梁板上的钉连接和抗剪锚栓来承担,造成剪力墙承受水平剪力的能力下降。图1表示的是不同长度的剪力墙,在不同抗拔力比率下的承载力折减系数。图中α表示抗剪承载力的折减系数,表示端墙骨承担的抗拔力与端墙骨上所有钉连接承载力之和的比值。

  当端部墙骨不能传递全部的上拔力时,部分或者是全部的上拔力就要通过面板与底梁板的钉连接传给底梁板,然后由抗剪锚栓传给基础。这样就使底梁板偏心受力,容易发生劈裂破坏。为了减少偏心,应采用较大尺寸(通常为正方形或者矩形)的螺帽垫片。

三、楼屋盖设计

  1.楼屋盖分析

  楼屋盖在平面外的竖向荷载作用下,覆面板和搁栅按受弯构件设计。其在平面内荷载作用下的分析模型可以简化为简支在剪力墙上的有腹板和翼缘的简支梁核型。其中,楼屋盖的封边板视为其翼缘,承受弯矩;覆面板视为腹板,承受剪力;搁栅视为腹板的加劲肋。

  假设在侧向均布水平荷载Wf的作用下,楼屋盖两端分别支承在剪力墙上,按简支梁分析,则封边板轴向力Pf为:

  Pf=(WfLD2)\(8LW)

  公式中,LD为楼屋盖的长度;LW为宽度。覆面板中剪力沿着楼屋盖的长度是变化的,其最大剪力在端部,剪力Vf采用下式计算:

  Vf=WfLD\2

  楼屋盖的抗剪承载力设计类同于剪力墙,当无横撑时,也需考虑承载力的折减。

  楼屋盖的主要功能是将承受的侧向力传递和分配到与其相连接的下面剪力墙中。分析楼屋盖的剪力分配需要知道楼屋盖和剪力墙的刚度。由于刚度问题的复杂性,当前我们可以采用以下两种假设条件分析计算:一是我们认为楼屋盖是完全柔性的,其下的各片剪力墙按从属面积分配剪力(如图2(a)所示)。二是假定楼屋盖为完全刚性体,在外荷载作用下有平移和转动两部分变形的合成,这时剪力的分配必须要知道剪力墙的相对刚度。再假定剪力墙的刚度与其长度成正比(如图2(b)所示),这样将平移分量和扭转分量分析得到的剪力相加就可以得到最后的剪力分配值了。这里需要说明,当扭转分量分配的剪力为反向时,就不相加了,这是因为扭转刚度中心的不确定性,偏安全考虑剪力不予抵消。

  2.开洞楼屋盖分析

  楼屋盖经常需要开洞口,对于尺寸较小的洞口可以不考虑对受力性能的影响,但是较大尺寸的开洞,就应该根据力学原理,仔细分析开洞四周构建的剪力传递和内力变化。

  如图3所示的开洞楼屋盖,开洞形成的带状窄条的两个封边板A和B的轴力分别用如下公式计算:

  A: Pf=(WfLD2)\(8LW)+(WfLO2)\(15a)

  B: Tf=(WfLO2)\(15a)

  这里的计算不考虑楼屋盖整体弯曲在封边板B上形成轴向压力的有利影响,这也是偏于安全的考虑,因为轴向压力的传递取决于封边板B端部的连接情况。

  3.壁阶形楼屋盖分析

  尽管前面在简化分析中假定楼屋盖的封边板承担全部的弯矩荷载引起的轴向力,实际上轴向力也是由封边板、覆面板、搁栅共同传递的。对于壁阶形楼屋盖,当阶高不大于1.2米时,阶根部的封边板无需连通;而当阶高大于1.2米时,需要使阶根部的封边板连通以传递轴力承受弯矩(如图4所示)。

  4.楼屋盖变形计算

  同剪力墙一样,楼屋盖的变形计算问题十分复杂,至今尚未解决。对于有横撑楼屋盖的弹性变形,可以近似采用以下公式计算:

  D=5uQL3\96EAb+uQL\4By+0.0006Len

  这里,By是覆面板厚度上的剪切刚度;en是钉连接的滑移量,mm;uQ为单位长度上的水平荷载;L为楼屋盖的长度;b为宽度;E、A为封边板弹模和面积。

四、结语

  随着轻型木结构房屋体系的应用扩展到较大规模的建筑,如多层的住宅和商业建筑中,有限数量的剪力墙承载力难以满足设计要求,预示人们要采取各种措施来提高剪力墙的承载力,这反过来也使拉锚螺栓的设计变得十分困难。因为剪力墙是延性破坏,而拉锚螺栓是脆性破坏,设计要求剪力墙的钉连接要先于拉锚螺栓破坏,所以需要更高承载力的拉锚螺栓。由于木材的收缩性,加上剪力墙的锚固螺栓在施工后就不可能再作调整,木材的收缩会导致螺栓的松弛,减弱了剪力墙的锚固效果。

  剪力墙和楼屋盖的刚度分析是掌握和分析轻型木结构内力传递路径的基础。由于刚度问题的复杂性,笔者在刚度分析问题方面作了一些初步的讨论和研究,再进一步的研究十分有必要。

更新时间:2016/8/26




 
 
麦而林首页  |  麦而林介绍  |  麦而林新闻  |  麦而林能力  |  麦而林工程  |  联系麦而林
上海麦而林木结构设计工程有限公司 上海麦而林建筑工程有限公司 上海天创建筑工程发展有限公司
Copyright 2000-2017 www.mcl-china.com 麦而林木结构设计 上海麦而林木结构设计工程有限公司 All Rithts Reserved 沪ICP备17056143号-1
办公地址:上海市中山西路1800号3楼E1座 工厂地址:上海市青浦区白鹤镇白石公路1222号 电话:021-54111167 传真:021-64401418
百度地图google地图