轻型木结构房屋剪力墙与楼屋盖的设计探讨

轻型木结构房屋剪力墙与楼屋盖的设计探讨

汤玉辉

上海思卡福建筑工程有限公司

摘要：轻型木结构房屋具有综合能耗低的特点，且建筑材料的环境亲和力较强。木结构房屋体系的设计上，材料间距较密，因此具有良好的抗震性能。鉴于中国对于轻型木结构房屋的研究起步较晚，本论文针对轻型木结构房屋的剪力墙与楼屋盖的设计问题进行研究。

关键词：轻型木结构房屋；剪力墙构造；楼屋盖设计

在中国古代的建筑中，木结构占有统治地位，现代的中国建筑结构以砖混结构、钢结构以及钢筋混凝土结构为主。轻型木结构房屋作为目前被广为应用的工程结构，是以木材为主要受力体系的，在设计结构上包括三个部分，即屋盖、楼盖以及墙体（柱子）。

一、轻型木结构房屋的受力构件

从轻型木结构房屋的构成来看，墙体所承担的荷载是较大的，除了屋盖传递的竖向荷载之外，还需要承受墙体自身的荷载等等。根据建筑所处地理环境，墙体还需要承受地震侧向力以及风荷载，通常这样的墙体都会被设计为剪力墙。剪力墙都具有一定的刚度，可以避免木结构由于受力而过度变形[1]。具体而言，剪力墙所发挥的作用，是屋盖的竖向荷载向具有支撑能力的墙体或者柱子传递之外，还需要承担楼屋盖传来的横向荷载。可见，剪力墙在轻型木结构房屋体系中的重要性是不容忽视的，其所发挥的房屋水平横隔作用决定了建筑结构的牢固性。此外，轻型木结构体系以其高次超静定性的特征被广为应用。

二、剪力墙设计

（一）剪力墙承载力的受力分析

剪力墙的作用是用于承受由地震和风的作用下所产生的水平剪力。剪力墙分为规则剪力和不规则剪力，其中不规则剪力是由于剪力墙结构出现了变形而形成的。这些荷载的作用下对于剪力墙的强度的分析存在着一定的难度。为了使剪力墙达到设计抗剪承载力，必须确保面板和骨架连接紧密，还要考虑到墙骨的轴向力，根据抗剪承载力将剪力墙的构造设计出来。在剪力墙设计中，有一种为开洞剪力墙，洞口对于剪力墙的受力产生一定的影响[2]。

由于洞口的存在，剪力墙被分割为几个部分，改变了剪力墙原有的性状。从受力情况来看，剪力墙洞口的周围会存在剪力传递，这就需要将抗剪承载力确定下来。在抗剪承载力分析中，需要按照几个独立的剪力墙进行承载力计算，为剪力墙构造设计提供参考。

（二）对剪力墙受力分析

对剪力墙受力分析所采用的通用软件为ANASYS、ABAQUS、SAP等等，这些软件都具有极强的有限元分析功能，且为图形化的处理程序，其中，ABAQUS能够对于分析过程中所存在的非线性问题加以解决。

1.单元选择

单元选择需要采用线性单元对于墙体骨架结构以及覆面板材设计进行模拟，主要源于墙体的非线性结构。如果荷载为单向则可以利用非线性弹簧单元模拟。假设墙体A为不开洞剪力墙，墙体B为开洞剪力墙，墙体A中骨架钉的连接设为铰接，墙体B运用非线性弹簧单元以模拟。

2.剪力墙A受力分析

剪力墙A的墙角处设计为抗拔连接件，可以有效限制墙端墙骨柱的上拔，所以，骨架钉连接可采用铰接节点简化。剪力墙A的顶部会产生侧向变形。受到侧向荷载的影响，墙面板随着底梁板发生转动而出现变形，而面板并不会产生大幅度的变形[3]。（如图1）

图1剪力墙A变形图

3.剪力墙B受力分析

剪力墙B为侧向荷载作用，墙骨柱也会上拔。运用有限元计算，底梁板都要与地面铰接。（如图2）由于侧向荷载的作用，在墙体和过梁的连接部分会有集中应力存在。如果骨架钉处于复合受力状态，承受着拔出、弯曲等各种力。运用有限元分析，线性刚度对于剪力墙B的受力状况进行模拟，就可以根据变形程度对剪力墙进行设计。

图2剪力墙B变形图

三、楼屋盖设计

（一）楼屋盖分析

楼屋盖的主要功能是向各片剪力墙侧向力传递，分别传递给。对楼屋盖剪力进行分析，就要对剪力墙的刚度以及楼屋盖的刚度有所了解。对于这两种刚度的计算，需要对楼屋盖的性质加以假定。如果为柔性的楼屋盖，则可以按照从属面积对剪力进行分配；如果为刚性的楼屋盖，就会存在平移作用下的变形和转动作用下的变形。为了确定剪力在两种变形共同作用下的分配方式，需要先计算剪力墙的相对刚度，分析平移分量和扭转分量[4]。

（二）楼屋盖变形分析

对于楼屋盖变形的计算，并没有更好的解决办法。运用楼屋盖的弹性变形计算，可以获得可供参考的数据。计算公式：

D=5uQL3/96EAb+uQL/4Bv+0.0006Len

其中：

Bv：覆面板的剪切刚度；

L：楼屋盖的长度；

Bv：楼屋盖的宽度

uQ：楼屋盖单位长度所承担的水平荷载；

A：楼屋盖与水平力方向垂直的封边板或边缘梁构件的弹性模量和构件截面积[5]。

en：钉连接的滑移量

楼屋盖角部的覆面板会存在较大的变形。垫块是搁栅间横撑，设置于每块覆面板的边缘，提供板的支承和连接。覆面板在没有垫块的情况下，会存在滑移变形，且刚度明显下降。楼屋盖的覆面板不仅要承受平面内剪切力，还要承受竖向力作用下的弯曲力。在楼屋盖设计中，选择可靠的方法可以对于楼屋盖的承载力以科学设计。

结语：

综上所述，由于轻型木结构建筑材料节能环保，且具有良好的抗震性能，被广泛地用于国外的多层建筑设计中。中国的建筑业已经意识到轻型木结构房屋的优势，已经着手于制定建筑设计方案，并不断地完善。本论文通过对轻型木结构剪力墙和楼屋盖设计进行研究，以提高剪力墙承载力。

参考文献：

[1]陈松来，樊承谋，王焕定.轻型木结构剪力墙和楼盖的抗侧刚度研究[J].中山大学学报（自然科学版），2011.50（04）：42-50.

[2]中华人民共和国建设部.GB50005-2003木结构设计规范[S].2005ed.北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]谢启芳，吕西林，熊海贝.轻型木结构房屋的结构特点与改进[J].建筑结构学报（增刊2），2010（02）：350-354.

[4]陈松来，陈志勇，樊承谋，等.木结构剪力墙中钉连接的实验研究[J].中山大学学报（自然科学版），2008.47（04）：133-138.

[5]谢启芳，赵鸿铁，薛建阳，等.中国古建筑木结构榫卯节点加固的试验研究[J].土木工程学报，2008.41（01）：28-34.