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轻型木结构房屋剪力墙和楼屋盖设计

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财理财小提示:轻型木结构房屋剪力墙和楼屋盖设计

 轻型木结构房屋剪力墙和楼屋盖设计

 轻型木结构房屋剪力墙和楼屋盖设计

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18,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1300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1150~160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=2uQh33EAb+uQhBy+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。

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