三角形木屋架的受力分析及结构设计开题报告

1. 研究目的与意义

屋盖是建筑中主要的竖向承重构件，所承受的荷载包括雪荷载、风荷载以及自重等作用。

轻型木桁架屋盖是目前应用最多的木屋盖系统，广泛应用与住宅、公共建筑、农业和商业建筑中，可以很好地满足建筑的空间形状要求。

轻型木桁架的结构外形应根据所采用的屋面材料、桁架跨度、建筑造型、制造条件和桁架受力性能等因素来确定。

2. 国内外研究现状分析

1.国内研究概况：2002年，费本华、王戈、任海青[1]等分析了我国发展木结构房屋的优势以及存在的问题，认为目前我国发展木结构建筑的市场潜力很大，由于它具有许多优良特性,越来越受到人们的关注和青睐,在未来的建筑市场中将具有很强的竞争力。但同时我们也要对其进行客观地分析,解决好目前存在的问题,以利于木结构房屋的顺利发展。2004年，何敏娟[2]，Frank Lam 在《北美轻型木结构住宅建筑的特点》中提到了轻型木结构中屋面结构的优点。轻型木结构因其经济、舒适、环保而广泛用于北美小型住宅建设之中，尽管这种结构有一些不利的特性，但只要采取适当措施，也能保证其安全性能。2006年，许晓梁[3]、马人乐、何敏娟发表了轻型木桁架承载能力研究，研究介绍了轻型木桁架的形式、用材及连接形式。在结构方面分析了齿板连接和节点偏心非线性转动刚度的影响，建立了轻型木桁架结构分析模型。并且通过实验了解了木桁架的荷载变形关系。与现行的木结构设计规范进行了比较，也相应的分析了木桁架承载能力所受影响的一些主要因素。2006年，颜铭[4]在《轻型木结构齿板连接的结构性能研究》中提到齿板连接为轻型木结构中最常见的也是现在最普遍使用的一种连接方式，齿板连接木桁架节点可以提前预制并可以成批制作，这不但节约了劳动力，缩短了施工周期，而且效率高、节点性能稳定可靠，制作简单。2007年，杨玉梅[5]提出木结构房屋的多项优点以及在国内外的发展趋势，认为随着人们居住环境的不断改善和生活质量的提高,人们开始追求回归自然,越来越希望生活的空间中更多地使用木材。据科学调查资料称:居住木造住宅与钢筋混凝土住宅对比,人的寿命平均高10岁左右。这是由于木材所造就的环境特性,可以调节室内小气候,进行生物生存调节和心理调节的感觉,显示出一种延年益寿的神奇力量。相信随着木结构以及相应配套的设计和验收规范的出台,加上木结构知识的普及,木结构住宅在我国会越来越受到大家的欢迎。 2008年，熊海贝[6]、徐硕通过对同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所办公楼进行平改坡屋面工程的过程中得出了以下结论：轻型木结构坡屋顶与下部结构的连接可靠,能有效抵抗风荷载作用；轻型木结构坡屋顶质量轻,地震反应较小,且其采用的钉连接方式可有效地耗散地震能量,抗震性能优良；轻型木桁架结构是一种具有高次超静定的结构体系,这一优点使得一些非结构构件也能起到抗侧向力的功能。2009年，黄浩[7]，何敏娟.针对目前国内还没有相应的设计规范,介绍TPIC推荐的轻型木桁架设计方法,其内容涵盖:材料、结构形式、结构分析方法、构件及连接验算。轻型木桁架体系可以丰富建筑师和结构工程师的选择，对于丰富中国建筑市场有积极的作用。2010年，康加华、熊海贝[8]、吕西林通过对9个轻型木结构房屋足尺模型(墙角无抗拔锚固件)和1个单片木框架剪力墙的低周反复加载试验,研究整体轻型木结构房屋中底层墙体的破坏模式及抗剪强度、位移、刚度、延性和耗能等力学性能指标。基于对试验现象的观察和对试验数据的分析,可以得到如下结论:(1)轻型木结构房屋在水平荷载作用下主要发生钉连接节点的破坏,主要破坏形式有4种,即:钉子拔出、钉子被剪断、墙面板角部剪坏、钉头穿透墙面板,木框架剪力墙体在水平荷载作用下以剪切变形为主;(2)由于房屋的整体作用,虽然底层墙体端部没有设置抗拔锚固件,但在水平荷载作用下墙骨柱上拔仍较小,当有竖向荷载和上部墙体作用时,墙骨柱上拔进一步减小;(3)上部墙体和竖向荷载的存在可以提高底层墙体的刚度,但同时使其屈服位移和极限位移减小,耗能性变差,只有上部墙体作用时,底层结构(墙体)耗能性是最好的;(4)墙体在整体结构中的力学性能与单片墙体是不同的,本次试验结果表明,墙体在整体结构中能更好的发挥出其抗震性能,因此需要更多地研究整体结构的力学性能;(5)本次试验的轻型木结构房屋墙体端部均未安装抗拔锚固件,但其墙骨柱的上拔由于结构整体作用得到了很好的控制,且承载力为设计值的2.6～ 3倍,因此设计中可适当考虑结构整体作用,适当减少墙角抗拔锚固件的布置,降低造价。2011年，陈国[9]、单波、肖岩为了研究轻型竹结构房屋的抗震性能，通过对足尺 2.44 m 3.66 m 2.6 m 的竹结构模型的振动台实验和推覆实验，讨论竹结构模型房屋的动力特性，确定竹结构房屋在地震作用下的破坏机理，研究了结构动力特性及地震反应的变化规律。通过竹结构房屋的推覆试验中，破坏时结构未倒塌，说明竹结构房屋的延性好。推覆试验能准确反映竹结构的弹塑性行为，能准确评估结构抗震性能，了解结构破坏机制。模型结构薄弱部位为剪力墙中墙面板边缘的钉连接，通过加密板边缘的钉子，可以提高结构的抗震能力和整体刚度，保证水平地震作用较好地传递。轻型木结构房屋的抗震性能试验表明，装饰层( 石膏板及外墙抹灰) 对结构的整体抗震性能有一定程度的提高。2014年，何敏娟，马仲, 马人乐[10]通过对 4.8 m 2.8 m 轻型钢木混合楼盖平行及垂直于搁栅方向分别进行了水平往复加载拟静力试验研究，得到了其变形特征、破坏模式、强度、平面内刚度、耗能以及延性。结 论：(1) 轻型钢木混合楼盖垂直和平行于搁栅加载时，变形均以剪切变形为主; 主要破坏形式均是两加载点外面板钉剪断，且垂直于搁栅加载时，C 型钢搁栅跨中下翼缘局部屈曲，上翼缘因上铺面板对其有加强作用，无屈曲; 楼盖荷载位移骨架曲线从开始加载到荷载最大值段符合指数曲线形式，从最大值到下降段符合直线形式。(2) 垂直于搁栅加载时，轻型钢木混合楼盖剪切强度平面内刚度、延性、耗能大于平行于搁栅加载，剪切刚度却较低; 但铺设 SPF 面板对楼盖剪切强度及平面内刚度有较大提高; 垂直于搁栅加载时，阻尼系数一开始小于平行于搁栅加载，后来较大，是下降 － 平稳 －增大的过程，平行于搁栅加载时阻尼系数一直下降，捏缩效应越来越显著。2014年，何敏娟[11]，马仲, 马人乐, 等通过水平集中荷载作用下一层两跨的钢木混合结构拟静力试验,研究轻型钢木混合楼盖弹性状态下平面内刚度及其对水平荷载的分配。轻型钢木混合楼盖在仅铺设SPF（云杉-松木-冷杉）规格材面板且竖向抗 侧力构件仅为钢框架时,α在0.5～1.0之间,β为64.0％左右,楼盖已能较好地分配水平荷载;铺设水泥砂浆面层后,α增至3.0以上,β增至 90.0％左右,结构有很强的空间协同作用,楼盖为刚性楼盖;当竖向钢框架间加上轻型木剪力墙后,α下降至1.0～2.0之间,β下降至78.0％左右, 楼盖不再为刚性。结论：木材强重比高，是一种环境友好型建筑材料，轻型木桁架体系可以丰富建筑师和结构工程师的选择。轻型木桁架是屋架体系中起着结构支撑作用的重要建筑构件，对轻型木桁架进行客观地分析,解决好目前存在的问题,以利于木结构房屋的顺利发展。增强木结构建筑在未来的竞争力。2.国外研究概况：1989年，SM Cramer，RW Wolfe[12]建立了轻型木屋顶组件的负载分布模型，并讨论了轻型木屋架组件的作用，为涉及模型开发和全尺寸装配测试做了观察。如果可以建立桁架强度和刚度之间的可靠关系，ROOFSYS模型可用于建立轻框木屋顶组件的荷载增加因子。2001年，Ellis B R, Bougard A J. Dynamic[13]测试了施工期间的六层木结构建筑的动态试验和刚度评价。进行测量的主要原因是量化刚架，这是在设计中使用的刚度之间的差异，和刚度的完整的建筑物。其中有关于屋架荷载的动态实验。两种类型的测量:激光测量和强迫振动测试，在三个关键阶段测量了其中所有的基本模式的特性。2009年，Shanmugam B, Nielson B G, Prevatt D O.[14]研究了木结构住宅建筑屋盖体系中的荷载和与之相应结构形变的关系。屋顶与剪力墙连接部分通常是容易被忽视的，在飓风等自然灾害中这个部分往往是最先损坏的地方。研究项目的主要目的是评价屋顶与剪力墙和轻型木结构连接作用与能力。2016年，Satheeskumar N, Henderson D J, Ginger J D[15]等人对当代房屋的一部分进行了全尺寸测试，评估了屋顶到墙壁间连接和荷载的分担以及其荷载效应，在每个施工阶段都进行了测试：包括裸框架，屋顶椽条与覆面板，天花板，内墙板等。[1] 费本华, 王戈, 任海青, 等. 我国发展木结构房屋的前景分析[J]. 木材工业, 2002, 16(5): 6-9.[2] 何敏娟, Frank Lam. 北美轻型木结构住宅建筑的特点[J]. 结构工程师, 2004, 20(1): 1-5.[3] 许晓梁, 马人乐, 何敏娟. 轻型木桁架静力试验及承载能力分析[J]. 特种结构, 2006, 23(1): 1-4.

[4] 颜铭. 轻型木结构齿板连接的结构性能研究[D]. 南京: 南京林业大学, 2006.[5]杨玉梅. 木结构住宅的优点以及在我国的发展[J]. 林产工业, 2007, 34(5): 12-13.[6]熊海贝, 徐硕. 木结构平屋面改坡屋面工程[J]. 结构工程师, 2008, 24(4): 115-120.[7] 黄浩, 何敏娟. 轻型木桁架应用及设计[J]. 建筑技术, 2009, 40(9): 815-818. [8]康加华, 熊海贝, 吕西林. 轻型木结构房屋足尺模型低周反复加载试验研究[J]. 土木工程学报, 2010, 43(11): 71-78.[9]陈国, 单波, 肖岩. 轻型竹结构房屋抗震性能的试验研究[J]. 振动与冲击, 2011, 30(10): 136-142.[10]马仲 何敏娟 马人乐. 轻型钢木混合楼盖水平抗侧性能试验[J]. 振动与冲击, 2014, 33(18): 90-95.[11] 何敏娟, 马仲, 马人乐, 等. 轻型钢木混合楼盖水平荷载转移性能[J]. 同济大学学报: 自然科版, 2014, 42(7): 1038-1043.[12] Cramer S M, Wolfe R W. Load-distribution model for light-frame wood roof assemblies[J]. Journal of Structural Engineering, 1989, 115(10): 2603-2616.[13] Ellis B R, Bougard A J. Dynamic testing and stiffness evaluation of a six-storey timber framed building during construction [J]. Engineering Structures, 2001, 23(10): 1232-1242.[14] Shanmugam B, Nielson B G, Prevatt D O. Statistical and analytical models for roof components in existing light-framed wood structures[J]. Engineering Structures, 2009, 31(11): 2607-2616.[15] Satheeskumar N, Henderson D J, Ginger J D, et al. Load sharing and structural response of roofwall system in a timber-framed house[J]. Engineering Structures, 2016, 122: 310-322.

3. 研究的基本内容与计划

1.主要任务：⑴设计出轻型木结构房屋的屋架方案，并利用结构力学计算方法手算出木屋架在不同荷载组合下的内力；⑵随后，利用通用有限元软件SAP2000电算出该木屋架在不同荷载组合下的内力，并对前面的手算过程加以验证；根据SAP2000有限元结果，确定最不利荷载组合。

⑶根据确立的荷载组合此对各杆件和连接节点进行设计；⑷最后，手绘轻型木屋架的平面图、立面图、节点图(1:100)，以及整体木屋架的三维效果图；2.计划：⑴ 2017.2.1-2.28：文献检索，资料收集； ⑵ 2017.3.1-3.30：对要求中所给数据进行荷载计算，并确定木桁架的形式；⑶ 2017.4.1-5.12：对确定的木桁架进行受力计算完成屋架的CAD图形； ⑷ 2017.5.13-5.31：整理设计计算书，完成展示图； ⑸ 2017.6.1-6.5： 准备答辩。

4. 研究创新点

1.对木结构建筑中木桁架形式进行分析设计与计算，绘制轻型木屋架图纸，为教学、生产提供参考。

2.研究木桁架齿板连接对受力影响，为实际施工提出意见。

3.与sap2000程序结合进行轻木屋架的模拟验算后确定木屋架三维图形中各个杆件设计，使用科学精准化计算，弥补手算不足。