北京市紫竹院公园竹结构茶楼结构设计.pdf

第 3 9卷第 5期 2 0 1 3 年 1 0月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 北京市紫竹院公园竹结构茶楼结构设计 陈 国 ， 肖 岩 ( 1 南京林业大学土木工程学院， 江苏 南京2 1 0 0 3 7 ； 2 湖南大学现代竹木及组合结构研究所 ， 湖南 长沙4 1 0 0 8 2 ； 3 南加州大学土木系 ， 美国 洛杉矶 C A 9 0 0 8 9- 2 5 3 1 1 ) 摘要： 作为一种传统的建筑材料 ， 竹材在我国有着非常广泛的用途。与其他结构体系相比， 造价低廉、 抗震性能 优异、 绿色环保的胶合竹结构房屋非常适合在地震区使用。但此种结构体系在我国属于一种新兴的结构形式， 缺 乏结构设计的规范和经验， 这严重限制其在更大范围的推广应用。结合紫竹院公园竹结构茶楼工程项 目， 介绍了 茶楼的施工概况、 结构地震作用计算、 抗侧力系统设计、 连接计算及抗震构造措施等。本工程的设计方法可作为同 类型结构设计的参考， 最后给出相关建议和展望。 关键词： 胶合竹； 环境友好型； 茶楼； 结构设计 ； 抗侧力系统； 抗震构造措施 中图分类号： T U 3 6 6 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 1 0 6 S t r u c t u r a l d e s i g n o f b a mb o o f r a me t e a h o u s e i n B e ij i n g Bl a c k Ba mb o o Pa r k CHEN Gu o XI A0 Ya n ( 1 C o R e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， N a mi n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 3 7 ， C h i n a ； 2 I n s t i t u t e of Mo d e m B a m b o o ， T i mb e r a n d C o m p o s i t e S t r u c t u r e s ( I B T C S ) ， H u n a n U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2， C h i n a ； 3 D e p t of C i v i l a n d E n v i r o n me n t a l E n gi n e e ri n g ， U n i v e rs i t y o f S o u t h C al i f o r n i a ， C A 9 0 0 8 9 2 5 3 1 1 ， U S A) Ab s t r a c t ： As a k i n d of t r a d i t i o n a l b u i l d i n g ma t e rial， b a mb o o h a s e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n i n C h i n a C o mp a red w i t h o t h e r s t r u c t u r a l s y s t e ms ， t h e g l u e d - b a mb o o s t ruc t u re h a s ma n y v i r t u e s ， s u c h a s l o w c o s t ， s e i s mi c p e rf o r ma n c e ， e n v i r o n me n t f ri e n d l y ， S O i t i s s u i t a b l e i n t h e s e i s mi c z o n e A m a j o r i m p e d i m e n t t o t h e a p p l i c a t i o n f o r glu e b am b o o s t r u c t u r e i n l a r g e r s c al e i s t h e l a c k o f a c o m p l e t e u n d e rs t a n d i n g o f t h e beh a v i o r o f l i g h t f r am e wo o d s t ruc t u r a l s y s t e ms ， i e w i t h o u t d e s i g n s p e c i fi c a t i o n and e x pe ri e n c e T h i s p a per p res e n t s t h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s ， s e i s mi c c a l c u l a t i o n s ， l a t e r al for c e r e s i s t a n c e s y s t e m ， c o n n e c t i o n c alc ula t i o n s an d asi e s mi c c o n s t ruc t i o n me a s u res T h e p r o c e d u r e s a n d t h e d e s i g n c o n c e p t p r o v i d e d i n t h i s p a p e r c a n b e u s e d as r e f e r e n c e fo r t h e s t ruc t u r a l d e s i g n O f s i mi l a r p r o j e c t s ， a n d f i n a l l y rec o mme n d a t i o n s a n d p r o s p e c t s w e r e g i v e n Ke y wo r d s ： g l u e d l a mi n a t e d b am b o o ；e n v i r o n me n t f ri e n d l y ； t e a h o u s e ； s t ruc t u r a l d e s i g n； l a t e r a l r e s i s t a n c e f o r c e s y s t e m； ase i s mi c c o n s t r u c t i o n me a s u r e U 刖 吾 竹材资源从热带到温带甚 至寒带均有分布 ， 亚 太竹产区、 非洲竹产 区和美洲竹产区是世界上三个 主要 的竹产区。我国现有竹类植物 4 O余属， 5 0 0多 种， 竹林面积达 7 2 0万公顷。仅竹类资源中利用价 值最高的毛竹产量约占世界的9 0 ， 面积约3 0 0余 万公顷， 约占竹林总面积的7 1 ， 历来享有“ 第二森 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 1 1 1 作者简介： 陈国( 1 9 8 0一 ) ， 男 ， 江西萍乡人， 博士， 讲师 ， 研究方向： 现代竹木及组合结构。 基金项 目： 国家 自然科 学基 金项 目( 5 o 9 3 8 O o 2 E 0 8 0 5 0 4 ) ； 江 苏省 高 校自然科学研究面上资助项目( 1 3 K J B 5 6 0 0 0 8 ) ； 江苏省博士后科研 基金项 目( 1 3 0 1 0 1 7 A) E m a i l ： c h e n g u o 2 0 0 9 1 2 6 c o rn 林 ” 的美誉 。非常的竹材资源为我国发展竹材产 业提供了极其可靠的原料来源 。作为一种传统类型 的建筑材料 ， 竹材在我国有着十分悠久 的历史。但 传统的竹材在建筑方面主要还是以装饰类材料为 主 ， 如竹地板 J 。印度、 挪威 等国的研究者对 原竹 在房屋建筑方面的利用进行 了大量 的研究 ， 并成功 开发 了一系列原竹结构房屋 ， 上海世博会 印度馆是 唯一以竹子作为其主要承重结构材料， 建造了世界 上最大的竹穹顶， 仅穹顶和大梁就消耗 4 0吨原竹； 挪威馆通过胶黏剂将竹子和木材粘合在一起， 充分 利用两种材料的优点， 将竹材黏合在木板表面做成 大尺度的建筑构件， 开发出一种新型的复合结构材， 即黏竹， 并将其作为一种主要的建材运用到场馆的 建设中。传统的原竹结构房屋尽管在较小的范围内 2 0 1 3 N o 5 陈国， 等： 北京市紫竹院公园竹结构茶楼结构设计 3 算出基本 自振周期 8 】 。假设各楼层层间剪力依据 各榀剪力墙从属面积上的重力荷载代表值的比例进 行分配。按照上述方法求得的水平地震作用通过水 平横隔传递至与其相连接的下层剪力墙。建筑物的 基本 自振周期 = O 0 5 n o = 0 2 S ， 其中 ， 日为基础 墙顶面到屋脊顶点的高度( m) 。结构水平地震作用 标准值按下式计算 J ： ： F ( 16 )： 。 G ( 1一 G j G i 】 1 J 1 ) ( 1 ) 式中 为水平地震 影响系数 ； 抗震设 防烈度为 8 度 ， 场地土特征周期 =0 4 5 S ， ， 7 =I 0， 由于 0 I T0 5 X 2 8 87 46=1 0 7 4 kN 另外， 剪力墙和横隔的设计中还必须验算边界 杆件的承载力 ， 边缘杆件相当于工字形梁的翼缘 ， 只 需分别验算其轴向抗拉或抗压计算。 4连接设计 由于作用在屋盖上的上拔力( 8 2 9 k N ) 小于屋 盖单元 自 重 ( 1 1 5 k N ) ， 故不需要进行上拔力验算。 首层剪力墙安装时 ， 地梁板应通过基础上 的地脚螺 栓牢固地锚固在基础墙顶 面， 墙体两端及 门窗洞 口 两侧墙 骨柱通过金属锚 固件与基础连接 ( 图 7 ) 。上 层剪力墙 的底梁板应用钉与楼盖钉牢 ， 且应 用螺栓 将上下层剪力墙锚固( 图 8 ) 。 一v - 一 墙面板 培骨柱 一 一 l = l = 一 墙角锚固件一 一 ” 叫 ： ： ： ： ： 地脚螺栓 ： 、 基础 图7 剪力墙和基础的连接 Fi g 7 Co n n e c t i o n s b e t we e n t h e s h e a r wa l l s a n d f o u n d a ti o n 图8 上、 下层剪力墙通过锚固螺栓连接 Fi g 8 An c h o r b o l t s b e t wee n th e u p p e r a n d l o we r s he a r wal l s 1 ) 二层墙体与楼盖的连接 由直径为 3 6 6 mm、 长 8 2 mm的普通钢钉形成 的钉节点的设计承载力为： N =kv d =1 0 2 X 3 6 6 2 3 1 0 =0 6 6 k N 由屋盖传来 的水平地震作用荷载设计值为 1 4 3 4 98=4 8 97 k N。 所需要的钉子数为 4 8 9 7 0 6 6= 7 4 2颗 ， 二层 纵 向墙体总长为 l 8 3 m。 故钉子的间距为 1 8 3 0 0 7 4 2= 2 4 7 m m， 取钉子 间距为 2 0 0 m m 。横向钉子的间距计算方法同上。 2 ) 楼盖与一层墙体的连接 由楼盖传来的纵向水平地震作用荷载设计值 为 ： 1 4( 3 4 9 8+l 5 3 4 = 7 0 4 5 k N 所需的钉子个数 为 7 0 4 5 0 6 6=1 0 6 7颗 ， 一 层纵墙体总长为 1 5 9 5 i n 。 故钉子的间距 为 1 5 9 5 0 1 0 6 7=1 5 0 m m， 取钉 间距为 1 0 0 m m。横向钉子的间距计算方法同上。 3 ) 墙体与基础的连接 选取 M 1 2锚固螺栓将一层墙体与基础连接。 单个螺栓 的侧 向设计承载力为 ： J7 = k , d = 5 5 1 2 2 3 1 0 一 =2 9 6 k N 由楼盖传来 的纵 向水平地震作用设计值为 7 0 4 5 k N， 所 需 的螺栓 个 数 为 7 0 4 5 2 9 6=2 3 8 颗， 一层纵 向基础总长为 1 5 9 5 I T I 。故螺栓的间距 为 1 5 9 5 0 2 3 8=6 7 0 mm， 取螺栓 的间距为 6 0 0 m m。 纵向基础的螺栓间距计算方法同上。 5 抗震构造措施 从竹结构房屋的抗震性能试验可知 ， 门窗洞 口 四角以及楼层间的连接处是比较脆弱 的部位。为增 强竹结构房屋的整体性， 通常在洞口四角和楼层问 钉上抗剪薄钢带 ， 抗拔锚固件采用 Q 2 3 5 B的钢材制 成， 如图9所示。抗拉锚固件( h o l d d o w n ) 能显著提 高墙体的抗剪承载力和刚度性能， 在门窗孔洞两侧 图 9 门窗洞口的薄钢带 F i g 9 S t e e l s t rip s a r o u n d t h e o p e n i n g s 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 以及墙体端部设置抗拉锚固件， 从而使得结构组件 之间能够更加有效地传递剪力 4 。这些构造措施 可以保证竹结构房屋具有安全可靠 的传力路径 ， 如 图 l O所示 。 图 1 0 楼层之间的薄钢带 Fi g 1 0 S t e e l s t r i p s b e t we e n f l o o r s 6 结论 结构房屋体系是典型的高次超静定结构， 由于 这种箱形结构是 由多种不 同功 能的构件组成 ， 从 而 能够在地震或风荷载等极端条件下保持结构的完整 性 ， 能够满足 8度抗震设防烈度的要求 ， 且具有较大 的安全储备 引。相 比其他各层而言 ， 房屋底层在地 震 中容易发生破 坏。这 主要 是 因为过 大的 门窗洞 口、 不完整的短墙或不可靠的锚固造成 的。因此 ， 底 层设计应采用工程设计方法进行适当的增强。卡特 里娜飓风过后 ， 木结构房屋损失较大， 这主要是 由于 墙体与屋盖的连接不足以及屋面系统缺少 良好 的完 整性造成的。因此， 为确保极端荷载下的房屋结构 的安全性， 必须保证结构体系内部可靠的传力路径， 这也是设计和理论分析的重点和难点之一。本文 的 设计方法可作为同类结构设计的参考。造价低廉、 抗震性能优异 、 绿色环保 的轻型竹结构必将 占据住 宅市场的主导地位。 参 考 文 献 ： 1 L e e ， A W C ， B a i ， X S S e l e c t e d p h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f g i a n t t i m b e r b a m b o o g r o w n i n S o u t h C a l if o rni a J F o r e s t P r o d u c t s J o u rnal。 1 9 9 4 ( 4 4 ) ： 4 O 47 2 关明杰， 洪彬， 蔡志勇， 等 竹材及杨木单板在湿热环境下的 湿膨胀性能差异 J 南京林业大学学报， 2 0 1 0 。 3 4 ( 1 ) 3 李玉顺， 单炜 压型钢板一 竹胶板组合楼板的力学性能试验 研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 9 6 1 0 2 4 Xi a o Y a n ， Z h o u Q u a rt ， S h a h B o D e s i g n a n d C o n s t r u c t i o n o f MOd- e m B a m b o o B ri d g e s J J o u r n al o f B ri d g e E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0 ， 1 5 ( 5 ) 5 C h e n G u o ， X i a o Y a n ， S h a n B o D e s i gn a n d c o n s t r u c t i o n o f a t w o s t o r y n l o d e l- l b a m b o o h o u s e J P r o c e e d i n g s o f F i r s t I n t e rna t i o n al C o n f e r e n c e o n Mo d e m Ba mb o o S t r u c t u res Ch a n g s h a， 2 0 0 7： 2 8 - 3 0 6 肖岩， 陈国， 单波 竹结构轻型框架房屋的研究与应用 J 建筑结构学报 ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 6 ) ： 1 9 5 - 2 0 3 7 陈国， 肖 岩， 单波 现代竹结构住宅设计与施工 J 工 业建筑 ， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 4 ) ： 6 6 - 7 0 8 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 建筑抗震设计规范 S 9 木结构设计手册编委会 木结构设计手册 M 3版 北京 ： 中 国建筑工业出版社 ， 2 0 0 5 1 O D o n al d B r e y e r a n d K e n n e t h F r i d l e y D e s i gn of w o o d s t r u c t u re s A S D L R F D J N e w Y o r k ： M c G r a w H i l l ， 2 0 0 3 1 1 M i n g H e ， H e m i k M a g n u s s o n ， F ra n k L 丑 m， e t a1 C y c l i c P e rf o r m a n c e of P e rf o ra t e d Wo o d S h e a r Wa l l s w i t h O v e rs i z e O S B P a n e l s J J o u rna l ofS t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 9， 1 2 5 ( 1 ) ： 1 0 1 8 1 2 3熊海贝， 李青纯 木质剪力墙侧移和抗惧 6 刚度的研究【 J 结构 工程 师， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 3 ) ： 7 6 - 8 0 1 3 何敏娟， 周楠楠， 孙永良 都江堰向峨小学轻型木结构设计与 施工 J 施工技术， 2 0 1 0 ， 3 9 ( 3 ) ： 8 8 - 9 2 1 4 吕西林， 程海江 两层轻型木结构足尺房屋模型模拟地震振动 台试验研究 J 土木工程学报， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 1 0 ) ： 4 1 4 9 1 5 陈国， 肖岩 轻型竹结构房屋抗震性能的试验研究 J 振 动与冲击 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 1 0 )： 1 4 6 1 5 2