村镇住宅木结构体系及简易钢拉带支撑应用研究.pdf

第 54 卷第 17 期 2023 年 9 月Vol.54 No.17 Sep.20232109 建 筑 技 术 Architecture Technology村镇住宅木结构体系及简易钢拉带支撑应用研究宋谦益，刘宜丰，范时勇，李秋稷（中国建筑西南设计研究院有限公司，610041，成都）摘要：木结构具有抗震性能好、低碳环保的优点，但原材料的高成本以及结构构造的高要求制约了其在村镇住宅中的推广。比较了典型的木结构体系及其墙体构造，分析讨论了其性能的特点和优劣，对适用于村镇住宅建筑的木结构体系进行了探讨，提出了一种可高效提升既有或新建传统木结构建筑整体性和抗震性能的简易、低成本、装配式钢拉带支撑构造，并在示范工程中得到了应用，所提出的简易支撑构造提供了一种村镇住宅木结构建筑的低成本建造方案，旨在为我国低成本木结构村镇住宅的建造提供参考。关键词：村镇住宅；木结构；钢拉带支撑；抗震性能中图分类号：TU 366 文献标志码：B 文章编号：1000-4726(2023)17-2109-05ReseaRch on applIcatIon of tImbeR stRUctURal system and sImple steel dRaWstRIng sUppoRt In RURal bUIldIngsSONG Qian-yi,LIU Yi-feng,FAN Shi-yong,LI Qiu-ji（China Southwest Architectural Design and Research Institute Co.Ltd.,610041,Chengdu,China）abstract:Timber structure has the advantages of good anti-seismic property,low carbon and environmental protection,but it is restricted to be promoted widely in rural buildings due to the high cost of raw materials and high requirements for the structure.In this research,a simple,low-cost and prefabricated steel drawstring support structure that can effectively strengthen the integrality and anti-seismic property of existing or new traditional timber structure buildings is put forward by comparing typical timber structure systems and their wall structures,analyzing the characteristics,advantages and disadvantages of their properties,and discussing timber structure systems applicable to rural buildings,and this drawstring support structure has been applied in trial projects.Moreover,the simple support structure proposed also affords a low-cost construction solution for rural buildings with a timber structure,which aims to provide a reference for the construction of low-cost timber-structure rural buildings in China.Keywords:rural buildings;timber structure;steel drawstring support;anti-seismic property木结构多适用于低层建筑住宅，在人口数量相对较少、土地资源相对丰富的村镇地区具有很大的发展潜力。我国不同地区的地质气候条件、经济资源体量及建筑技术水平差异较大，因此各地木结构建筑的结构形式以及建造工艺大相径庭。在这样的背景下，本研究归纳了几种常见木结构房屋体系，详细介绍了各类木结构建筑的墙体构造和发展，并比较了各自的优缺点。总结分析了我国村镇低层木结构建筑的结构性能特点和建造条件，提出了一种能显著提高低层木框架建筑结构整体抗震性能，并兼具低成本、装配式、施工快速简易等特点的抗震钢拉带构造，旨在为我国绿色装配式村镇木结构住宅的发展提供参考。1低层木结构体系1.1低层木结构建筑结构体系木材作为我国传统建筑的主要基材之一，是农村住宅建设的重要组成部分。我国传统木房屋中的三大结构体系有抬梁式、穿斗式与井干式。抬梁式木结构大部分用于宫殿、寺庙等大型建筑，结构以梁、柱为受力构件，通常用材截面较大。穿斗式木结构的特点是梁柱截面小且排列密，结构中梁（穿枋和斗枋）的主要作用是固定柱子，而不受力。穿斗式木结构整体性好，抗震能力强，多用于民居建筑。井干式木结构以圆木或矩形、六角形木料层层堆叠而成，构造简单，但耗材量大。传统木结构体系中构件之间普遍采用榫卯连接构造，榫头与卯孔之间独特的耗能机制，使木结构古建筑拥有良好的抗震耗能性能。日本自古对木结构建筑情有独钟，其民用住宅体收稿日期：20230731作者简介：宋谦益（1985），男，四川夹江人，高级工程师，博士，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 17 期2110系中八成以上都是木结构1。由于日本震害严重，木结构体系多采用木造轴组工法2，又称小截面木框架体系。该体系中梁、柱的截面尺寸和立柱间距较传统梁柱式结构更小，且材料多使用胶合木、正交叠合板等集成木材。小截面木框架结构大量使用水平角撑、斜撑和金属连接件等，使结构的整体性有较大的提升3。随着近现代建筑工业化水平的不断提高，北美发展起来的轻型木结构体系以及平台式建造方法被逐渐广泛应用。该结构体系构件多为规格材，工业化生产程度高且运输方便。相对于小截面木框架结构体系，轻型木结构体系中没有“通柱”概念，施工时每层楼面都可作为施工平面，墙体木骨架都立在下层顶梁板上，使上下层分成相对独立的结构单元，不仅有利于结构单元的标准化制作，而且简化了施工工艺，降低了建造成本4。1.2低层木结构建筑结构墙体构造木结构墙体有着承重、抗侧、保温、隔热、隔声、防火、防风、防雨、防潮等一系列功能5，在不同木结构体系中，墙体所扮演的角色也有所不同。我国传统的抬梁式木结构多使用青砖、土坯等砌墙。砖石墙体通常采用空斗砌法，能起到防潮、隔 热、隔冷和隔声的效果，但其整体性不如实心砖墙，在地震烈度 7 度或 7 度以上的地区易发生垮塌破坏。承重夯土墙在我国北方农村应用比较广泛，其使用寿命高达百年以上。夯土墙具有优越的储热能力，可以调节室内湿度，其厚度一般为 200800 mm。而穿斗式木结构除使用砌体墙为承重墙体外，也会以单层木板或竹编夹泥墙作为围护墙体。竹编夹泥墙是在木框架之间编织竹篾，然后用黄泥混合石灰杂草抹在竹篾上形成的墙体，墙体总厚度通常为 50 mm 左右。竹编夹泥墙外表坚硬，防鼠防盗效果明显，但墙体承载力较低，易开裂6。板壁墙是四川、云南、贵州、湖南等地常用的围护墙体，其墙体多采用蓄热系数较低的材料，保温性能差但散热性能极佳，极其适应夏季热湿环境。井干式木结构以层层垒砌的原木或实木作为墙体，墙体为结构体系的主要受力部件。日本传统梁柱式木结构民居的墙体构造称为真壁，又叫土壁，墙壁以木质横带加上竹片网，再在上面抹灰构成，与我国南方地区的竹编夹泥墙非常类 似。大壁是在柱子之间设置构造柱，然后用外装材料将它们覆盖的中空墙壁。大壁通过构造柱和斜撑共同补充墙壁的结构强度，抗震性能较真壁更为优越。现代木造轴组工法中，木结构外墙墙体开始采用胶合木复合保温式墙体，即墙体内装饰板多采用石膏板、硬质纤维板或胶合板，墙体外墙板多采用结构胶合板，二者皆采用钉子或金属件与横梁、结构柱等连接在一起，内外墙板之间的空腔中塞入保温隔热材料，并用发泡剂在周边填充封闭。结构柱和横梁组成的框架之间通常还需要布置间柱进行分割，并加入适量斜撑增加墙体的抗震性能。最外层钉上间距一定的胶合木隔条，以固定防水纸和挂靠外墙覆面板。对于北美广泛应用的轻型木结构建筑，墙体通常由规格材形成的木骨架与木质面板组合形成，具有良好的气密性和热阻断性。该结构体系中墙板和木骨架共同承担竖向荷载和水平荷载，因此轻型木结构建筑的抗风抗震性能 更好7。从以上内容可以看出，传统竹编夹泥墙防虫防腐性能好，很适合应用于建造山区民居，但其隔声保暖效果不好，承载能力偏低；生土墙是严寒地区民居的常用墙体，储热性能好，但不耐水不抗震。对于气候炎热潮湿的云南、贵州、湖南等地区，散热性极佳的板壁墙是不错的选择（图 1），但其存在不耐腐蚀，易生蛀虫和发霉的缺点。现代木结构复合式墙体的防火、防腐、防虫等性能因木材本身的升级加工（制成胶合板、OSB 板等）得到了很大的提升，且复合式墙体的夹层中可以填充各类保温、隔声材料，极大地改善了木结构房屋的居住舒适度。图 1民居板壁墙2村镇木结构建筑性能特点和建造2.1木构建筑的结构性能特点我国地域广阔，地层复杂，木结构凭借其良好的抗震性能在震害频发地区有突出的表现。现代轻型木结构在我国的应用和建设发展迅速，已有大量新建别2111宋谦益，等：村镇住宅木结构体系及简易钢拉带支撑应用研究 墅项目，但在村镇住宅等民生建筑工程中应用较少。目前国内存量与新建的木结构建筑中比重最大的仍是传统木结构体系，特别是以抬梁式和穿斗式为主的框架结构体系。与钢筋混凝土和钢结构有显著差异的是，传统的抬梁式和穿斗式木结构抗震性能的发挥主要表现在梁柱节点的变形和耗能。因变形协调问题、拉结不可靠、刚度差异大及木结构老化变形等原因，砌体、土坯或夯土墙体的开裂、局部垮塌或整体倒塌难以 避免。虽然传统木结构框架节点凭借其较好的耗能能力避免了在地震发生时溃塌，但其变形的恢复能力较差，地震后通常发生较明显的柱根滑移、倾斜变形、歪闪、榫卯松脱或接头剪断等现象78，需要大修或拆除重建才能恢复使用功能。这在近年来发生的汶川地震、雅安地震、玉树地震、九寨沟地震、泸定地震中都得到印证。此外，传统木结构建筑采用以榫卯节点为主的装配连接方式，框架应节点刚度导致的整体性能相对较弱。由于住宅等村镇建筑通常缺失定期、合理和科学维护，温湿度变化、气候影响、地基处理不到位、朽腐老化等影响日积月累，大量村镇木结构住宅建筑在长期使用过程中表现出明显的变形、侧倾、歪闪等现象，既影响其整体外观，也影响使用舒适度，并且这类缺陷使其抗震的性能较新建时也会有显著的退化。相对砖混、钢筋混凝土框架而言，上述木结构建筑的现象在一定程度上影响了其形象，对其在村镇木结构住宅建筑的推广中形成了阻力。木结构发展受阻的另一个原因是村镇地区木结构施工技术相对落后，加上农村地区建设监管体系不完善，木结构建筑经常会出现如地基基础处理不到位产生的不均匀沉降致使结构受损、柱脚连接不当导致房屋框架倾覆、墙体吊装误差导致产生初始缺陷进而引起墙体开裂、梁柱节点连接太弱导致房屋出现局部破坏或整体倒塌的现象6。为增强木结构的整体性，进一步提高其抗震性 能，并促进木结构建筑具备震后快速恢复的能力，除地基处理、防腐等之外，相关学者进行了大量木结构修复、加固、性能提升等相关研究。现代轻型木结构体系中胶合木复合墙体、日式小截面木框架结构体系中的真壁和大壁墙体等同木结构框架或骨架共同受力，极大地改善了木结构体系的抗震性能和恢复能力。对于我国村镇建筑中传统木结构体系，在木结构框架中增加参与抵抗地震水平力的竖木板墙体9、改框架间的竖墙板为与梁柱钉接的斜墙板10，在木框架中设置木质支撑、梁柱节点增设木构件或钢连接件或碳纤维进行加强9,1113。参考现代轻型木结构和日式小截面木框架结构的做法，传统木结构体系中采用可以木框架共同受力的木骨架复合剪力墙，既可以显著提高其抗震性能，又可以改善墙体的保温、隔热等围护性能，提高舒适性。2.2 村镇木结构建筑建造发展村镇木结构住宅建筑需要重点关注其建造与造价。我国森林资源相对短缺，虽然每年都有多层胶合板和单板层积材出口，但建筑木结构用的胶合木（GLT）、交错层压木材（CLT）、单板层积材（LVL）等现代工程木等多数进口自俄罗斯和北美，原材料价格偏高。近年来我国新建的木结构别墅的造价约 5 0008 000 元/m2/人14，而村镇地区的普通砖混结构住宅单方造价通常不到 2 000 元，因此造价是当前影响木结构建筑在村镇住宅中应用的重要 因素。由于我国木结构建筑在建造应用中存在显著的地域特征，需因地制宜地推动村镇木结构建筑发展。对于南方林区、东北林区和西南林区盛产林木资源的地区15，木结构建造选用当地盛产且富裕的方木、原木材料用于房屋建造，优质的大截面原木经简单分级和处理即可直接用以结构承重，可省去复杂的加工流程和昂贵的加工成本。对于林木资源匮乏的地区，需要通过技术赋能带动国产替代工程木材的发展，从而实现原材料成本的降低，比如开发秸秆定向板（OSSB）16、人工林落叶松胶合板17、硅酸钙板18等国产高性能复合木基产品，压缩国外木材产品的进口量和购买成本19。对于地震灾害不严重的地区，选用较为简易的装配式节点构造，减少木骨架剪力墙的布置，可以缩短工期、节约造价。对于地震频发或高烈度地区，选用整体性能更优越的现代木结构体系或采取高效、经济的抗震措施，可减轻或避免墙体破坏和房屋倒塌现象的出现，提高结构的安全性。此外，在现代木结构体系中，墙体与梁柱主体共同作用能提高各部分构件的利用率，减少材料整体用量，降低结构造价。总体上，因自重轻、震害相对较小、工期快、风格造型独特等特点，抬梁式、穿斗式传统木结构体系和轻型木结构、小截面木框架等木结构体系在村镇地区，特别是地震灾后重建中仍有不少应用案例，并取得了良好的社会效益和经济效益。但当前在村镇地区大力推广木结构仍面临造价、人工等高成本和高工艺要求的制约。建 筑 技 术第 54 卷第 17 期21123 简易抗震钢拉带支撑及应用构造简单、成本低、性能高、适合快速施工装配式的木结构抗震性能提升方法，是村镇木结构住宅建筑应用推广的重要诉求之一。针对当前村镇仍然广泛使用的传统木结构体系，文献研究中提出的各种形式抗震性能提升措施，如采用木结构抗震墙、木交叉撑的方式，成采用木构件、金属连接件、碳纤维材料等框架或梁柱节点加强措施，能有效提升木结构体系的抗震性能和整体性，对减少震害及震后人员财产损失有显著的作用，但也明显增加了结构木材的用量、节点构造的难度、人工和装配工期，进而在一定程度上提高了必要的建造成本。钢材的强度高、韧性好、材料的耗能能力强，在传统木结构框架、现代木结构（如小截面木框架和轻型木结构）中设置钢拉带支撑或交叉撑（图 2），替代抗震木墙板或木斜撑作为结构的主要耗能构件，是一种更高效、经济的木结构体系抗震提升措施。钢拉带单斜撑或交叉撑的应用还能提高木结构框架的整体性，减小木框架构件的尺寸以及木结构在非荷载作用条件下的变形，并有效减少其他缺陷对木结构性能的不利影响。同时，墙体可以不参与或有限参与结构受力，仅采用保温、隔热等保证舒适度需求的围护构造，减少昂贵的结构木材用量，控制造价。图 2 木结构体系中的钢拉带交叉撑3.1 钢拉带对木结构抗震性能的提升在贵州省安顺市布依族苗族自治县高荡村某农房建设项目中，原结构采用传统的穿斗式木框架结构，节点采用榫卯连接形式，建筑为地上两层结构，总高度为 6.2 m。该建筑的木柱为截面直径 200 mm 的圆柱，木梁采 用 截 面 为 150 mm150 mm、60 mm200 mm 的矩形梁，木材选用树种为樟子松，材料强度等级为TC13。建筑结构设计工作年限为 50 年，结构安全等级为二级。抗震设防烈度为 6 度，基本地震加速度为0.05 g，地震分组为第三组，场地类别为类，丙类建筑，对应特征周期为0.45 s，基本风压为0.30kNm2，地面粗糙度为 B 类。由于这种传统榫卯式连接节点的转动刚度较小，设计时将其近似为铰接连接，该体系无法满足抗震要求。因此采用钢拉带抗震支撑技术提高结构的抗震性能。钢拉带采用 Q235 级钢，截面为 60 mm 1.5 mm，每条钢拉带的两端各通过 3 个 M8 六角头木螺钉与木柱相连。该方案施工便捷且后期成型效果好，钢拉带可以隐藏于隔墙内部，不影响室内效果。结构计算采用 midas Gen 有限元分析软件，梁柱采用梁单元建立，钢拉带采用只受拉单元建立，梁柱节点采用铰接，立柱与底层连接方式简化为铰接。由计算结果可知：第一阶主振型为 x 方向的整体平动，自振周期为 0.684 s，第一阶扭转为主振型的自振周期为 0.096 s，结构周期比为 0.14，满足 GB 500112010建筑抗震设计规范要求；地震作用下最大位移为 3.86 mm，相应最大位移角为 1/1 603，符合GB 500052017木结构设计标准要求，未超过结构高度的 1/250：木构件计算最大应力为 10.2 MPa，钢支撑最大应力31.8 MPa，均小于材料的强度设计值；钢拉带受拉时充分发挥支撑拉杆的作用，并参与变形耗能，受压时屈曲松弛退出工作，因此采用这种交叉布置的钢拉带支撑有效改善了房屋抗震性能。3.2 钢拉带简易装配及连接本研究所提出的木框架之间的简易抗震钢拉带的装配和安装连接构造可以有多种形式，一种便捷的方式是侧装在框架侧面，直接用木螺钉或螺栓将钢拉带端头与木柱或梁柱节点区域相连；另一种是拼装在框架内，在梁柱节点或柱身上用木螺钉安装金属连接件，再采用拉铆钉或螺栓将钢拉带与金属连接件连接起来。第一种方式构造相对更简单、施工更简便，装配速度更快，定位放样后将连接部位打磨平整即可安装校直钢拉带，并用木螺钉固定成型。但该安装方式形成的钢拉带交叉撑相对梁柱框架的中心有一定的偏心，宜布置在扭转效应不明显的部位。第二种方式可更有效消除支撑偏心对结构的不利影响，其连接件和装配方式较前者稍复杂，安装精度要求稍高。总体上钢拉带支撑的安装较抗震木墙板、木支撑、节点加固等木结构体系抗震加固措施的施工装配式方式简单，连接件、紧固件等也相对较少，只需要简单培训即可操作，适合在村镇木结构住宅建筑中推广应用 2113宋谦益，等：村镇住宅木结构体系及简易钢拉带支撑应用研究（图 3）。钢拉带竖向肋板竖向端板拉铆钉水平端板木螺钉穿枋（直透榫）卯眼图 3 钢拉带在穿枋节点处的居中装配方式示意3.3 钢拉带经济性分析上述示范项目设计及实施过程中以满足同样的结构抗侧性能为目标进行初步测算，单栋木框架建筑中采用钢拉带作为抗震支撑，含连接件的材料成本不超过 300 元；在框架间采用木骨架剪力墙所需的结构材料和加工费用近 1.2 万元；采用金属隅撑加固梁柱节点并增大木框架柱截面尺寸引起的材料和加工费用接近 6 000 元。综上所述，钢拉带交叉撑构造作为一种能高效提高木结构整体性能和抗震性能并值得在村镇木结构建造中推广的低成本、快速装配的简易结构构造形式，具有显著的经济优势。4 结束语木结构是一种绿色环保并极大响应“双碳”战略的结构材料，随着我国建筑工业化的发展及绿色建筑理念的推行，木结构建筑住宅重新得到重视，除传统的梁柱式木结构体系外，起源于北美的轻型木结构体系和日本发展起来的小截面木框架体系等现代木结构体系也引入国内得到推广。在现代木结构体系中，与木框架共同受力的抗震墙板或复合木板剪力墙的应用显著提高了其整体性能和抗震性能。传统木结构体系既可借鉴现代木结构体系中的墙体构造，提升其整体性能和抗震性能，也可采用多种节点加固增强、增设框架斜撑等措施提高其性能。实现木结构体系构件的标准化设计、工业化生产和装配化施工是提高建造质量和效率、减少资源消耗和环境污染的重要途径。考虑到村镇地区经济发展水平，低成本是村镇木结构住宅推广需要衡量的重要经济指标。针对全国不同地区的气候、地理条件、建造传统，因地制宜地选用合理的木结构体系、构造和抗震性能提升措施，并采用装配式的建造方式，可将村镇木结构住宅建筑的建造成本控制在合理的范围内。本研究提出的简易钢拉带支撑构造能显著提高木结构，特别是传统形式木框架结构的整体性能和抗震性能，操作简单、施工快速，节省造价，适合在村镇木结构住宅的建造中推广使用，助力乡村振兴和新农村建设。本研究所提出的简易钢拉带结构也可为既有木结构建筑的低成本加固改造提供参考。参考文献1 Luow,MineoK,MatsushitaK,etal.Consumer willingness to pay for modern wooden structures:a comparison between China and JapanJ.Forest Policy and Economics,2018,91(6):8493.2 瀬川康秀,大野隆司.建物図鑑.木造住宅 M.东 京:,2018.3 谢力生.日本木结构的发展历程与现状 J.木材工业,2009,23(3):2023.4 高颖.木结构在住宅产业化中的应用和发展前景 J.住宅产业,2015,12(9):3743.5 席佳,赵荣军,费本华,等.木结构建筑的墙体组成简介 J.林产工业,2010(2):4547.6 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