垂直荷载木结构大跨屋顶设计

摘    要：木结构大跨屋顶多用于低层住宅或厂房建筑。随着木结构技术的不断发展，木结构建筑受到了很多人的喜爱和青睐。本文针对木结构建筑浅谈一个垂直荷载木结构大跨屋顶的设计。

关键词：木结构;大跨屋顶;检核;设计

1  引言

木结构大跨屋顶是以木材为主要受力体系的工程结构的大跨度屋顶。在六十至七十年代，我国的建筑结构主要是砖木混合的苏式结构，屋顶多为木结构。在这个时期，木结构大跨屋顶多用于低层厂房建筑。目前，我国的建筑结构是以钢筋混凝土结构、钢结构等为主，而木结构除在一些低层住宅或厂房中有所应用外，在其他类型建筑中的应用几乎是一片空白。但木结构在中国古代一直占统治地位。当前，建筑结构用木材的应用技术日趋现代，已不是传统意义上的砖木房屋了，许多大规模大跨度木结构建筑，既灵活美观又节能环保，受到很多人的喜爱和青睐，它应是中国建筑文化市场最具发展潜力的别墅建筑形式，更有可能成为一个新的产业概念、一种新的业态、一次新的建筑文化革命。下面浅谈一个垂直荷载木结构大跨屋顶的设计。

2  设计项目

屋盖占地（覆盖）面积为60m×100m，假设屋顶简支于柱上，建筑物类型为一般房屋，建筑物的安全等级取二级，设计使用年限为50年。对于柱子及以下的部分不要求设计，这里假设柱子的强度和刚度都满足要求。本结构的主要材料为木，也可改良使用钢材，但设计的目标为尽可量减少非木质材料的使用，确保结构的安全环保，同时追求经济优化和形式美观。在综合考虑荷载和荷载组合及屋架选型的基础上，设计一个承担垂直荷载的木结构大跨屋顶。

3  标准规范

3.1  基本条件

基于建筑物类型为一般房屋，建筑物的安全等级取二级，设计使用年限为50年。结构重要性系数λ0取1.0。在本设计中认为场地良好，柱能支撑屋顶。屋面受垂直向下的均布荷载，横荷载为0.5kN/m2，活荷载为0.5kN/m2。同时，采用1.2倍恒载和1.4倍荷载组合。

3.2  软件数据规范

使用软件是结构力学求解器 V2.6.1;AutoCAD 2017;Excel 2017。标准规范参照GB 50005—2017《木结构设计规范》报批稿（初稿）;JGJT 265—2012《轻型木桁架技术规范》;GB 50017—2003《钢结构设计规范》。

3.3  选材选型标准

（1）连接方式与选材。主要采取齿连接、垫块连接、螺栓连接三种连接方式。一般而言，螺栓选用普通螺栓和高强度螺栓，钢材用密度0.65g/[cm3]的Q235钢，木材采用强度等级TC17木材。

（2）桁架选型及尺寸。多边形、弧形桁架的上弦節点一般位于一条二次抛物线上，首先要与简支梁在均布荷载作用下的弯矩图基本一致，其弦杆内力较均匀，腹杆内力较小;其次是以梯形桁架受力较为合理，这些桁架常在跨度较大的场合使用;再次是三角形桁架受力性能较差，自重大，用料多，一般用于跨度较小的场合，不宜超过18m。根据实际，本结构选取为多边弧形桁架结构类型。

本结构桁架尺寸设计跨度为30m，属于木结构大跨度屋顶，因此采用多边形桁架，本结构的高度选取为5m，预起拱度为30×[1200]=0.15m。桁架自重所占总荷载的比例不大，桁架设计后的自重与计算值即使有偏差，也不必重新验算。

假定桁架高度为5m，跨度为30m，下弦节点间距取6m，按y=-1/45x?+5求得形状近似二次抛物线的多边形桁架，如图1所示。

在主次梁间距设计上，当木桁架采用木檩条时，桁架间距不宜大于4m，因此本结构桁架间距选取为3m，檩条间距取为1.5m。

4  荷载计算及内力分析

檩条内力设计值计算。为满足木结构大跨屋顶设计要求，方木檩条的高宽比不宜大于2.5，拟采用截面面积为120mm×220mm的檩条，由于荷载在120mm宽度方向上无偏心作用，故檩条可看成一维简支梁，直接承受屋面的均布荷载与自身重力。重力在3m长度上的线集度设计值为：[q=]1.2[ρvgL][≈]2.69kN/m。

中部檩条承受3×1.5×1.3=5.85kN的荷载，故檩条的荷载线集度为5.85/4+2.69=4.15kN/m。简支梁最大剪力为[12]ql=6.23kN，最大弯矩为[18]q[l2]=4.67kN·m，轴力为0;最外侧的檩条承受5.85/2=2.925kN的荷载，线集度为：2.925/4+2.69=3.42kN/m，最大剪力为：6.84kN，最大弯矩为6.84kN·m，轴力为0kN，由于检核时仅对较危险构件计算，所以仅需用结构力学求解器画出中部檩条的内力图，如图2和图3所示。而檩条属于受弯构件，在检核时要按标准规范对受弯构件的检核规则进行检核。

5  连接设计与检核

5.1  桁架支座节点连接设计

在桁架端部拟采用齿连接，由于端部截面较大，故需采用双齿连接。齿连接的齿深不应小于20mm;桁架支座节点齿深不应大于h/3，中间节点的齿深不应大于h/4。双齿连接中，第二齿的齿深应比第一齿的齿深至少大20mm。单齿和双齿第一齿的剪面长度不应小于4.5倍齿深。因此，若hc=100mm，TC17木材的横纹承压强度设计值为3.5，乘以折减系数0.9后为3.15。双齿连接还需进一步验算木材承压能力、木材受剪能力、保险螺栓强度。

经验算，[NAc]=4.91553261[ N/mm2]<[fcα]=10.2596482[，]0.74125983<1.0，最小厚度[t]=20mm。可见，本结构桁架支座节点承压能力、受剪承载能力、保险螺栓所承受的轴向拉力，以及下弦杆抗拉承载力满足设计要求。支座节点的设计构造如图4所示。

5.2 下弦杆及腹杆的连接

对于下弦杆设计采用双剪螺栓连接，为减小两侧连接构件的厚度，所有连接构件均采用钢板。对于高度或宽度不一样的杆件，认为较细的杆端部尺寸与粗杆相同、中部削细，而杆件自身的检核仍然满足要求。

根据螺栓连接顺纹受力的每个剪面的承载力设计值要求，由給定螺栓直径计算出所需螺栓的最少个数，使用钢板作为夹板时，接头每端的螺栓数由计算确定，但不宜少于6 个，且不应排成单行。若桁架跨度较大，钢夹板厚度不应小于6mm。因此，采用双行齐列的排列方式，螺栓的[S0=2d]，[S1=7d]，[S2=3.5d]，[S3=1.5d]。

5.3 上弦杆及腹杆的连接

对于多边形和梯形木桁架，上弦可采用偏心抵承措施，因腹杆内力较小，故拉杆可以使用木材。在连接方法上均采用钢夹板中心螺栓连接。中心螺栓所受荷载应考虑全跨和半跨可变荷载分别作用下两腹杆的内力，注意其拉压性质和大小，取矢量和。承载力验算时须分别考虑它们与木纹不同的夹角，按螺栓连接的有关规定验算。又因为多边形桁架上弦跨度较大，所以通常需要加肋。

由上弦两端偏心抵承形成的负弯矩计算跨中的弯矩。另外，上弦截面根据轴向力设计值和弯矩设计值按压弯构件确定;上弦中间各段木料的长度和截面均相同，在支座节点处按与上弦轴线垂直的面锯割而在各中间节点处均沿圆弧的半径方向锯割，使构件尺寸统一，制造简便。

“中心螺栓”对螺栓受力不利。本来“中心螺栓”具有4个剪面，但计算中仅按3个剪面计算，而每一剪面的承载力仍按螺栓连接的计算规定来确定。试验证明，当螺栓直径达到16mm之后，再加大直径时，连接的承载力不再提高。因此，只有当腹杆内力较小时，才可采用这种连接方案。钢夹板与上弦连接的其他螺栓，其直径最好与“中心螺栓”相同，且上弦接缝的每侧仍不应少于两个螺栓。

6  结束语

本垂直荷载木结构大跨屋顶设计，在造型上，选择多边弧形桁架结构，灵活美观，节约用材，施工方便;在选材上，科学环保，既有传统的木质结构，又具备现代钢结构特点，是钢木有机融合与传统建筑的创新发展;在连接方式上，采取齿连接、垫块连接、螺栓连接的混合应用，符合结构力学原理;在荷载上，通过验算整个多边形屋架的内力和构造均符合《结构力学求解器》标准，满足《木结构设计规范》《轻型木桁架技术规范》《钢结构设计规范》要求;在理论上，解决了大跨屋顶木结构设计难题，是中国建筑文化传承和发展。

参考文献：

[1] 樊承谋.木结构在我国的发展前景[J].建筑技术，2003.

[2] 崔艳秋，苗纪奎，郑红.木结构坡屋顶改造中的结构选型及构造设计[A].中国建筑学会建筑师分会建筑技术专业委员会代表大会暨全国建筑技术学科学术研讨会[C]，2006.

作者简介：

宋焕然（2000—）男，苗族，贵州松桃人，北京林业大学土木工程173班班干部。研究方向：土木工程。