第七章 木结构

　　 木结构用木材

　　一、木材的特点和适用范围

　　木结构( timber structure )是指以木材为主制作的结构。

　　由于我国树木分布广泛，易于取材;木材采伐和加工方便，同时质轻且强，所以木材很早就被用来建造房屋与桥梁。但是，由于木材存在着各向异性、天然缺陷(木节、斜纹、髓心、裂缝等)、易腐、易蛀和易裂等缺点，对木结构的结构形式、节点连接，施工质量以及使用期维护都有比较高的要求，以保证木结构有足够的可靠性和耐久性。

　　木结构生长速度缓慢，而木材资源有限，因此，建造木结构除了做到保证安全和人体健康以外，还要合理利用木材，大力发展人工林，改变过去对生态保护重视不够，森林资源破坏严重的情况，促进我国木结构健康地可持续性发展。

　　承重木结构应在正常温度和湿度环境中项房屋结构和构筑物中使用。凡处于下列生产和使用条件的情况，不应采用木结构：

　　( 1 )极易引起火灾的;

　　( 2 )受生产性高温影响，木材表面温度高于 50 ℃ 的;

　　( 3 )经常受潮且不易通风的。

　　二、木材的分类

　　木结构用的木材分为针叶材和阔叶材。主要承重构件宜采用针叶材，重要的木质连接件应采用细密、直纹、无节和无其他缺陷且耐腐蚀的硬质阔叶材。

　　承重木结构用的木材，按照其材质，从好到坏可分为I、II、III级，设计时应根据受力的种类进行选用：受拉或拉弯构件材质等级选用 I 级;受弯或压弯构件材质等级选用II 级;受压构件及次要受弯构件材质等级选用 III级。承重结构木材材质标准参见《 木结构设计规范 》 ( GB50005-2003 )(本节以下简称 《 规范 》 )附录 A 。

　　木结构用材按使用截面的不同，可分为原木、锯材和胶合材。

　　( 1 )原木(log)是指伐倒并除去树皮、树枝和树梢的树干。

　　( 2 )锯材( sawn lumber )是指由原木锯制而成的任何尺寸的成品材或半成品材。锯材又分方木( square timber )、板材( plank )和规格材( dimension lumber )。方木是指直角锯切且宽厚比小于 3 的，截面为矩形或正方形的锯材。板材是指宽度为厚度 3 倍或 3 倍以上的矩形锯材。规格材是指按轻型木结构设计的需要，木材截面宽度和高度按规定尺寸加工的规格化木材。

　　( 3 )胶合材( glued lunber )是指以木材为原料通过胶合压制而成的柱型材和各种板材的总称。

　　三、木材的物理性能

　　1 .木材的含水率

　　木材的含水率对木材强度有很大的影响，随含水率的增加木材强度降低。当含水率达到纤维饱和点时，木材的强度不再降低。含水率对受压、受弯、受剪及承压强度影响较大，而对受拉强度影响较小。

　　按照含水率大小，木材可分为干材(含水率小于 18 % )、半干材(含水率等于 18 %一 25 % )和湿材(含水率大于 25 % )。 《 规范 》 规定，在制作构件时，木材的含水率应符合下列要求：

　　( 1 )现场制作的原木或方木结构不应大于 25 % ;

　　( 2 )板材和规格材不应大于 20 % ;

　　( 3 )受拉构件的连接板不应大于 18 % ;

　　( 4 )作为连接件不应大于 15 % ;

　　( 5 )层板胶合木结构不应大于 15 % ，同一构件各层木板间的含水率差别不应大于 5 %。

　　2 .木材的湿胀、干裂与翘曲

　　当木材的含水率在纤维饱和点以下变化而引起木材的湿胀或干裂时，其尺寸变化的规律是相似的。由于干缩会引起开裂和翘曲，对于木结构的工作影响较大，因此木结构的干缩更需要引起重视。

　　原木或带髓心的方木在干燥过程中开裂的原因主要有两种：

　　( 1 )环向的收缩受到径向的约束，沿年轮产生的环向拉应力;

　　( 2 )木材外层的水分蒸发速度比内层快，其收缩变形受到内层的阻碍时，亦产生环向拉应力。上述两种原因产生的拉应力之和，超过了木材的抗拉强度时，即由外向内发生开裂。木材端部水分蒸发较快，常形成严重的端裂，应设法预防。

　　对于板材而言，在干燥过程中，环向和径向两个方向的干缩率不同，不会致使开裂，若任其自由变形，则发生翘曲。

　　3 .木材的缺陷

　　天然生长的木材不可避免的会存在一些缺陷。对木材影响最大的缺陷是腐朽和虫蛀，这是任何等级的木材都绝对不允许的。对木材强度有影响的缺陷还包括：木节、斜纹、裂缝和髓心。

　　四、木材的力学性能

　　1 .木材的受拉性能

　　木材顺纹抗拉强度最高，而横纹抗拉强度很低，仅为顺纹抗拉强度的 1 / 10~1 / 40 。斜纹受拉强度介于顺纹与横纹两者之间，因而应尽量避免木材横纹受拉。木材受拉破坏前的变形很小，没有显著的塑性变形，属于脆性破坏。故《 规范 》 对木材受拉除了采用较低的强度设计值外，还要求使用I级材，对未材的缺陷给予严格限制。

　　2 .木材的受压性能

　　木材受压时，有较好的塑性变形，可以使应力集中逐渐趋于缓和，所以局部削弱对木材受压的影响比受拉时小得多，木节、斜纹和裂缝等缺陷也较受拉时的影响缓和。木材受压时的工作性能要比受拉时可靠得多，因此对木材的选择较受拉时为宽，可采用III级材。

　　两个构件利用表面互相接触传递压力叫承压。在木结构的接头和连接中常遇到承压的情况。根据木材承压的外力与木纹所成的角度不同，可分为顺纹承压、横纹承压和斜纹承压(图 7-1 )。

　　( 1 )顺纹承压。

　　木材的顺纹承压强度略低于顺纹受压的强度，原因为：

　　1 )承压面不可能完全平整，致使承压力分布不均匀;

　　2 )两个构件的年轮不可能对准，一构件晚材压人另一构件早材，也使变形增大。但是木材的顺纹承压与顺纹受压相差很小，在《 规范 》 中将顺纹承压与顺纹受压取同一值 fc 。

　　( 2 )横纹承压。

　　横纹承压分为局部长度承压、局部长度和局部宽度承压、全表面承压三种情况。如图 7-2 ( a )、( b )、( c )所示。

　　局部长度承压的强度较高，因为局部长度承压时，不承压部分的纤维对其受压部分的纤维变形有阻止作用。在局部长度承压中，承压面长度越小，承压强度越高。当木结构构件未承压部分的长度很短时，构件两端将出现横纹开裂现象(图 7-3 ) ，因此构造上必须保证木结构构件 1 / 1c的比值足够大，才能提高横纹承压强度。

　　由于木材在横纹方向的彼此牵制作用很小，所以局部承压中不考虑在宽度方向未受力部分的影响。

　　木材全表面横纹承压时，变形较大，加荷至一定限度以后，由于木材细胞壁逐渐破裂被压扁，木材被压实，其变形逐渐减小直至纤维束失去稳定而破坏。横纹全表面承压强度最低。

　　( 3 )斜纹承压。

　　斜纹承压即外力与木纹成一定角度的局部承压。斜纹承压的强度介于顺纹承压和横纹承压之间，与 a 值有关系。

　　3 .木材的受弯性能

　　木材的受弯性能如图 7-4 所示：截面应力在加载初期呈直线分布;随着荷载的增加，在截面受压区，压应力逐渐成为曲线，而受拉区内的应力仍接近直线，中和轴下移;当受压边缘纤维应力达到其强度极限值时将保持不变，此时的塑性区不断向内扩展，拉应力不断增大;边缘拉应力达到抗拉强度极限时，构件受弯破坏。《 规范 》 对受弯构件材质的要求介于拉、压之间，可采用II级材。

　　4 .木材的受剪性能

　　木材的受剪可分为截纹受剪、顺纹受剪和横纹受剪，如图 7-5 ( a )、( b )、( c )所示。截纹受剪是指剪切面垂直于木纹，木材对这种剪切的抵抗力是很大的，一般不会发生这种破坏。顺纹受剪提指作力与术纹平行。横纹受剪是指作用力与木纹垂直。横纹剪切强度约为顺纹剪切强度的一半，而截纹剪切强度则为顺纹剪切强度的 8 倍。木结构中通常多用顺纹受剪破坏，属于脆性破坏。木材缺陷对受剪工作影响很大，特别是木材的裂缝，当裂缝与剪面重合时更加危险，常是木结构连接破坏的主要原因。由于木材的髓心处材质较易开裂，故《 规范 》 规定受剪面应该避开髓心。