多榀轻型木桁架的制作方法

本技术涉及的是一种的多榀轻型木桁架结构构件，属于木结构设计领域。

背景技术：

建于上世纪80年代以后的商品住宅房，其屋顶大多采用平屋顶的构造方式。由于年代久远，目前普遍存在顶楼“冬冷夏热”、雨水渗漏以及屋面脏乱等现象。这不仅给居民的日常生活带来不便的同时也影响了城市的整体环境，与国家所倡导的生态城市的建设不相符。而通过“平改坡”改造工程可以妥善的解决这一问题。普通轻型木桁架(由规格材作为桁架的杆件，节点采用齿板连接的木桁架)由于其轻质高强、抗震性能好、施工简便、设计灵活等特点在“平改坡”改造工程中得到广泛地运用。此外在现代木结构楼盖和屋盖也多是采用普通轻型木桁架结构体系。所以普通轻型木桁架在我国建筑领域有着十分广阔的应用前景。

随着轻型木结构屋盖及楼盖的发展，建筑设计师们在追求屋盖与楼盖的便捷性的同时也越来越关注其空间感和外形的美感。所以一些大跨结构和悬挑结构也就应运而生。在这些复杂的楼盖与屋盖系统中往往存在一些特殊的桁架，这些桁架除了受到上部均布荷载外还受到其他与其搭接桁架传递的集中荷载，所以采用常规的轻型木桁架难以胜任。

传统的解决方案是采用钉连接的方式将几榀普通轻型木桁架组合成多榀木桁架，从而得到更大的承载能力。但钉一般是由铁制或者钢制，虽经电镀处理，但仍存在抗腐蚀能力不足的问题。而且钢制的钉子在抗火条件下所表现出力学性能迅速下降的特性也给建筑的安全带来隐患。此外通过钉连接的多榀木桁架施工繁复，不利于工厂的大规模生产。

技术实现要素：

本技术提供了一种抗蠕变能力强、残余变形量小、弹性恢复能力好、上下弦杆的节间的变形小、承载力高且稳定性好、具有良好的抗腐抗火性能、施工方便、能适应复杂受力环境的多榀木桁架。

本技术的多榀轻型木桁架，由两榀或两榀以上的普通轻型木桁架通过销连接件组合而成，各普通轻型木桁架结构相同，所述销连接件穿过各普通轻型木桁架的弦杆；所述的普通轻型木桁架是指由规格材作为桁架的杆件，节点采用齿板连接的木桁架。

上述的多榀轻型木桁架，多榀轻型木桁架的结构形式包含平行弦桁架、立柱式桁架、芬克式桁架以及豪威式桁架等所有现有的轻型木桁架结构形式。

上述的多榀轻型木桁架，所述的销连接件是由木材或竹材加工而成的圆柱形圆棒；其直径10-25mm，长度根据其所连接的多榀木桁架的榀数决定，根据实际工程需要其外周可带螺纹也可不带螺纹。

上述的多榀轻型木桁架，销连接件的钉入位置为每一榀桁架上下弦节间的中点。

上述的多榀轻型木桁架，在销连接件钉入每一榀桁架的上下弦杆处预先钻孔，孔径要略小于销连接件外径，销连接件与孔之间过盈配合。

上述的多榀轻型木桁架，钻孔前将各榀桁架组合摆放整齐并加以临时固定，对所有桁架同时钻孔，以保证加工精度。

上述的多榀轻型木桁架，销连接件可采用钉入或旋入等方式进入上下弦杆上的孔内。

本技术的有益效果：使用本技术的多榀木桁架可以按照现有的轻型木桁架施工技术进行现场安装。在解决了普通轻型木桁架在关键节点承载力不足的基础上克服了传统多榀木桁架的如下几点缺陷：

1、采用销连接的方式取代传统的钉接的方式，使得多榀木桁架的加工不再繁复，从而使多榀木桁架工业化大规模生产成为可能。

2、采用木制或竹制的销连接件替代传统的铁制连接件，从而解决了传统多榀木桁架抗腐、抗火性能差等缺陷。

3、突破了传统认为的钉连接多榀木桁架比木质或竹质销连接多榀木桁架承载力高、稳定性好的观点，通过试验证实，木质或竹质销连接多榀木桁架承载力远高于钉连接多榀木桁架。

4、突破了传统认为的钉连接多榀木桁架比木质或竹质销连接多榀木桁架抗蠕变能力、弹性恢复能力好的看法，通过试验证实，木质或竹质销连接多榀木桁架抗蠕变能力、弹性恢复能力比钉连接多榀木桁架更好，残余变形量也较小。

5、销连接多榀木桁架具有比钉连接多榀木桁架更优的侧向稳定性，钉连接多榀木桁架在临近破坏时，位移出现明显的陡增，而销连接多榀木桁架的位移变化相对比较平均，具有更好的延性。

附图说明

图1是将三个普通轻型木桁架1通过销连接件2串联成三榀平行弦轻型木桁架3过程示意图。

图2是将三个普通轻型木桁架4通过销连接件2串联成三榀芬克式轻型木桁架5过程示意图。

图3是普通轻型木桁架结构主视图。

图4是图3的左视图。

图5是钉连接件结构及尺寸图。

图6是试验加载制度图。

图7是测点布置图。

图8是T₁阶段荷载-位移图。

图9是T₂阶段荷载-位移图。

图10是钉连接多榀桁架T₁下弦荷载-挠度图。

图11是销连接多榀桁架T₁下弦荷载-挠度图。

图12是不同连接方式多榀桁架T₁下弦荷载-挠度对比。

图13是钉连接多榀桁架T₂下弦荷载-挠度图。

图14是销连接多榀桁架T₂下弦荷载-挠度图。

图15是不同连接方式多榀桁架标准加载阶段残余变形对比图。

图16是不同连接方式多榀桁架标准加载阶段蠕变量对比图。

图17是两榀桁架加载全过程位移-时间图。

图18是两类多榀木桁架承载力对比。

图19是破坏阶段两榀桁架的荷载-位移图。

具体实施方式

参见图1-2所示的多榀轻型木桁架。图1是将三个的普通轻型木桁架1通过木制或竹制的销连接件2在厚度方向串联而成三榀平行弦轻型木桁架3的过程示意图。图2是将三个的普通轻型木桁架4通过木制或竹制的销连接件2在厚度方向串联而成三榀芬克式轻型木桁架 5的过程示意图。加工时，先将各榀普通轻型木桁架排列整齐并加以临时固定。再在桁架的上下弦杆的各节间的中点钻孔6。孔径视组成桁架的木材材性而定，若材性较软，孔径可适当小些；若材性较硬，开孔孔径要适当大一些，但孔径不能大于25mm。开孔后将作为销连接件2的木制或竹制的圆柱形圆棒压入所开的孔6内。压入的方式可采用砸入或者旋入。

原理：1.桁架是一种平面结构的构件，桁架中各杆件的连接方式都可简化为铰接。所以简支的桁架在受上部荷载时，上弦杆一定是受压力，下弦杆一定是拉力，桁架内各腹杆也是以受拉力或压力为主。根据轴心受拉或受压(不考虑失稳破坏)构件承载力计算公式为f＝N/A，其中f表示在荷载作用下杆件内部产生的应力，N表示荷载的大小，A表示构件的净截面面积。从这个公式可以看出通过增大构件的净截面面积可以减小杆件内部的应力从而增大整个桁架的承载力。多榀木桁架就是利用这一原理，通过多榀组合的方式，增大构件的截面面积从而提高桁架的承载能力。

2.销连接的位置选在每一段弦杆的中间。这主要是由弦杆的受力特点决定的。若将每一段弦杆视为简支梁，在上部荷载作用下中间处的弯矩最大，剪力最小。而剪应力的计算公式: τ＝Q/A，其中Q表示剪力的大小，A表示受剪构件的剪切净截面，A的减小就意味着构件中的剪切应力的增加，所以应尽量在构件的剪力较小处开孔以防止构件的受剪破坏。

为了验证销连接多榀木桁架的承载性能以及相较于传统钉连接多榀木桁架的优势，对销连接多榀木桁架以及钉连接多榀木桁架进行对比试验。

一、试验介绍

试验针对两个多榀木桁架进行静载测试。两个多榀木桁架都是由两个单榀木桁架组成，组成的单榀木桁架尺寸完全相同，具体尺寸如图所示，钉与销的钉入位置如原理所述。

目前实际工程当中的做法是依据《轻型木桁架技术规范》(JGJ/T 265-2012)中第6章中对不同榀数桁架钉连接方式所作出的要求进行。但目前对于这种多榀木桁架的承载能力、抗变形能力、破坏机理以及最忧连接方式还存在众多疑惑。本次试验旨在通过两类不同连接方式的多榀木桁架静载测试，探索不同类型连接方式对多榀木桁架承载能力、抗变形能力以及破坏机理的影响。

二试验对象

2.1基材介绍

试验所用规格材为俄罗斯进口落叶松，强度等级为TC17-B，规格材材料性能见表1，材料性能出自《木结构设计规范》(GB5005-2003)。

表1试验规格材强度设计值和弹性模量(N/mm²)

所用齿板的性能如表2所示：

表2试验用齿板性能参数

2.2试件介绍

1桁架形式

本试验所选用的普通轻型木桁架也被称为齿板连接木桁架，其特点是采用规格材作为弦杆材料，用由镀锌钢板冲压而成的齿板进行连接，属于工程木制品。结构形式为现代木结构楼盖系统中应用最为广泛的平行弦木桁架，具体结构形式及尺寸如图3、4所示。图3-5中数字单位为mm。

2多榀轻型木桁架

多榀轻型木桁架由两榀普通轻型木桁架连接而成，所采用的连接方式有两种，一种是目前实际工程中常见的钉连接的方式；一种是采用木销连接。木销直径20mm，长度80mm；钉连接件的尺寸如图5所示：

依据之前的研究成果以及平行弦桁架的受力特点确定将钉连接和销连接的位置确定在每跨桁架的中间。

2.3加载方式及制度

多榀木桁架静载试验的结果与所采用的加载制度息息相关，由不同加载制度所得到的木桁架静载试验存在着很大差别。所以选用合理的与实际工况相符合的加载方式是十分重要的。本试验依据最新版《木结构试验方法标准》(GB/T 50329—2012)中的桁架试验方法，并结合理论计算，设计出如图6所示的加载制度图。

从图6可以看出，木桁架的静载试验采用的是分级加载的方式，共分为三个阶段，分别是T₁：预加载阶段；T₂:保压阶段；T₃：破坏阶段。其中T₁阶段起调试作用，可以保证整个加载系统能正常工作；T₂阶段为了研究木桁架在持续荷载作用下的抗蠕变性能；T₃阶段能够探求木桁架的极限承载能力、抗变形能力以及稳定性。图中所示的P_k为依据《木结构设计规范》 (GB5005-2003)以及《建筑荷载规范》(GB50009-2012)计算而得的轻型木桁架的承载力设计值，为2.3KN。为了体现出多榀木桁架较强的承载性能,本次试验采用2P_k即4KN作为加载基数,每级荷载0.8KN。

2.4测点布置

本实验通过十个位移传感器配合TDS数据采集仪，对各桁架在各阶段的变形情况进行持续、原位自动采集，采集频率为每10s钟采集一次。位移传感器布置位置如图7所示，其中节点C、D、E采用量程为100mm的位移传感器，节点B、F、I、J、K、L、M处均采用量程为 50mm的位移传感器。

三试验结果及分析

3.1抗变形能力

在《轻型木桁架技术规范》(JGJ/T 265-2012)中也对桁架在各类工况条件下的变形限值作了明确规定，这也是各类桁架必须满足的要求。此外，评价三榀桁架的抗变形能力，主要从三个角度来考虑。首先在标准荷载作用下，各桁架的变形情况；其次在持续荷载作用下，桁架的蠕变情况；最后考虑当持续荷载卸载之后，桁架的弹性恢复能力。下面就从这几个方面展开，分析两种多榀木桁架的抗变形能力。

1与规范比对

表3规范对照表

根据表3，两类多榀木桁架在标准荷载以及标准恒荷载的作用下，其各处的变形值都基本能满足《轻型木桁架技术规范》的要求。销连接多榀木桁架的各项指标均要低于钉连接多榀木桁架。其中在标准荷载作用下，销连接多榀木桁架的上下节间的变形值较钉连接多榀木桁架分别降低了50％、34％，这就说明销连接多榀木桁架较钉连接多榀木桁架各节点之间有更好的协同性，这也是销连接多榀木桁架承载力较高的原因之一。此外，在标准荷载以及标准恒荷载作用下下弦最大挠度分别降低了9％、20％，这就说明在建筑物正常使用极限状态下，销连接多榀木桁架拥有更好的抗变形能力，也就能适用于更大的跨度要求以及更复杂的工况条件。

2抗蠕变以及弹性恢复能力

上文已经介绍过，本次实验采用的是分级加载制度进行静载测试的，分别绘制出T₁、T₂阶段的荷载—挠度图，其大致的形状以及各拐点处的意义如图8、9所示。图中，ω₁及ω₂分别表示T₁、T₂阶段桁架的残余变形量；ε₁及ε₂分别表示T₁、T₂阶段桁架在持续荷载作用下蠕变的情况。

如图10所示，是钉连接多榀木桁架在T₁阶段下弦各节点的荷载-位移曲线。我们可以看出在预加载阶段桁架下弦的跨中节点D的挠度值最大为15.35mm，超过最小的E节点约60％， D节点处蠕变量也最大为3.8mm，超出最小的B节点约一倍。图11所示的是销连接多榀木桁架在T₁阶段下弦各节点的荷载-位移曲线。与钉连接一样，销连接多榀木桁架在预加载阶段的位移、蠕变量最大值也出现在跨中D节点处为14.13mm，其值超过最小的F节点约36％，最大的蠕变量为3.83mm，超过最小的B节点处62％。由以上数据可知，销连接多榀木桁架在T₁阶段，各节点间的挠度值及蠕变量间相互的差异要小于钉连接多榀木桁架，也就是销连接多榀木桁架较钉连接多榀木桁架有更好的协同性。

如图12，对比了两类多榀木桁架的荷载—挠度图，销连接多榀木桁架的位移值以及蠕变量均小于钉连接。

参见图13、14，通过对比两类桁架在T₂阶段的荷载—挠度曲线，我们同样能得出多榀木桁架采用销连接件可以收获更好的抗蠕变性能以及弹性恢复能力，图15、16可以较清楚地看出这一特性。而从图17可以看出，销连接多榀木桁架在各阶段跨中的变形值均小于钉连接多榀木桁架。

3.2承载力

其最终的破坏荷载如图18所示：

从图18可以看出，销连接多榀木桁架的承载力为9.8KN，而传统钉连接多榀木桁架的实际承载力仅为7.1KN。通过连接件的创新，使得多榀木桁架的承载力提高了38％。

3.3破坏形态

本次试验对两种不同类型的多榀木桁架进行静载测试，两种桁架表现出不同的破坏现象。传统钉连接多榀木桁架表现出很明显的失稳破坏的现象，而销连接多榀木桁架则是由于杆件的破坏导致桁架的整体破坏。

从破坏试验中我们可以看出钉连接多榀木桁架的破坏表现为整体的失稳倾覆破坏，而且侧倾力极大甚至导致钢支座的破坏。此外，销连接多榀木桁架在破坏时两榀木桁架仍保持原来的位置并未发生相互错动，由榉木制的销连接件没有发生破坏；而钉连接多榀木桁架在最终破坏时，桁架发生较明显的错动，并且钉子发生弯曲，出现一个塑性铰。这也说明多榀木桁架通过改进连接件较传统钉连接多榀木桁架，其整体协同性得到大大提高。而且钉连接属于紧固型连接件，而销连接属于非紧固连接件，可以通过销在销槽内的转动起到消能的效果，从而使多榀木桁架获得更优的侧向稳定性以及承载能力。

从图19所示的两榀桁架破坏阶段的荷载-位移曲线，可以看出钉连接多榀木桁架在临近破坏时，位移出现明显的陡增，而销连接多榀木桁架的位移变化相对比较平均，这就说明销连接多榀木桁架较钉连接多榀木桁架具有更好的延性。

四结论

①钉连接、销连接多榀木桁架都能满足《轻型木桁架技术规范》对挠度限值的要求，但是销连接多榀木桁架的上、下弦杆的节间的变形更小，说明销连接多榀木桁架具有更好的协同性。

②销连接多榀木桁架在各阶段的抗变形能力均小于钉连接多榀木桁架。且销连接多榀木桁架具有更好的抗蠕变能力，残余变形量也要小于钉连接多榀木桁架，多榀木桁架具有更好的弹性恢复能力。

③销连接多榀木桁架的承载能力也要强于钉连接多榀木桁架，承载力提高了约38％。

④销连接多榀木桁架还具有更好的稳定性，在破坏形式上也要优于钉连接多榀木桁架。