本技術(shù)涉及的是一種的多榀輕型木桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件，屬于木結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

建于上世紀80年代以后的商品住宅房，其屋頂大多采用平屋頂?shù)臉?gòu)造方式。由于年代久遠，目前普遍存在頂樓“冬冷夏熱”、雨水滲漏以及屋面臟亂等現(xiàn)象。這不僅給居民的日常生活帶來不便的同時也影響了城市的整體環(huán)境，與國家所倡導的生態(tài)城市的建設(shè)不相符。而通過“平改坡”改造工程可以妥善的解決這一問題。普通輕型木桁架(由規(guī)格材作為桁架的桿件，節(jié)點采用齒板連接的木桁架)由于其輕質(zhì)高強、抗震性能好、施工簡便、設(shè)計靈活等特點在“平改坡”改造工程中得到廣泛地運用。此外在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋和屋蓋也多是采用普通輕型木桁架結(jié)構(gòu)體系。所以普通輕型木桁架在我國建筑領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

隨著輕型木結(jié)構(gòu)屋蓋及樓蓋的發(fā)展，建筑設(shè)計師們在追求屋蓋與樓蓋的便捷性的同時也越來越關(guān)注其空間感和外形的美感。所以一些大跨結(jié)構(gòu)和懸挑結(jié)構(gòu)也就應(yīng)運而生。在這些復雜的樓蓋與屋蓋系統(tǒng)中往往存在一些特殊的桁架，這些桁架除了受到上部均布荷載外還受到其他與其搭接桁架傳遞的集中荷載，所以采用常規(guī)的輕型木桁架難以勝任。

傳統(tǒng)的解決方案是采用釘連接的方式將幾榀普通輕型木桁架組合成多榀木桁架，從而得到更大的承載能力。但釘一般是由鐵制或者鋼制，雖經(jīng)電鍍處理，但仍存在抗腐蝕能力不足的問題。而且鋼制的釘子在抗火條件下所表現(xiàn)出力學性能迅速下降的特性也給建筑的安全帶來隱患。此外通過釘連接的多榀木桁架施工繁復，不利于工廠的大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本技術(shù)提供了一種抗蠕變能力強、殘余變形量小、彈性恢復能力好、上下弦桿的節(jié)間的變形小、承載力高且穩(wěn)定性好、具有良好的抗腐抗火性能、施工方便、能適應(yīng)復雜受力環(huán)境的多榀木桁架。

本技術(shù)的多榀輕型木桁架，由兩榀或兩榀以上的普通輕型木桁架通過銷連接件組合而成，各普通輕型木桁架結(jié)構(gòu)相同，所述銷連接件穿過各普通輕型木桁架的弦桿；所述的普通輕型木桁架是指由規(guī)格材作為桁架的桿件，節(jié)點采用齒板連接的木桁架。

上述的多榀輕型木桁架，多榀輕型木桁架的結(jié)構(gòu)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現(xiàn)有的輕型木桁架結(jié)構(gòu)形式。

上述的多榀輕型木桁架，所述的銷連接件是由木材或竹材加工而成的圓柱形圓棒；其直徑10-25mm，長度根據(jù)其所連接的多榀木桁架的榀數(shù)決定，根據(jù)實際工程需要其外周可帶螺紋也可不帶螺紋。

上述的多榀輕型木桁架，銷連接件的釘入位置為每一榀桁架上下弦節(jié)間的中點。

上述的多榀輕型木桁架，在銷連接件釘入每一榀桁架的上下弦桿處預先鉆孔，孔徑要略小于銷連接件外徑，銷連接件與孔之間過盈配合。

上述的多榀輕型木桁架，鉆孔前將各榀桁架組合擺放整齊并加以臨時固定，對所有桁架同時鉆孔，以保證加工精度。

上述的多榀輕型木桁架，銷連接件可采用釘入或旋入等方式進入上下弦桿上的孔內(nèi)。

本技術(shù)的有益效果：使用本技術(shù)的多榀木桁架可以按照現(xiàn)有的輕型木桁架施工技術(shù)進行現(xiàn)場安裝。在解決了普通輕型木桁架在關(guān)鍵節(jié)點承載力不足的基礎(chǔ)上克服了傳統(tǒng)多榀木桁架的如下幾點缺陷：

1、采用銷連接的方式取代傳統(tǒng)的釘接的方式，使得多榀木桁架的加工不再繁復，從而使多榀木桁架工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。

2、采用木制或竹制的銷連接件替代傳統(tǒng)的鐵制連接件，從而解決了傳統(tǒng)多榀木桁架抗腐、抗火性能差等缺陷。

3、突破了傳統(tǒng)認為的釘連接多榀木桁架比木質(zhì)或竹質(zhì)銷連接多榀木桁架承載力高、穩(wěn)定性好的觀點，通過試驗證實，木質(zhì)或竹質(zhì)銷連接多榀木桁架承載力遠高于釘連接多榀木桁架。

4、突破了傳統(tǒng)認為的釘連接多榀木桁架比木質(zhì)或竹質(zhì)銷連接多榀木桁架抗蠕變能力、彈性恢復能力好的看法，通過試驗證實，木質(zhì)或竹質(zhì)銷連接多榀木桁架抗蠕變能力、彈性恢復能力比釘連接多榀木桁架更好，殘余變形量也較小。

5、銷連接多榀木桁架具有比釘連接多榀木桁架更優(yōu)的側(cè)向穩(wěn)定性，釘連接多榀木桁架在臨近破壞時，位移出現(xiàn)明顯的陡增，而銷連接多榀木桁架的位移變化相對比較平均，具有更好的延性。

附圖說明

圖1是將三個普通輕型木桁架1通過銷連接件2串聯(lián)成三榀平行弦輕型木桁架3過程示意圖。

圖2是將三個普通輕型木桁架4通過銷連接件2串聯(lián)成三榀芬克式輕型木桁架5過程示意圖。

圖3是普通輕型木桁架結(jié)構(gòu)主視圖。

圖4是圖3的左視圖。

圖5是釘連接件結(jié)構(gòu)及尺寸圖。

圖6是試驗加載制度圖。

圖7是測點布置圖。

圖8是T₁階段荷載-位移圖。

圖9是T₂階段荷載-位移圖。

圖10是釘連接多榀桁架T₁下弦荷載-撓度圖。

圖11是銷連接多榀桁架T₁下弦荷載-撓度圖。

圖12是不同連接方式多榀桁架T₁下弦荷載-撓度對比。

圖13是釘連接多榀桁架T₂下弦荷載-撓度圖。

圖14是銷連接多榀桁架T₂下弦荷載-撓度圖。

圖15是不同連接方式多榀桁架標準加載階段殘余變形對比圖。

圖16是不同連接方式多榀桁架標準加載階段蠕變量對比圖。

圖17是兩榀桁架加載全過程位移-時間圖。

圖18是兩類多榀木桁架承載力對比。

圖19是破壞階段兩榀桁架的荷載-位移圖。

具體實施方式

參見圖1-2所示的多榀輕型木桁架。圖1是將三個的普通輕型木桁架1通過木制或竹制的銷連接件2在厚度方向串聯(lián)而成三榀平行弦輕型木桁架3的過程示意圖。圖2是將三個的普通輕型木桁架4通過木制或竹制的銷連接件2在厚度方向串聯(lián)而成三榀芬克式輕型木桁架 5的過程示意圖。加工時，先將各榀普通輕型木桁架排列整齊并加以臨時固定。再在桁架的上下弦桿的各節(jié)間的中點鉆孔6?？讖揭暯M成桁架的木材材性而定，若材性較軟，孔徑可適當小些；若材性較硬，開孔孔徑要適當大一些，但孔徑不能大于25mm。開孔后將作為銷連接件2的木制或竹制的圓柱形圓棒壓入所開的孔6內(nèi)。壓入的方式可采用砸入或者旋入。

原理：1.桁架是一種平面結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，桁架中各桿件的連接方式都可簡化為鉸接。所以簡支的桁架在受上部荷載時，上弦桿一定是受壓力，下弦桿一定是拉力，桁架內(nèi)各腹桿也是以受拉力或壓力為主。根據(jù)軸心受拉或受壓(不考慮失穩(wěn)破壞)構(gòu)件承載力計算公式為f＝N/A，其中f表示在荷載作用下桿件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，N表示荷載的大小，A表示構(gòu)件的凈截面面積。從這個公式可以看出通過增大構(gòu)件的凈截面面積可以減小桿件內(nèi)部的應(yīng)力從而增大整個桁架的承載力。多榀木桁架就是利用這一原理，通過多榀組合的方式，增大構(gòu)件的截面面積從而提高桁架的承載能力。

2.銷連接的位置選在每一段弦桿的中間。這主要是由弦桿的受力特點決定的。若將每一段弦桿視為簡支梁，在上部荷載作用下中間處的彎矩最大，剪力最小。而剪應(yīng)力的計算公式: τ＝Q/A，其中Q表示剪力的大小，A表示受剪構(gòu)件的剪切凈截面，A的減小就意味著構(gòu)件中的剪切應(yīng)力的增加，所以應(yīng)盡量在構(gòu)件的剪力較小處開孔以防止構(gòu)件的受剪破壞。

為了驗證銷連接多榀木桁架的承載性能以及相較于傳統(tǒng)釘連接多榀木桁架的優(yōu)勢，對銷連接多榀木桁架以及釘連接多榀木桁架進行對比試驗。

一、試驗介紹

試驗針對兩個多榀木桁架進行靜載測試。兩個多榀木桁架都是由兩個單榀木桁架組成，組成的單榀木桁架尺寸完全相同，具體尺寸如圖所示，釘與銷的釘入位置如原理所述。

目前實際工程當中的做法是依據(jù)《輕型木桁架技術(shù)規(guī)范》(JGJ/T 265-2012)中第6章中對不同榀數(shù)桁架釘連接方式所作出的要求進行。但目前對于這種多榀木桁架的承載能力、抗變形能力、破壞機理以及最憂連接方式還存在眾多疑惑。本次試驗旨在通過兩類不同連接方式的多榀木桁架靜載測試，探索不同類型連接方式對多榀木桁架承載能力、抗變形能力以及破壞機理的影響。

二試驗對象

2.1基材介紹

試驗所用規(guī)格材為俄羅斯進口落葉松，強度等級為TC17-B，規(guī)格材材料性能見表1，材料性能出自《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB5005-2003)。

表1試驗規(guī)格材強度設(shè)計值和彈性模量(N/mm²)

所用齒板的性能如表2所示：

表2試驗用齒板性能參數(shù)

2.2試件介紹

1桁架形式

本試驗所選用的普通輕型木桁架也被稱為齒板連接木桁架，其特點是采用規(guī)格材作為弦桿材料，用由鍍鋅鋼板沖壓而成的齒板進行連接，屬于工程木制品。結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的平行弦木桁架，具體結(jié)構(gòu)形式及尺寸如圖3、4所示。圖3-5中數(shù)字單位為mm。

2多榀輕型木桁架

多榀輕型木桁架由兩榀普通輕型木桁架連接而成，所采用的連接方式有兩種，一種是目前實際工程中常見的釘連接的方式；一種是采用木銷連接。木銷直徑20mm，長度80mm；釘連接件的尺寸如圖5所示：

依據(jù)之前的研究成果以及平行弦桁架的受力特點確定將釘連接和銷連接的位置確定在每跨桁架的中間。

2.3加載方式及制度

多榀木桁架靜載試驗的結(jié)果與所采用的加載制度息息相關(guān)，由不同加載制度所得到的木桁架靜載試驗存在著很大差別。所以選用合理的與實際工況相符合的加載方式是十分重要的。本試驗依據(jù)最新版《木結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(GB/T 50329—2012)中的桁架試驗方法，并結(jié)合理論計算，設(shè)計出如圖6所示的加載制度圖。

從圖6可以看出，木桁架的靜載試驗采用的是分級加載的方式，共分為三個階段，分別是T₁：預加載階段；T₂:保壓階段；T₃：破壞階段。其中T₁階段起調(diào)試作用，可以保證整個加載系統(tǒng)能正常工作；T₂階段為了研究木桁架在持續(xù)荷載作用下的抗蠕變性能；T₃階段能夠探求木桁架的極限承載能力、抗變形能力以及穩(wěn)定性。圖中所示的P_k為依據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 (GB5005-2003)以及《建筑荷載規(guī)范》(GB50009-2012)計算而得的輕型木桁架的承載力設(shè)計值，為2.3KN。為了體現(xiàn)出多榀木桁架較強的承載性能,本次試驗采用2P_k即4KN作為加載基數(shù),每級荷載0.8KN。

2.4測點布置

本實驗通過十個位移傳感器配合TDS數(shù)據(jù)采集儀，對各桁架在各階段的變形情況進行持續(xù)、原位自動采集，采集頻率為每10s鐘采集一次。位移傳感器布置位置如圖7所示，其中節(jié)點C、D、E采用量程為100mm的位移傳感器，節(jié)點B、F、I、J、K、L、M處均采用量程為 50mm的位移傳感器。

三試驗結(jié)果及分析

3.1抗變形能力

在《輕型木桁架技術(shù)規(guī)范》(JGJ/T 265-2012)中也對桁架在各類工況條件下的變形限值作了明確規(guī)定，這也是各類桁架必須滿足的要求。此外，評價三榀桁架的抗變形能力，主要從三個角度來考慮。首先在標準荷載作用下，各桁架的變形情況；其次在持續(xù)荷載作用下，桁架的蠕變情況；最后考慮當持續(xù)荷載卸載之后，桁架的彈性恢復能力。下面就從這幾個方面展開，分析兩種多榀木桁架的抗變形能力。

1與規(guī)范比對

表3規(guī)范對照表

根據(jù)表3，兩類多榀木桁架在標準荷載以及標準恒荷載的作用下，其各處的變形值都基本能滿足《輕型木桁架技術(shù)規(guī)范》的要求。銷連接多榀木桁架的各項指標均要低于釘連接多榀木桁架。其中在標準荷載作用下，銷連接多榀木桁架的上下節(jié)間的變形值較釘連接多榀木桁架分別降低了50％、34％，這就說明銷連接多榀木桁架較釘連接多榀木桁架各節(jié)點之間有更好的協(xié)同性，這也是銷連接多榀木桁架承載力較高的原因之一。此外，在標準荷載以及標準恒荷載作用下下弦最大撓度分別降低了9％、20％，這就說明在建筑物正常使用極限狀態(tài)下，銷連接多榀木桁架擁有更好的抗變形能力，也就能適用于更大的跨度要求以及更復雜的工況條件。

2抗蠕變以及彈性恢復能力

上文已經(jīng)介紹過，本次實驗采用的是分級加載制度進行靜載測試的，分別繪制出T₁、T₂階段的荷載—撓度圖，其大致的形狀以及各拐點處的意義如圖8、9所示。圖中，ω₁及ω₂分別表示T₁、T₂階段桁架的殘余變形量；ε₁及ε₂分別表示T₁、T₂階段桁架在持續(xù)荷載作用下蠕變的情況。

如圖10所示，是釘連接多榀木桁架在T₁階段下弦各節(jié)點的荷載-位移曲線。我們可以看出在預加載階段桁架下弦的跨中節(jié)點D的撓度值最大為15.35mm，超過最小的E節(jié)點約60％， D節(jié)點處蠕變量也最大為3.8mm，超出最小的B節(jié)點約一倍。圖11所示的是銷連接多榀木桁架在T₁階段下弦各節(jié)點的荷載-位移曲線。與釘連接一樣，銷連接多榀木桁架在預加載階段的位移、蠕變量最大值也出現(xiàn)在跨中D節(jié)點處為14.13mm，其值超過最小的F節(jié)點約36％，最大的蠕變量為3.83mm，超過最小的B節(jié)點處62％。由以上數(shù)據(jù)可知，銷連接多榀木桁架在T₁階段，各節(jié)點間的撓度值及蠕變量間相互的差異要小于釘連接多榀木桁架，也就是銷連接多榀木桁架較釘連接多榀木桁架有更好的協(xié)同性。

如圖12，對比了兩類多榀木桁架的荷載—撓度圖，銷連接多榀木桁架的位移值以及蠕變量均小于釘連接。

參見圖13、14，通過對比兩類桁架在T₂階段的荷載—撓度曲線，我們同樣能得出多榀木桁架采用銷連接件可以收獲更好的抗蠕變性能以及彈性恢復能力，圖15、16可以較清楚地看出這一特性。而從圖17可以看出，銷連接多榀木桁架在各階段跨中的變形值均小于釘連接多榀木桁架。

3.2承載力

其最終的破壞荷載如圖18所示：

從圖18可以看出，銷連接多榀木桁架的承載力為9.8KN，而傳統(tǒng)釘連接多榀木桁架的實際承載力僅為7.1KN。通過連接件的創(chuàng)新，使得多榀木桁架的承載力提高了38％。

3.3破壞形態(tài)

本次試驗對兩種不同類型的多榀木桁架進行靜載測試，兩種桁架表現(xiàn)出不同的破壞現(xiàn)象。傳統(tǒng)釘連接多榀木桁架表現(xiàn)出很明顯的失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象，而銷連接多榀木桁架則是由于桿件的破壞導致桁架的整體破壞。

從破壞試驗中我們可以看出釘連接多榀木桁架的破壞表現(xiàn)為整體的失穩(wěn)傾覆破壞，而且側(cè)傾力極大甚至導致鋼支座的破壞。此外，銷連接多榀木桁架在破壞時兩榀木桁架仍保持原來的位置并未發(fā)生相互錯動，由櫸木制的銷連接件沒有發(fā)生破壞；而釘連接多榀木桁架在最終破壞時，桁架發(fā)生較明顯的錯動，并且釘子發(fā)生彎曲，出現(xiàn)一個塑性鉸。這也說明多榀木桁架通過改進連接件較傳統(tǒng)釘連接多榀木桁架，其整體協(xié)同性得到大大提高。而且釘連接屬于緊固型連接件，而銷連接屬于非緊固連接件，可以通過銷在銷槽內(nèi)的轉(zhuǎn)動起到消能的效果，從而使多榀木桁架獲得更優(yōu)的側(cè)向穩(wěn)定性以及承載能力。

從圖19所示的兩榀桁架破壞階段的荷載-位移曲線，可以看出釘連接多榀木桁架在臨近破壞時，位移出現(xiàn)明顯的陡增，而銷連接多榀木桁架的位移變化相對比較平均，這就說明銷連接多榀木桁架較釘連接多榀木桁架具有更好的延性。

四結(jié)論

①釘連接、銷連接多榀木桁架都能滿足《輕型木桁架技術(shù)規(guī)范》對撓度限值的要求，但是銷連接多榀木桁架的上、下弦桿的節(jié)間的變形更小，說明銷連接多榀木桁架具有更好的協(xié)同性。

②銷連接多榀木桁架在各階段的抗變形能力均小于釘連接多榀木桁架。且銷連接多榀木桁架具有更好的抗蠕變能力，殘余變形量也要小于釘連接多榀木桁架，多榀木桁架具有更好的彈性恢復能力。

③銷連接多榀木桁架的承載能力也要強于釘連接多榀木桁架，承載力提高了約38％。

④銷連接多榀木桁架還具有更好的穩(wěn)定性，在破壞形式上也要優(yōu)于釘連接多榀木桁架。