1 结构体系

轻型木结构是由构件断面较小的规格材均匀密布连接组成的一种结构形式，由主要结构构件(结构骨架)和次要结构构件(墙面板、楼面板和屋面板)共同作用、承受各种荷载, 最后将荷载传递到基础上，具有经济、安全、结构布置灵活的特点(何敏娟等，2004)。这些密置的骨架构件既是结构的主要受力体系，又是内、外墙面和楼屋面面层的支撑构架，还为安装保温隔热层、穿越各种管线提供了空间。结构强度通过主要结构构件和次要结构构件共同作用得到(刘晶波等，2008)。

轻型木结构体系主要有2种结构形式：连续墙骨框架式和平台框架式，其中平台框架式是现在的主流结构形式。平台框架式轻型木结构是将楼盖和墙体分开建造，因此已建成的楼盖可以作为上部墙体施工时的工作平台(龙卫国等，2005)。

2 设计方法

国际上，木结构的设计方法有2种：一种是容许应力设计法(allowable stress design methods，简称ASD设计法)，另一种是荷载及抗力系数设计法(load and resistance factor design methods，简称LRFD设计法)(丁成章，2006)。ASD设计法是以估计荷载作为设计荷载，而将试验所得材料抗力值进行调整后作为材料设计强度，要求设计荷载小于或等于调整后抗力，保证结构具有规定的安全度；而LRFD设计法是一种概率设计法，根据木结构功能上的要求，规定2种极限状态，即正常使用极限状态和承载能力极限状态。正常使用极限状态根据使用功能评价结构，采用荷载的标准值；承载能力极限状态则从概率论的角度定量地考察结构或构件失效的可能性，其具体思路是将估计荷载乘以荷载系数(大于1)作为荷载设计值，而将构件抗力试验值乘以可靠系数(小于1)作为抗力设计值。要求荷载设计值小于等于抗力设计值，从而保证构件的承载能力。利用LRFD方法计算的优点在于，对于同一个结构，利用LRFD方法比利用ASD方法减少用材，降低造价(Donald et al., 2006)。我国木结构设计方法基本属于LRFD方法，以概率理论为基础，使用可靠度指标β度量结构构件可靠度，采用分项系数的设计表达式。

本文基于LRFD法对一栋平台框架式木结构建筑进行设计方法探讨，希望通过具体的设计操作，展示我国木结构设计的特点和有待改进之处。本文所涉及的建筑是采用北美平台框架式建筑技术，建造于哈尔滨市东北林业大学内。建筑为单层住宅，面积30 m²，总高度4.3 m。由于地处东北林区，考虑到资源的丰富性、物理性能、价格等方面因素，结构主体框架材料采用兴安落叶松(Larix gmelinii)规格材，木基结构板材采用OSB，买于牡丹江，为针阔混杂原料，保温材料为东北林业大学研制的稻草/PS复合保温材，含水率控制在15%~20%范围内。建筑的立面图和平面图如图 1~5。

2.1 荷载计算

平台框架式木结构设计首先要确定该结构所承受的荷载，并对所取荷载进行组合。荷载确定的依据是《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)和《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)。

住宅承受的荷载有以下3类：一是永久荷载，为各构件、设备等的自重，应按照所用材料查表确定；二是可变荷载，如楼面活荷载、屋面活荷载、风荷载、雪荷载、施工荷载等，应按照结构性质查表确定；三是偶然荷载，如结构可能遇到的爆炸力、撞击力等，应根据建筑结构使用的特点确定。

本轻型木结构建筑根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)附表D.4，取n=50，此地的基本雪压为0.45 kN·m^-2，基本风压0.55 kN·m^-2。其他的荷载设计值为：地面粗糙度为B级，抗震设防烈度为7度第二组，设计基本地震加速度值为0.10 g，场地类别为Ⅲ级。

2.1.1 永久荷载计算

根据结构所使用的材料，现将各部分系统所承受的静荷载计算如下。

1) 屋面系统 彩色钢板波形瓦：0.3 kN·m^-2；12 mm OSB：0.075 kN·m^-2；木桁架：0.1 kN·m^-2；2 mm×12 mm石膏天花板：0.2 kN·m^-2。

2) 底层楼面系统 地毯：0.1 kN·m^-2；12 mm OSB：0.075 kN·m^-2；40 mm×235 mm间距300 mm搁栅：0.12 kN·m^-2。

3) 墙体系统 外墙——12 mm石膏板：0.125 kN·m^-2；12 mm OSB：0.075 kN·m^-2；40 mm×90 mm间距400 mm墙骨柱：0.12 kN·m^-2；彩钢板外墙面：0.075 kN·m^-2；自制墙体保温材料：0.313 kN·m^-2。内隔墙——12 mm石膏板(2层)：0.25 kN·m^-2；40 mm×90 mm间距400 mm墙骨柱：0.12 kN·m^-2；自制墙体保温材料：0.313 kN·m^-2。

2.1.2 可变荷载计算

1) 雪荷载标准值：S_k＝μ_rS₀=0.45 kN·m^-2。式中：μ_r为屋面积雪分布系数；S₀为基本雪压(kN·m^-2)。屋面积雪分布系数根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)中表 6.2.1，参照建筑外形，选择单跨双坡屋面类别，按照均匀分布的情况，取值为1.0。基本雪压如前所述取值0.45 kN·m^-2。

2) 屋面活荷载标准值：本例为不上人屋面，故活荷载为0.5 kN·m^-2。

3) 风荷载标准值：W_k＝β_zμ_sμ_zW₀。式中：β_z为风振系数，取1.0；μ_s为风荷载体型系数，具体数值见图 6；μ_z为风压高度变化系数，B类地面粗糙度，离地高度4 m，故取值1.0；W₀为基本风压，为0.55 kN·m^-2；故W_k=0.55 μ_s kPa。

参照图 6以及上面有关风荷载的公式，此建筑的风荷载标准值如图 7。由图 7可以得出屋盖和楼面具体的风荷载：

① 屋盖的水平风荷载

横向：F_H＝[(0.44+0.28)×(2.7/2+0.4)+(0.28-0.09)×sin 26°×1.2]×6=8.16 kN；

纵向：F_Z＝(0.44+0.28)×(2.7/2+0.4+1.2/2)×5=8.46 kN。

② 屋盖的竖向风荷载

F_up=(0.09×3.235+0.28×3.235)×cos 26°×6=6.48 kN。

③ 楼面的水平风荷载

横向：F_1-H=(0.44+0.28)×(2.7/2)×6＝5.832 kN；

纵向：F_1-Z=(0.44×0.28)×(2.7/2)×5=4.86 kN。

4) 地震作用：采用底部剪力法计算，

式中：水平地震影响系数, 其中, T_g=0.55，η₂=1.0, T=0.05 H^0.75=0.15 (见GB 50005-2003第9.2.2条)，由于0.1 < T=0.15 < T_g＝0.55，所以α₁=η₂α_max=0.08；δ_n为顶部附加地震作用系数，δ_n=0.0；G_eq为结构等效总重力荷载，多质点可取总重力荷载代表值的85%。

①G_eq的计算

屋盖和楼面自重：G_roof=A_roof×D_roof=38.82×0.675=26.2 kN, G_floor=A_floorD_floor=30×0.31=9.3 kN。外墙和内墙自重：G_外=(2×5×0.708+2×6×0.708)×2.7=42.09 kN, G_内=(3×0.683+2×0.683)×2.7=9.22 kN。

根据上面运算，则屋盖和楼面质点自重分别为：G_2-eq=G_roof+0.5×A_roof×0.5+0.5×(G_外+G_内)=61.56 kN, G_1-eq=G_floor+0.5×A_floor×2.0+0.5×(G_外+ G_内)=49.0 kN。从而得出结构等效总重力荷载：G_eq=0.85×(G_2-eq+G_1-eq)=93.98 kN。

②F_i的计算

2.2 结构构件设计

对于轻型木结构，一般假定由规格材或工程木产品组成的木构架承受竖向荷载，由木基结构板材和木框架组成的楼、屋盖和剪力墙承受水平荷载。

2.2.1 屋架设计

轻型木桁架通常采用结构分析软件来进行设计，如Woodwork和Mitek，但都是以美国和加拿大的设计规范编写，不仅价格昂贵，而且与我国的实际国情有很大出入, 并且多与木结构产品捆绑销售(杨国平，2006)。因此，本例中的木桁架通过理论力学的三角形法则进行计算。

本例的木桁架的基本结构如下：屋面坡度为26°，屋架间距为600 mm，采用兴安落叶松规格材，材质等级为Ⅲ_c，上弦杆选用40 mm×140 mm规格材，下弦杆及腹杆选用40 mm×90 mm规格材，节点齿板为SK-20，上弦杆及跨中的腹杆上设有40 mm×90 mm侧向支撑(图 8)，以保证侧向稳定性。

作用于上弦杆的永久荷载为0.375 kN·m^-2，下弦杆的永久荷载为0.3 kN·m^-2，屋面活荷载标准值为0.5 kN·m^-2。经计算，永久荷载加全跨可变活荷载的荷载组合为最不利荷载组合。由计算结果，所有上弦杆、下弦杆及腹杆均满足设计要求。由桁架杆件内力可以得到用于齿板节点设计的节点内力，设计出齿板节点连接的尺寸根据《木结构设计规范》(GB 50005-2003)6.3节中有关齿板连接的规定，均满足设计要求。

2.2.2 屋盖设计

屋盖结构单元由厚12 mm的胶合板和屋架组合而成，面板边缘钉的间距为150 mm。中间支座处的钉间距为300 mm，由于东西立面与南北立面的长度相差不大，设计由其共同控制。假设在东西立面(长度方向上)所产生的侧向力均匀，则作用在屋盖上横向的水平荷载设计值为W_f=1.4×14.0/6=3.27 kN·m^-1。

1) 屋盖抗剪承载力验算 由《木结构设计规范》(GB 50005-2003)附录P知屋盖的设计抗剪承载力为：V＝f_dB=f_vdk₁k₂B, 式中：k₁=1.0，k₂=1.0(落叶松类)，B≈5 m。

由规范GB 50005-2003附表P.0.1查得f_wd=6.4 kN·m^-1，所以沿A轴线的设计抗剪承载力为：V=f_dB=32 kN；而实际的水平荷载为0.5×3.27×5＝8.175 kN，由此可见屋盖满足抗剪承载力要求。

2) 屋盖边界杆件承载力验算 屋盖边界杆件由外墙的双层顶梁板40 mm×90 mm Ⅱ_c/Ⅲ_c级落叶松规格材组成，查木结构设计手册得出落叶松的性能如下：抗弯f_m=15.3 N·mm^-2, 顺纹抗压f_c＝13.5 N·mm^-2，顺纹抗拉f_t=8.55 N·mm^-2，顺纹抗剪f_v= 1.44 N·mm^-2, 横纹承压f_{c, 90}=2.07 N·mm^-2，弹性模量E=10 000 N·mm^-2(中国林业科学研究院木材工业研究所，1984)。

沿A~C轴线间的边界杆件承受的轴向力设计值：。由于杆件的抗拉承载力低于抗压承载力，故边界杆件的轴向承载力由抗拉承载力控制：N_t=2×40×90×8.55×1.5×10^-3=92.3 kN>2.943 kN。

2.2.3 墙体结构设计

1) 外墙墙骨设计 外墙墙骨为40 mm×90 mm Ⅱ_c/Ⅲ_c级落叶松，墙骨柱间距为400 mm，墙骨柱的计算长度为l=2.7 m，其计算简图及节点图见图 9。

作用在屋面的竖向荷载设计值：S＝1.2×0.675+1.4×0.5=0.81+0.7=1.51 kN·m^-2，每根墙骨柱承受的荷载设计值为：N＝0.4×1.51×5/2=1.51 kN；风荷载设计值为：ω＝1.4×0.44×0.4=0.246 kN·m^-1；；按强度验算：; 按稳定性验算：，式中：，所以；故该墙骨柱的稳定性：, 故稳定性满足要求。

2) 剪力墙设计 剪力墙为左侧墙，由墙骨柱、顶梁板和地梁板以及墙面板组成。剪力墙长为6 m，墙骨柱为40 mm×90 mm Ⅱ_c/Ⅲ_c级落叶松，墙面板为12 mm OSB，面板边缘钉间距为150 mm。经计算，风荷载作用下墙承受的剪力设计值为12.5 kN。

① 剪力墙抗剪承载力验算

由规范GB 50005-2003附录Q知剪力墙的设计抗剪承载力为：V=f_dl=(f_vdk₁k₂k₃)l, 式中：k₁=1.0，k₂=1.0，k₃=0.8；由规范GB 50005-2003附表Q.0.1-1查得f_vd＝4.7，所以，f_d=f_vdk₁k₂k₃=4.7×1×1×0.8=3.76 kN·m^-1；V_r=f_dl＝3.76×6=22.56 kN>V_f＝12.5 kN。

② 剪力墙边界杆件承载力验算

剪力墙的边界杆件为剪力墙边界墙骨柱，为3根40 mm×90 mm Ⅱ_c/Ⅲ_c级落叶松规格材。边界杆件承受的设计轴向力为：N_f＝12.5×2.7/6=5.625 kN。由于杆件的抗拉承载力低于抗压承载力，故边界杆件的轴向承载力由抗拉承载力控制：N_t＝3×40×90×8.55×1.5×10^-3＝138.6 kN>N_f。

③ 剪力墙连接件验算

连接件与基础的连接 连接件与基础的连接由一个M16C级普通螺栓承受。根据钢结构设计规范GB 50017-2003，普通螺栓的抗拉强度设计值为f_t^b＝170 N·mm^-2，故螺栓承载力设计值： ×170×10^-3＝34.16 kN>5.615 kN。

连接件与墙骨柱的连接 连接件与墙骨柱的连接由2个M10C级普通螺栓连接传递，则：N_v＝k_vd² , 式中：k_v＝7.5，所以N_c＝k_vd²

墙骨柱螺栓连接处偏心受拉验算 偏心弯矩M＝M_fe＝5.625×0.04=0.225 kN·m, 由规范GB 50005-2003式(5.3.1)：。

2.2.4 楼面结构设计

1) 木搁栅选用和设计 楼面简支规格材木搁栅计算跨度3 m，在3 m处下设有基础墙并布置底梁板以支撑木搁，栅搁栅间距为300 mm，楼面恒荷载为1.754 kN·m^-2，均布活荷载标准值为2.0 kN·m^-2，采用落叶松木材，经计算该楼面简支规格材木搁栅可选用40 mm×235 mm的截面，考虑到我国无此截面的规格材，故采用采用胶合方式来制备。

搁栅的间距为300 mm，支承在基础墙上，见图 10。作用在楼面的竖向荷载设计值为：S＝1.2×1.754+1.4×2.0=4.9 kN·m^-2。搁栅为40 mm×235 mm Ⅱ_c/Ⅲ_c级落叶松，搁栅的自重设计值为：1.2×6.5×0.04×0.235=0.073 kN·m^-1。故搁栅承受的均布荷载设计值为：g+q=0.3×4.9+0.073=1.543 kN·m^-1；M= 。

① 弯曲强度验算

② 剪切强度验算

③ 变形验算

荷载标准值S=1.754+2.0=3.754 kN·mm^-2；g+q=0.3×3.754+6.5×0.04+0.235=1.62 kN·m^-1＝1.62 N·mm^-1；

④ 支承处局部受压验算

由上可见，木搁栅符合设计要求。

2) 楼面设计 楼面系统由搁栅以及12 mm厚的OSB楼面板组成，面板边缘钉的间距为150 mm。由于东西立面的长度与南北立面的长度相差不大，但楼面受横向荷载的作用较大，所以楼面的设计由作用在横向的荷载控制。假设所产生的侧向力均匀分布，则作用在楼面上的横向的水平荷载设计值为ω_fH=1.4×5.832/6=1.36 kN·m^-1。

① 楼面侧向抗剪力承载力验算

由规范GB 50005-2003附录P知楼面的设计抗剪承载力为：V=f_dB=f_vdk₁k₂B。式中：k₁＝1.0，k₂＝1.0(落叶松类)，B＝5 m。

由规范GB 50005-2003附表P.0.1查得f_vd＝7.6 kN·m^-1，所以沿轴线的设计抗剪承载力为：V＝f_dB＝(7.6×1.0×1.0)×6=45.6 kN>0.5×1.36×6=40.8 kN。

② 楼面边界杆件承载力验算

楼面的边界杆件由基础的地梁板组成，具体连接方式见图 11。地梁板为单层80 mm×203 mm Ⅱ_c/Ⅲ_c级落叶松规格材，考虑到国内无此尺寸规格材，采用胶合方式制备。沿A~C轴线间的边界杆件承受的轴向力设计值为：

由于杆件的抗拉承载力低于抗压承载力，故边界杆件的轴向承载力由抗拉承载力控制：

故该楼面系统满足设计要求。

2.2.5 保温设计

适当选择保温材料，木结构很容易实现保温隔热的目标。轻型木结构的保温性能主要是通过在墙体之间根据要求放置隔热层、保温材料来实现，本文所使用的保温材料为自己研制开发的稻草/PS层合复合材料，当稻草板、PS板、稻草板的厚度分布为20，40和20 mm时，其热阻值为1.13 m²·KW^-1，与50 cm厚砖墙的热阻值相比，其保温性能优于50 cm厚的砖墙的保温性能(许民等，2007)。

和国内通常采用的砖混和水泥墙体的隔热效果相比，现代木质建筑的墙体就像保温瓶胆，而普通砖混或水泥墙体就像玻璃杯。木质建筑的墙体材料的保温御寒性能有助于大大节省空调数量。

3 结果与讨论

通过本文的设计步骤可以看出我国现代木结构的设计中主要存在以下几个问题：1)在结构主体框架材料的设计选用中，国产常用建筑木材缺少足够的设计数据以供参考；2)缺少适合我国国情的设计软件，因此极大的增加了木结构设计的工作量；3)我国木结构的设计基本都是基于结构的设计理论，基于性能的现代木结构设计研究还处于空白，而一些国外学者已经做出了许多研究(Filiatrault et al., 2000)；4)针对轻型木结构中节点的通用连接件的研究我国尚处于起步阶段，并且缺少根据我国国情设计的连接件，应建立国产木结构建筑的连接设计体系(陈恩灵等，2007)；5)计算机辅助、数学模型的引入，将大大加快木结构的设计和建造，国外学者在这方面做了大量工作，而我国还处于起步阶段(周海宾等，2006)。

平台框架式木结构住宅在我国还属新鲜事物，近年来得到迅速发展(任海青等，2006)。在我国已经出现一些商业使用的木结构建筑住宅，但现有以及正在建设的木结构住宅都是基于国外的设计和建造技术，距真正的国产化还有很大的距离，极大的影响了我国木结构的发展。希望本文能够给从事木结构住宅工作的研究人员、技术工程师和房地产开发商起到抛砖引玉的作用，能够使更多的有志之士加入到木结构的研究发展中来。