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第一章 木结构建筑与设计准则

1.1引言

用木材建造的建筑物可能比其他任何建筑材料都要多。这些建筑中有许多是单户住宅，但是许多较大的公寓楼以及商业和工业建筑也使用木框架。

木材在建筑中广泛运用既有经济基础，也有美学基础。与其他类型的结构建筑相比，木结构建筑因为用最少的专业设备建造从而具有极大的竞争力。另一方面，从建筑角度考虑，裸露的木材的美观和温暖度其他材料很难与之相提并论。

木结构建筑已经从一种用于原始遮蔽场所的方法发展成为一种主要的结构设计领域。然而，与钢结构和钢筋混凝土设计相比，木结构设计在大多数高校并没有得到足够的重视。

这本书主题是介绍木框架房屋建筑中如何进行木构设计。虽然讨论的重点是房屋设计，但这些概念也适用于其他类型的木结构的设计。房屋建筑设计的最终责任在于结构工程师。然而，这本书是为了向广大读者介绍这一主题而写的。这包括工程师、工程技术人员、建筑师和其他与房屋设计有关的人。这本书需要在充分掌握了静力学和材料强度的基础上学习。大多数木结构建筑是高次静定的结构，但是为了简化设计，假定是由静定构件组成的。因此，学习这本书必须具备分析简单的桁架、梁和框架的能力。

1.2建筑类型

有各种类型的框架体系—可用于木建筑。最常见的木结构建筑是使用水平横隔板和垂直剪力墙体系来抵抗侧向力，这本书专门讨论了这种基本类型的建筑设计。曾经，建筑规范将剪力墙建筑归类为箱形结构，这是对这种结构抵抗侧向力的很好的一个物理描述。然而，建筑规范已经放弃了这个术语，并且大多数木结构剪力墙建筑现在被归类为承重墙体系。在第三章解释了剪力墙和隔板体系与其他体系的区别。

其他类型的木建筑体系，如胶合木拱和柱框架(或杆)建筑，超出了这本书的具体范围。我们认为，设计师首先应该对基本的剪力墙建筑的性能和应用于其上的设计过程，有一个深刻的理解。在这样的背景之下，设计者可以从当前可用的资源(例如，参考文献1.4和1.10)中获得其他体系的设计技术。

基本的承重墙体系可以完全由木构件构成。见图1.1。这里的屋顶、地板和墙壁都使用的是木框架。在全文中，通过综合的例子来说明设计这些结构构件所需要用的计算。

除了只使用木材构件的建筑物外，其他常见的建筑类型也将木构件与其他类型的结构材料结合使用。也许最常见的混合结构材料是在建筑物中使用的木屋顶和地板体系以及混凝土立墙或砖石(混凝土块或砖)剪力墙。见图1.2。这种类型的建筑很常见，尤其是在单层的商业和工业建筑中。这种建筑对于小型建筑来说是经济的，但是随着建筑尺寸的增加其经济性也会提高。训练有素的人员可以在短时间内建立大面积的镶板屋顶体系。见图1.3。

本书中还介绍了用于混凝土或砖石建筑中的木构件的设计过程。木材与混凝土或砌体构件之间的连接特别重要，并进行了相当详细的处理。

本书涵盖了关于木结构箱式建筑从屋顶到地基完整的设计。在完整的建筑设计中，必须考虑垂直荷载和侧向力，并详细介绍了两者的设计过程。

风和地震是建筑设计中通常要考虑的两个侧向力。近年来，侧向力的设计已经成为设计工作的重要组成部分。其原因是人们对横向力影响的认识又有所增强。此外，建筑规范大幅修订了风力和地震力的设计要求。这些变化是风力工程和抗震设计广泛研究的结果。

1.3要求和推荐的参考文献

本书的第六版主要是由2005年版《美国国家木结构设计规范》(参考文献1.1)的出版所推动的，该规范首次采用了双重格式，包括允许应力设计(ASD)和新的荷载和抗力系数设计(LRFD)条款。以前的所有版本的国家设计规范(NDS)和这本书都是基于ASD格式。因此，这本书的第六版已经更新包括了2005年NDS的ASD和LRFD规定。

NDS由美国森林和造纸协会(AFamp;PA)的美国木材委员会(AWC)发布，代表了木材行业最新的结构设计建议。除了规定了ASD和LRFD的基本设计规定外，2005 NDS还包含了以下章节：锯木材，胶合板木材，柱和桩，I型木托梁，结构复合木材，木质结构板、机械连接、销钉型紧固件，开口环和剪力板连接器,木材铆钉、剪力墙和隔板，特殊的加载条件和消防设计。虽然一些基本的规定已经改变，并增加了一些新规定，但2005年NDS的主要进步是将新的LRFD规定与传统的ASD规定相结合。

NDS实际上是一系列相关设计文档的正式设计部分。有两个主要的配套文件，支持和完成双格式《国家木结构设计规范》。第一个文件是《NDS增补:木结构设计值》，由于它是最初的《NDS增补》，多年来也是唯一的《NDS增补》，因此通常被简称为《增补》或《NDS增补》。NDS的附录包含了各种类型的结构木材和胶合层压木材所有的参考设计值。

NDS的第二个随附设计文件是《NDS增编:风与地震的特殊设计规定》，也称为《风与地震补充》或SDPWS。《风与地震补充》是最新的补充，由于与风和抗震设计有关的独特要求，因此作为一个单独的文件。SDPWS中包括剪力墙和横隔板的参考设计值，这些参考值是大多数木材结构中主要的抗侧力体系(LFRS)。

NDS连同《设计值补充》以及《风与地震补充》组成了设计工程木结构所需的核心。由于主题的问题，读者必须有NDS的副本，才能正确地阅读这本书。此外，关于构件性能、设计值、紧固件能力以及剪力墙和横隔板的单位剪力表很多。与其复制这本书中的这些表格，不如读者同时拥有这两个附录。有NDS和NDS的补充:木材的设计价值，关于风和地震的特殊设计条款就像为熟悉钢结构设计而拥有一份AISC钢手册(参考文献1.3)一样。

除了NDS和它的两个补充文件外，AFamp;PA美国木材委员会还提供了其他两个相关文件。第一个是NDS条款说明，它为NDS中包含的设计条款提供了额外的指导和其他支持信息。第二个相关文件是《ASD/LRFD工程木结构手册》。

《ASD/LRFD工程木结构手册》于1999年首次用于1997年NDS的ASD，并首次为木结构设计提供了所有必要的信息。在此之前，设计者参考了NDS进行了实锯材和胶合木构件的设计，以及许多连接细节的设计。为了设计其他的木材部件和体系，要求设计人员从其他地方寻找。例如，NDS中并没有包含剪力墙和横隔板的设计，而是通过包括apa -工程木材协会的出版物等其他来源得到的。2005年《ASD/LRFD工程木结构手册》是对2001年以前的《ASD工程木结构手册》的重大修订。2001年的手册包括了一些额外的补充和指南，并且重复了其他地方提供的大部分信息。2005年手册包含了LRFD和ASD的支持信息，包括非强制性的设计信息，如跨度表、载荷表和防火组件。该手册被认定为与NDS平行的资料。

NDS中的全部或部分设计建议最终将被纳入大多数建筑规范的木材设计部分。然而，规范更改过程可能需要相当长的时间。这本书专门讨论了2005年NDS的设计规定，在根据这些标准设计一个特定的木结构之前，设计师应该核实当地建筑规范的可接受度。

这本书也着重于理解在结构设计中所需要的荷载和力。重点放在重力载荷和侧向力上。为了实现这一目标，本书中的设计荷载和力取自2006年国际建筑规范(IBC)(参考文献1.7)。IBC是由国际规范委员会(ICC)出版的，希望读者最好能有一本IBC，以便在本书中进行讨论。但是，IBC并未在全国所有地区使用，附录C中复制了许多对理解本书很重要的IBC表格。如果没有IBC的副本，则附录中的表格C将帮助读者阅读本文。

本书中经常参考NDS、NDS附录、ASD/LRFD人造板结构手册和IBC。此外，本书中的讨论或例子进行了许多交叉引用，并且可能与某一特定主题直接相关。读者应清楚了解下列参考资料的含义:

本书中经常引用的另一个参考资料是《木材建造手册》(参考文献1.4)，缩写为TCM。本手册可作为结构胶合木的基本参考。虽然它是一个有用的参考，但没有必要完全复制TCM来理解这本书。

1.4建筑规范和设计标准

美国各地的市县通常采用建筑规范来确保公共福利和安全。直到最近，大多数地方政府都用三种区域标准中的一种作为其地方建筑标准的基本框架。这三个区域标准规范是

1. 统一建筑规范(参考文献1.8)

2. 国际建筑规范(参考文献1.6)

3. 标准建筑规范(参考编号1.9)

一般来说，美国西部采用统一的建筑规范，北部采用国际建筑规范，南部采用标准建筑规范。定期对模型代码进行修订和更新，通常为3年一次。

尽管地方规范开发是有效的，但是工程设计现在已经超越了地方和区域边界。国际规范理事会(ICC)成立于1994年，旨在制定一套全面、协调的、不受地区限制的国家示范建设规范。国际建筑规范(IBC)是国际规范理事会的产品之一。国际规范理事会包括三个区域建筑规范组织的代表:建筑官员和规范管理者国际公司(BOCA)，该公司以前负责维护国家建筑规范;国际建筑官员会议(ICBO)，该会议监督《统一建筑规范》；以及南方建筑法规国际会议公司(SBCCI)负责执行标准建筑法规。IBC的第一版于2000年出版，第二版于2003年出版，第三版于2006年出版。美国大部分地区在州或地方一级已经采用了IBC的全部或部分内容。

建筑物和其他结构的标准最小设计荷载(参考文献1.5)通常被称为ASCE 7-05或简称为ASCE 7。它是IBC和区域标准规范中一些荷载标准的基础。与本书一样，IBC也直接引用了ASCE 7。

全文中都使用了IBC来建立设计的加载标准。之所以会选择IBC，是因为它在美国各地广泛使用，而且它代表了关于结构设计的荷载和力标准的最新国家共识。

全文中都引用了规范和IBC。如前一节所述，当使用这种性质的参考资料时，设计标准取自2006年版的《国际建筑规范》。使用其他规范的用户可以通过参考附录C中复制的IBC表来验证这一点。通过将另一个规范的设计标准与附录C中的信息进行比较，设计人员将能够快速确定两者是否一致。附录C在对照文本中使用的值检查IBC的未来版本时也是一个有用的参考。

尽管在本书中使用了NDS作为确定木构件及其连接的允许荷载(ASD)或极限荷载(LRFD)的基础，但请注意，IBC也有一章讨论这些主题。然而，最新的设计标准通常也能在一致认可的设计规范中找到，如NDS。

设计者应该意识到当地的建筑规范是合法的权威，在应用新的原则之前，用户应该验证其被当地权威规范的接受程度。这与结构设计的通用做法是一致的，即遵循理性和保守的方法。其目标是生产经济和安全的结构。

1.5 ASD和LRFD

允许应力设计(ASD)版式将材料的允许应力和使用载荷产生的计算工作应力进行比较。在标准设计值上加一个安全系数，即可得到允许的设计值。在荷载与抗力因子设计方法中，将调整后的承载力(阻力)与设计载荷效应进行了比较。这些因子是针对阻力和负载在明确考虑不确定性和破坏后果而提出的。

如第1.3节所述，本书的第6版主要是由2005年版《美国国家木结构设计规范》的出版推动的，该规范首次同时包括了ASD和LRFD的新规定。基本的性能方程构成了ASD和LRFD规范的基础。因此，本文首先介绍了木材的基本性能，然后介绍了ASD和LRFD中的规定。读者在引用任何方程或例子时都应该小心，并确认正确的格式，无论是阅读ASD还是LRFD。

为了帮助读者区分ASD和LRFD，本文使用了带框阴影和编码阴影。仅与ASD相关的示例用粗体线框起来。LRFD的例子用浅灰色的阴影框来表示。当例子没有加框或阴影，则他们本质上更加基础，可以考虑同时应用于ASD和LRFD。

1.6文本的组织

文本经过整理，以有序的方式呈现了一个木结构建筑的完整设计。所涉及的主题大致是按照它们在建筑设计中遇到的顺序来呈现的。

在建筑设计中，首先需要确定的是设计荷载。第二章回顾了竖向荷载和横向力的规范要求，见图2。第三章描述了木框架建筑中竖向荷载和横向力的分布。

在荷载和力的分配之后，注意力转向了木构件的设计。如前所述，基本上有两个体系必须设计，一个用于垂直荷载，另一个用于侧向力。

首先考虑垂直承载体系。在木结构建筑中，这个体系基本上是由梁和柱组成的。第四

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