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1 设计依据

抗震设计说明书

本工程结构设计主要依据下列国家规范、标准及手册进行：

《木结构设计规范》 GB50005 -2003

《建筑结构荷载规范》 GB50009 -2012

《建筑抗震设计规范》 GB50011 -2010

《建筑结构可靠度设计统一标准》 GB50068 -2001

《建筑抗震设防分类标准》 GB50223 -1995

《日本木材利用手册》

 

2 建筑概况

 

该工程拟建在福建省莆田地区，总建筑面积为 220 m 2，其中一层面积 110 m 2，二层面积 11 0 m 2。建筑物总高度 9.12 m ，一层层高 2.73 m ，二层层高 2.73 m ，屋架高度 2.67

m 。此建筑采用钢筋混凝土基础，主体结构为梁柱式木结构框架。本设计空间划分合理，功能使用方便，动线设计流畅，符合住户需求。

3 工程地质概况

 

3.1 地形地貌

 

本工程地处福建沿海中部，境内地形以丘陵为主，海拔低于 500 m ，地下土质大多是软泥，土地肥沃，土质疏松，多以红、黑土为主。

3.2 场地地震效应

 

根据现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011 -2010 ，莆田地区场地抗震设防烈度

 

为 7 度。根据本次大赛的设计要求，本工程的抗震设防烈度定为 8 度，设计基本地震加速度 0.2g，设计地震分组为第三组，本工程建筑场地属Ⅱ类场地。

 

 

4 荷载取值

 

4.1 活载：楼面活荷载

 

根据《建筑结构荷载规范》GB5009 -2012 ，不同类别房间荷载标准值及分项系数如表

 

4.1 所示。

 

标准值（kN/ m 2） 组合值系数 频遇值系数 准永久值系数

客厅、卧室、衣帽间、

 

走廊、楼梯

2.0

0.7

0.5

0.4

厨房、娱乐间 2.0 0.7 0.6 0.5

卫生间、阳台 2.5 0.7 0.6 0.5

洗衣房 3.0 0.7 0.6 0.5

餐厅 4.0 0.7 0.7 0.7

储物间、书房 5.0 0.9 0.9 0.8

 

屋面活载荷：不上人屋面，活载 0.5 kN/m 2

 

4.2 恒载（包括自重以及梁上填充墙线载荷）

 

结构总体重量为 96.67 kN ；根据墙体构成及材料属性计算得出，线荷载为： 无门洞内墙荷载：1.26kN/m

无门洞外墙荷载：1.76kN/m

 

4.3 风荷载

 

根据《建筑结构荷载规范》GB5009 -2012 ，本工程取莆田地区 50 年一遇的基本风压Wo=0.7kN/m 2 ；地面粗糙度 B 类；平均风速 2.6 m/s；风向为北风和东北风；风荷载体形系数、风振系数和风压高度变化系数按《建筑结构荷载规范》GB5009 - 2012 取值。

4.4 雪荷载

 

由于福建省地处我国南部，年平均气温 20.2℃，故本工程不考虑雪荷载。

 

4.5 地震作用

 

根据《建筑抗震设计规范》GB 50011 - 2010 ，分析和设计参数如表 4.2 所示。

 

建筑结构安全等级 二级

结构重要性系数 γ0 1.0

建筑结构抗震设防类别 丙类

设计使用年限 50 年

建筑高度 9.12 米

结构体系类别 梁柱式木结构

抗震设防烈度 8 度（第三组）

设计基本地震加速度 0.2 g

场地类别 Ⅱ 类

特征周期Tg 0.45s

周期折减系数Tr 0.7

阻尼比 0.05

 

5 材料性能

 

名称

密度(g/cm 2)

含水率(%) 弹性模量

(MPa)

 

阻尼比

 

泊松比 抗弯强度

(MPa) 顺纹抗压

(MPa) 顺纹抗拉

(MPa)

花旗松

 

规格材

0.54

12

10000

0.05

0.3

28.2

22.2

17.7

柳杉规

 

格材

0.38

12

7330

0.05

0.4

22.2

17.7

13.5

 

表 5.2 覆面材料属性

 

名称 泊松比 弹性模量(MPa) 密度(g/cm ³)

OSB 0.25 1125 0.5

石膏板 0.24 3500 1.2

 

 

6 主要构件

 

6.1 梁

 

梁构件由主梁和次梁构成，材料均为花旗松规格材。其截面尺寸如下： 主梁：105×270 mm

次梁：105×180 mm

 

6.2 柱

 

本工程中的柱构件均为日本柳杉规格材，其截面尺寸为 105×105 mm ，柱间距 1000

 

mm 。

 

6.3 斜撑

 

斜撑构件的材料为花旗松规格材，其截面尺寸为 105 ×45 mm 。

 

6.4 墙体

 

室内隔墙：在梁柱框架之间每 300 mm 设置间隔柱，间隔柱间填充保温棉，梁柱框架 两侧覆盖石膏板组成墙体，总厚度 124 mm ；

室外墙体：与室外相邻一侧的外墙由 OSB 、呼吸纸、隔条（间隔 450 mm ）以及外墙石材依次构成，其它部分的墙体结构与室内隔墙相同。总厚度为 156.5 mm 。

其中，间隔柱截面尺寸为 105 ×45 mm ，材料为日本柳杉规格材；隔条截面尺寸为20×100 mm ，采用日本柳杉规格材；保温棉厚度为 105 mm ；石膏板厚度为 9.5 mm ；OSB厚度为 12 mm ；外墙石材厚度为 10 mm 。

 

 

6.5 楼板与天花板

 

楼板：在次梁与格栅之间，一、二层楼板分别填充保温材料与隔音材料，再铺设 12 mm 厚的OSB 和强化实木复合地板；

天花板：在次梁下铺设 12 mm 厚的 OSB 和 9.5 mm 厚的石膏板。

 

6.6 屋面板

 

在屋脊两侧铺设 105×45 mm 的椽条以及 105× 45 mm 的檩条，基本框架上再铺设 12 mm 厚的 OSB ，以及 5 层防水层和太阳能电池板。

7 结构分析

 

根据《木结构设计规范》GB50005 - 2003 和相关设计手册的设计要求和构造要求，采用 Google SketchUp 软件设计梁柱式木结构骨架模型。除梁、柱组成的基础承载力结构外本工程加设斜撑，以提高建筑整体抗震性能。斜撑采用 105 ×45 mm 花旗松规格材，为“X ” 形结构，分布于房屋四角处以及内部受力较大位置，可增强节点承载能力和整体抵抗变形能力。

结构骨架模型如图 7.1 所示。

 

本工程的结构分析软件采用美国 CSI 公司的建筑结构设计软件 SAP2000 ，构建了梁柱式木结构骨架模型。对整体结构施加竖向荷载、风荷载以及地震荷载，在十种不同工况组合下对整体结构进行模拟与计算，分析建筑在不同工况组合下的受力与变形情况（具体载荷工况组合情况参见 7.1）。

SAP2000 分析模型如图 7.2 所示。

 

7.1 荷载工况组合

 

图 7.2 SAP2000 模型

 

 

依据《建筑结构荷载规范》GB50009 -2012 、《木结构设计规范》GB50005 - 2003 以及设计中可能同时出现的荷载工况进行分析，分三种极限状态进行组合：

1 、一般情况下承载能力极限状态（基本组合CBJ ）；

 

2 、一般情况下正常使用极限状态（标准组合CBB ）；

 

3 、地震情况下的极限状态（偶然组合CBO ）。

 

在选用组合进行计算时，各选取最不利组合进行设计分析。

 

7.1.1 基本组合

 

对于基本组合，本工程在设计计算时主要采用了如表 7.1 所示的三种荷载组合。

 

 

表 7.1 基本组合表

 

组合序号 组合形式

CBJ1 1.2 恒载+1.4 活载

CBJ2 1.35 恒载+1.4×0.7 活载+1.4 风载

CBJ3 1.35 恒载+1.4 活载+1.4×0.6 风载

7.1.2 标准组合

 

对于标准组合，本工程在设计计算时主要采用了如表 7.2 所示的三种荷载组合。

表 7.2 标准组合表

 

组合序号 组合形式

CBB1 1.0 恒载+1.0 活载

CBB2 1.0 恒载+0.7 活载+1.0 风载

CBB3 1.0 恒载+1.0 活载+0.6 风载

7.1.3 偶然组合

 

对于偶然组合，本工程在设计计算时主要采用了如表 7.3 所示的四种荷载组合。

表 7.3 偶然组合表

 

组合序号 组合形式

CBO1 1.0 恒载+0.5 活载+1.0 地震荷载-Wx

CBO2 1.0 恒载+0.5 活载+1.0 地震荷载-Wy

CBO3 1.35 恒载+1.4×0.5 活载+1.3 地震荷载-Wx

CBO4 1.35 恒载+1.4×0.5 活载+1.3 地震荷载-Wy

 

 

7.2 构件分析

 

7.2.1 构件最大轴拉力（P t）承载力验算

 

将各工况组合下构件所受的最大轴力与其承载力极限值进行对比，整体模型 SAP2000 计算出的各工况下构件的最大轴力详见表 7.6 。

 

表 7 .6 不同工况组合下最大轴拉力表

 

 

工况组合 拉力Pt max

构件名 类型 轴力大小(kN) 截面面积(mm 2) 抗拉强度(MPa)

CBJ1 759 斜撑 7.46 4725 1.579

CBJ2 43 斜撑 13.19 4725 2.792

CBJ3 759 斜撑 6.76 4725 1.431

CBB1 759 斜撑 6.13 4725 1.297

CBB2 43 斜撑 9.38 4725 1.985

CBB3 759 斜撑 5.03 4725 1.065

CBO1 12 斜撑 15.64 4725 3.310

CBO2 19 斜撑 16.01 4725 3.388

CBO3 12 斜撑 20.16 4725 4.267

CBO4 19 斜撑 20.51 4725 4.341

由上表可知，构件最大顺纹抗拉强度为 4.341 MPa ，发生在 CBO 4 ——即 Y 方向地震参与的工况组合。柳杉规格材的顺纹抗拉强度为 13.5 MPa ，花旗松规格材的顺纹抗拉强度为 17.7 MPa ，上述 10 种工况组合中，各构件的最大轴力均小于规范和设计手册中的承载力限值，工程中采用的构件有足够的安全储备以承受来自外界和自身的荷载作用。

7.2.2 构件最大轴压力（Pc）承载力验算

 

将各工况组合下构件所受的最大轴力与其承载力极限值进行对比，整体模型 SAP2000 计算出的各工况下构件的最大轴力详见表 7.7。

 

表 7.7 不同工况组合下最大轴压力表

 

 

工况组合 压力Pc max

构件 类型 轴力大小(kN) 截面面积(mm 2) 抗压强度(MPa)

CBJ1 61 柱 -25.76 11025 2.337

CBJ2 19 斜撑 -28.54 4725 6.040

CBJ3 61 柱 -27.05 11025 2.454

CBB1 61 柱 -19.5 11025 1.769

CBB2 19 斜撑 -20.5 4725 4.339

CBB3 61 柱 -19.6 11025 1.778

CBO1 4 柱 -22.14 11025 2.008

CBO2 19 斜撑 -25.32 4725 5.359

CBO3 4 柱 -29.03 11025 2.633

CBO4 19 斜撑 -33.22 4725 7.031

由上表可知，构件最大顺纹抗压强度为 7.031 MPa ，发生在 CB O4 ——即Y 方向地震参与的工况组合。柳杉规格材的抗压强度为 17.7 MPa ，花旗松规格材的抗压强度为 22.2 MPa ， 上述 10 种工况组合中，各构件的最大轴力均小于规范和设计手册中的承载力限值，工程中采用的构件有足够的安全储备以承受来自外界和自身的荷载作用。

7.2.2 层间位移角

 

不同工况下层间最大位移如表 7.9 所示。

 

组合序号 最大层间位移(mm)

U 1max U 2max

CBJ1 0.32 -1.48

CBJ2 0.30 -9.79

CBJ3 0.34 -6.59

CBB1 0.25 - 1.19

CBB2 0.22 -7.03

CBB3 0.25 -4.74

CBO1 8.64 -2.64

CBO2 0.77 -8.57

CBO3 11.24 -3.48

CBO4 1.01 -11.20

在我国《建筑抗震设计规范》GB 50011 -2001 、新版《建筑抗震设计规范》

 

GB50011 - 2010 以及《木结构设计规范》GB 50005 -2003 中，对木结构建筑的层间位移角都没有规定。同济大学学者在《两层轻型木结构足尺房屋模型模拟地震振动台试验研究》中对足尺房屋进行地震振动台试验，得出“对称布置的结构建筑物在 0.2 g的地震中，最大层间位移角为 1/250 ”的试验结果与结论。由表 7.9 可知，结构在 CBO 3 ——即 X 方向地震参与的工况组合下层间位移最大，其数值为 11.24 mm ，故本工程结构的层间位移角为：u / l=11.24 / 6000 ≈ 1 / 534 < 1 / 250 。因此本结构满足参考文献中试验结果关于对层间位移角限值的要求。

 

8 分析总结

 

本工程运用 SAP2000 软件对梁柱式木结构进行成功建模，并模拟分析了 10 种工况组合下的结构强度及稳定性。在不同载荷工况组合下的内力分析和变形结果表明，本工程中的梁柱式木结构建筑的构件，其顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度均小于规范和设计手册中的承载力限值，整体结构最大层间位移小于 0.2 g地震下层间位移限值。

因此，本工程整体结构布置合理、刚度适宜，安全存储较大，满足相应规范、标准要求。