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1 設計依據(jù)

抗震設計說明書

本工程結(jié)構(gòu)設計主要依據(jù)下列國家規(guī)范、標準及手冊進行：

《木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》 GB50005 -2003

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 GB50009 -2012

《建筑抗震設計規(guī)范》 GB50011 -2010

《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》 GB50068 -2001

《建筑抗震設防分類標準》 GB50223 -1995

《日本木材利用手冊》

 

2 建筑概況

 

該工程擬建在福建省莆田地區(qū)，總建筑面積為 220 m 2，其中一層面積 110 m 2，二層面積 11 0 m 2。建筑物總高度 9.12 m ，一層層高 2.73 m ，二層層高 2.73 m ，屋架高度 2.67

m 。此建筑采用鋼筋混凝土基礎，主體結(jié)構(gòu)為梁柱式木結(jié)構(gòu)框架。本設計空間劃分合理，功能使用方便，動線設計流暢，符合住戶需求。

3 工程地質(zhì)概況

 

3.1 地形地貌

 

本工程地處福建沿海中部，境內(nèi)地形以丘陵為主，海拔低于 500 m ，地下土質(zhì)大多是軟泥，土地肥沃，土質(zhì)疏松，多以紅、黑土為主。

3.2 場地地震效應

 

根據(jù)現(xiàn)行國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011 -2010 ，莆田地區(qū)場地抗震設防烈度

 

為 7 度。根據(jù)本次大賽的設計要求，本工程的抗震設防烈度定為 8 度，設計基本地震加速度 0.2g，設計地震分組為第三組，本工程建筑場地屬Ⅱ類場地。

 

 

4 荷載取值

 

4.1 活載：樓面活荷載

 

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB5009 -2012 ，不同類別房間荷載標準值及分項系數(shù)如表

 

4.1 所示。

 

標準值（kN/ m 2） 組合值系數(shù) 頻遇值系數(shù) 準永久值系數(shù)

客廳、臥室、衣帽間、

 

走廊、樓梯

2.0

0.7

0.5

0.4

廚房、娛樂間 2.0 0.7 0.6 0.5

衛(wèi)生間、陽臺 2.5 0.7 0.6 0.5

洗衣房 3.0 0.7 0.6 0.5

餐廳 4.0 0.7 0.7 0.7

儲物間、書房 5.0 0.9 0.9 0.8

 

屋面活載荷：不上人屋面，活載 0.5 kN/m 2

 

4.2 恒載（包括自重以及梁上填充墻線載荷）

 

結(jié)構(gòu)總體重量為 96.67 kN ；根據(jù)墻體構(gòu)成及材料屬性計算得出，線荷載為： 無門洞內(nèi)墻荷載：1.26kN/m

無門洞外墻荷載：1.76kN/m

 

4.3 風荷載

 

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB5009 -2012 ，本工程取莆田地區(qū) 50 年一遇的基本風壓Wo=0.7kN/m 2 ；地面粗糙度 B 類；平均風速 2.6 m/s；風向為北風和東北風；風荷載體形系數(shù)、風振系數(shù)和風壓高度變化系數(shù)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB5009 - 2012 取值。

4.4 雪荷載

 

由于福建省地處我國南部，年平均氣溫 20.2℃，故本工程不考慮雪荷載。

 

4.5 地震作用

 

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011 - 2010 ，分析和設計參數(shù)如表 4.2 所示。

 

建筑結(jié)構(gòu)安全等級 二級

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) γ0 1.0

建筑結(jié)構(gòu)抗震設防類別 丙類

設計使用年限 50 年

建筑高度 9.12 米

結(jié)構(gòu)體系類別 梁柱式木結(jié)構(gòu)

抗震設防烈度 8 度（第三組）

設計基本地震加速度 0.2 g

場地類別 Ⅱ 類

特征周期Tg 0.45s

周期折減系數(shù)Tr 0.7

阻尼比 0.05

 

5 材料性能

 

名稱

密度(g/cm 2)

含水率(%) 彈性模量

(MPa)

 

阻尼比

 

泊松比 抗彎強度

(MPa) 順紋抗壓

(MPa) 順紋抗拉

(MPa)

花旗松

 

規(guī)格材

0.54

12

10000

0.05

0.3

28.2

22.2

17.7

柳杉規(guī)

 

格材

0.38

12

7330

0.05

0.4

22.2

17.7

13.5

 

表 5.2 覆面材料屬性

 

名稱 泊松比 彈性模量(MPa) 密度(g/cm ³)

OSB 0.25 1125 0.5

石膏板 0.24 3500 1.2

 

 

6 主要構(gòu)件

 

6.1 梁

 

梁構(gòu)件由主梁和次梁構(gòu)成，材料均為花旗松規(guī)格材。其截面尺寸如下： 主梁：105×270 mm

次梁：105×180 mm

 

6.2 柱

 

本工程中的柱構(gòu)件均為日本柳杉規(guī)格材，其截面尺寸為 105×105 mm ，柱間距 1000

 

mm 。

 

6.3 斜撐

 

斜撐構(gòu)件的材料為花旗松規(guī)格材，其截面尺寸為 105 ×45 mm 。

 

6.4 墻體

 

室內(nèi)隔墻：在梁柱框架之間每 300 mm 設置間隔柱，間隔柱間填充保溫棉，梁柱框架 兩側(cè)覆蓋石膏板組成墻體，總厚度 124 mm ；

室外墻體：與室外相鄰一側(cè)的外墻由 OSB 、呼吸紙、隔條（間隔 450 mm ）以及外墻石材依次構(gòu)成，其它部分的墻體結(jié)構(gòu)與室內(nèi)隔墻相同。總厚度為 156.5 mm 。

其中，間隔柱截面尺寸為 105 ×45 mm ，材料為日本柳杉規(guī)格材；隔條截面尺寸為20×100 mm ，采用日本柳杉規(guī)格材；保溫棉厚度為 105 mm ；石膏板厚度為 9.5 mm ；OSB厚度為 12 mm ；外墻石材厚度為 10 mm 。

 

 

6.5 樓板與天花板

 

樓板：在次梁與格柵之間，一、二層樓板分別填充保溫材料與隔音材料，再鋪設 12 mm 厚的OSB 和強化實木復合地板；

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

 

6.6 屋面板

 

在屋脊兩側(cè)鋪設 105×45 mm 的椽條以及 105× 45 mm 的檁條，基本框架上再鋪設 12 mm 厚的 OSB ，以及 5 層防水層和太陽能電池板。

7 結(jié)構(gòu)分析

 

根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》GB50005 - 2003 和相關(guān)設計手冊的設計要求和構(gòu)造要求，采用 Google SketchUp 軟件設計梁柱式木結(jié)構(gòu)骨架模型。除梁、柱組成的基礎承載力結(jié)構(gòu)外本工程加設斜撐，以提高建筑整體抗震性能。斜撐采用 105 ×45 mm 花旗松規(guī)格材，為“X ” 形結(jié)構(gòu)，分布于房屋四角處以及內(nèi)部受力較大位置，可增強節(jié)點承載能力和整體抵抗變形能力。

結(jié)構(gòu)骨架模型如圖 7.1 所示。

 

本工程的結(jié)構(gòu)分析軟件采用美國 CSI 公司的建筑結(jié)構(gòu)設計軟件 SAP2000 ，構(gòu)建了梁柱式木結(jié)構(gòu)骨架模型。對整體結(jié)構(gòu)施加豎向荷載、風荷載以及地震荷載，在十種不同工況組合下對整體結(jié)構(gòu)進行模擬與計算，分析建筑在不同工況組合下的受力與變形情況（具體載荷工況組合情況參見 7.1）。

SAP2000 分析模型如圖 7.2 所示。

 

7.1 荷載工況組合

 

圖 7.2 SAP2000 模型

 

 

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009 -2012 、《木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》GB50005 - 2003 以及設計中可能同時出現(xiàn)的荷載工況進行分析，分三種極限狀態(tài)進行組合：

1 、一般情況下承載能力極限狀態(tài)（基本組合CBJ ）；

 

2 、一般情況下正常使用極限狀態(tài)（標準組合CBB ）；

 

3 、地震情況下的極限狀態(tài)（偶然組合CBO ）。

 

在選用組合進行計算時，各選取最不利組合進行設計分析。

 

7.1.1 基本組合

 

對于基本組合，本工程在設計計算時主要采用了如表 7.1 所示的三種荷載組合。

 

 

表 7.1 基本組合表

 

組合序號 組合形式

CBJ1 1.2 恒載+1.4 活載

CBJ2 1.35 恒載+1.4×0.7 活載+1.4 風載

CBJ3 1.35 恒載+1.4 活載+1.4×0.6 風載

7.1.2 標準組合

 

對于標準組合，本工程在設計計算時主要采用了如表 7.2 所示的三種荷載組合。

表 7.2 標準組合表

 

組合序號 組合形式

CBB1 1.0 恒載+1.0 活載

CBB2 1.0 恒載+0.7 活載+1.0 風載

CBB3 1.0 恒載+1.0 活載+0.6 風載

7.1.3 偶然組合

 

對于偶然組合，本工程在設計計算時主要采用了如表 7.3 所示的四種荷載組合。

表 7.3 偶然組合表

 

組合序號 組合形式

CBO1 1.0 恒載+0.5 活載+1.0 地震荷載-Wx

CBO2 1.0 恒載+0.5 活載+1.0 地震荷載-Wy

CBO3 1.35 恒載+1.4×0.5 活載+1.3 地震荷載-Wx

CBO4 1.35 恒載+1.4×0.5 活載+1.3 地震荷載-Wy

 

 

7.2 構(gòu)件分析

 

7.2.1 構(gòu)件最大軸拉力（P t）承載力驗算

 

將各工況組合下構(gòu)件所受的最大軸力與其承載力極限值進行對比，整體模型 SAP2000 計算出的各工況下構(gòu)件的最大軸力詳見表 7.6 。

 

表 7 .6 不同工況組合下最大軸拉力表

 

 

工況組合 拉力Pt max

構(gòu)件名 類型 軸力大小(kN) 截面面積(mm 2) 抗拉強度(MPa)

CBJ1 759 斜撐 7.46 4725 1.579

CBJ2 43 斜撐 13.19 4725 2.792

CBJ3 759 斜撐 6.76 4725 1.431

CBB1 759 斜撐 6.13 4725 1.297

CBB2 43 斜撐 9.38 4725 1.985

CBB3 759 斜撐 5.03 4725 1.065

CBO1 12 斜撐 15.64 4725 3.310

CBO2 19 斜撐 16.01 4725 3.388

CBO3 12 斜撐 20.16 4725 4.267

CBO4 19 斜撐 20.51 4725 4.341

由上表可知，構(gòu)件最大順紋抗拉強度為 4.341 MPa ，發(fā)生在 CBO 4 ——即 Y 方向地震參與的工況組合。柳杉規(guī)格材的順紋抗拉強度為 13.5 MPa ，花旗松規(guī)格材的順紋抗拉強度為 17.7 MPa ，上述 10 種工況組合中，各構(gòu)件的最大軸力均小于規(guī)范和設計手冊中的承載力限值，工程中采用的構(gòu)件有足夠的安全儲備以承受來自外界和自身的荷載作用。

7.2.2 構(gòu)件最大軸壓力（Pc）承載力驗算

 

將各工況組合下構(gòu)件所受的最大軸力與其承載力極限值進行對比，整體模型 SAP2000 計算出的各工況下構(gòu)件的最大軸力詳見表 7.7。

 

表 7.7 不同工況組合下最大軸壓力表

 

 

工況組合 壓力Pc max

構(gòu)件 類型 軸力大小(kN) 截面面積(mm 2) 抗壓強度(MPa)

CBJ1 61 柱 -25.76 11025 2.337

CBJ2 19 斜撐 -28.54 4725 6.040

CBJ3 61 柱 -27.05 11025 2.454

CBB1 61 柱 -19.5 11025 1.769

CBB2 19 斜撐 -20.5 4725 4.339

CBB3 61 柱 -19.6 11025 1.778

CBO1 4 柱 -22.14 11025 2.008

CBO2 19 斜撐 -25.32 4725 5.359

CBO3 4 柱 -29.03 11025 2.633

CBO4 19 斜撐 -33.22 4725 7.031

由上表可知，構(gòu)件最大順紋抗壓強度為 7.031 MPa ，發(fā)生在 CB O4 ——即Y 方向地震參與的工況組合。柳杉規(guī)格材的抗壓強度為 17.7 MPa ，花旗松規(guī)格材的抗壓強度為 22.2 MPa ， 上述 10 種工況組合中，各構(gòu)件的最大軸力均小于規(guī)范和設計手冊中的承載力限值，工程中采用的構(gòu)件有足夠的安全儲備以承受來自外界和自身的荷載作用。

7.2.2 層間位移角

 

不同工況下層間最大位移如表 7.9 所示。

 

組合序號 最大層間位移(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

在我國《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011 -2001 、新版《建筑抗震設計規(guī)范》

 

GB50011 - 2010 以及《木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》GB 50005 -2003 中，對木結(jié)構(gòu)建筑的層間位移角都沒有規(guī)定。同濟大學學者在《兩層輕型木結(jié)構(gòu)足尺房屋模型模擬地震振動臺試驗研究》中對足尺房屋進行地震振動臺試驗，得出“對稱布置的結(jié)構(gòu)建筑物在 0.2 g的地震中，最大層間位移角為 1/250 ”的試驗結(jié)果與結(jié)論。由表 7.9 可知，結(jié)構(gòu)在 CBO 3 ——即 X 方向地震參與的工況組合下層間位移最大，其數(shù)值為 11.24 mm ，故本工程結(jié)構(gòu)的層間位移角為：u / l=11.24 / 6000 ≈ 1 / 534 < 1 / 250 。因此本結(jié)構(gòu)滿足參考文獻中試驗結(jié)果關(guān)于對層間位移角限值的要求。

 

8 分析總結(jié)

 

本工程運用 SAP2000 軟件對梁柱式木結(jié)構(gòu)進行成功建模，并模擬分析了 10 種工況組合下的結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性。在不同載荷工況組合下的內(nèi)力分析和變形結(jié)果表明，本工程中的梁柱式木結(jié)構(gòu)建筑的構(gòu)件，其順紋抗壓強度、順紋抗拉強度均小于規(guī)范和設計手冊中的承載力限值，整體結(jié)構(gòu)最大層間位移小于 0.2 g地震下層間位移限值。

因此，本工程整體結(jié)構(gòu)布置合理、剛度適宜，安全存儲較大，滿足相應規(guī)范、標準要求。