一、木材的特點和適用范圍

木結構( timber structure )是指以木材為主制作的結構。

由于我國樹木分布廣泛，易于取材;木材采伐和加工方便，同時質輕且強，所以木材很早就被用來建造房屋與橋梁。但是，由于木材存在著各向異性、天然缺陷(木節、斜紋、髓心、裂縫等)、易腐、易蛀和易裂等缺點，對木結構的結構形式、節點連接，施工質量以及使用期維護都有比較高的要求，以保證木結構有足夠的可靠性和耐久性。

木結構生長速度緩慢，而木材資源有限，因此，建造木結構除了做到保證安全和人體健康以外，還要合理利用木材，大力發展人工林，改變過去對生態保護重視不夠，森林資源破壞嚴重的情況，促進我國木結構健康地可持續性發展。

承重木結構應在正常溫度和濕度環境中項房屋結構和構筑物中使用。凡處于下列生產和使用條件的情況，不應采用木結構：

( 1 )極易引起火災的;

( 2 )受生產性高溫影響，木材表面溫度高于 50 ℃ 的;

( 3 )經常受潮且不易通風的。

二、木材的分類

木結構用的木材分為針葉材和闊葉材。主要承重構件宜采用針葉材，重要的木質連接件應采用細密、直紋、無節和無其他缺陷且耐腐蝕的硬質闊葉材。

承重木結構用的木材，按照其材質，從好到壞可分為I、II、III級，設計時應根據受力的種類進行選用：受拉或拉彎構件材質等級選用 I 級;受彎或壓彎構件材質等級選用II 級;受壓構件及次要受彎構件材質等級選用 III級。承重結構木材材質標準參見《 木結構設計規范 》 ( GB50005-2003 )(本節以下簡稱 《 規范 》 )附錄 A 。

木結構用材按使用截面的不同，可分為原木、鋸材和膠合材。

( 1 )原木(log)是指伐倒并除去樹皮、樹枝和樹梢的樹干。

( 2 )鋸材( sawn lumber )是指由原木鋸制而成的任何尺寸的成品材或半成品材。鋸材又分方木( square timber )、板材( plank )和規格材( dimension lumber )。方木是指直角鋸切且寬厚比小于 3 的，截面為矩形或正方形的鋸材。板材是指寬度為厚度 3 倍或 3 倍以上的矩形鋸材。規格材是指按輕型木結構設計的需要，木材截面寬度和高度按規定尺寸加工的規格化木材。

( 3 )膠合材( glued lunber )是指以木材為原料通過膠合壓制而成的柱型材和各種板材的總稱。

三、木材的物理性能

1 .木材的含水率

木材的含水率對木材強度有很大的影響，隨含水率的增加木材強度降低。當含水率達到纖維飽和點時，木材的強度不再降低。含水率對受壓、受彎、受剪及承壓強度影響較大，而對受拉強度影響較小。

按照含水率大小，木材可分為干材(含水率小于 18 % )、半干材(含水率等于 18 %一 25 % )和濕材(含水率大于 25 % )。 《 規范 》 規定，在制作構件時，木材的含水率應符合下列要求：

( 1 )現場制作的原木或方木結構不應大于 25 % ;

( 2 )板材和規格材不應大于 20 % ;

( 3 )受拉構件的連接板不應大于 18 % ;

( 4 )作為連接件不應大于 15 % ;

( 5 )層板膠合木結構不應大于 15 % ，同一構件各層木板間的含水率差別不應大于 5 %。

2 .木材的濕脹、干裂與翹曲

當木材的含水率在纖維飽和點以下變化而引起木材的濕脹或干裂時，其尺寸變化的規律是相似的。由于干縮會引起開裂和翹曲，對于木結構的工作影響較大，因此木結構的干縮更需要引起重視。

原木或帶髓心的方木在干燥過程中開裂的原因主要有兩種：

( 1 )環向的收縮受到徑向的約束，沿年輪產生的環向拉應力;

( 2 )木材外層的水分蒸發速度比內層快，其收縮變形受到內層的阻礙時，亦產生環向拉應力。上述兩種原因產生的拉應力之和，超過了木材的抗拉強度時，即由外向內發生開裂。木材端部水分蒸發較快，常形成嚴重的端裂，應設法預防。

對于板材而言，在干燥過程中，環向和徑向兩個方向的干縮率不同，不會致使開裂，若任其自由變形，則發生翹曲。

3 .木材的缺陷

天然生長的木材不可避免的會存在一些缺陷。對木材影響最大的缺陷是腐朽和蟲蛀，這是任何等級的木材都絕對不允許的。對木材強度有影響的缺陷還包括：木節、斜紋、裂縫和髓心。

四、木材的力學性能

1 .木材的受拉性能

木材順紋抗拉強度最高，而橫紋抗拉強度很低，僅為順紋抗拉強度的 1 / 10~1 / 40 。斜紋受拉強度介于順紋與橫紋兩者之間，因而應盡量避免木材橫紋受拉。木材受拉破壞前的變形很小，沒有顯著的塑性變形，屬于脆性破壞。故《 規范 》 對木材受拉除了采用較低的強度設計值外，還要求使用I級材，對未材的缺陷給予嚴格限制。

2 .木材的受壓性能

木材受壓時，有較好的塑性變形，可以使應力集中逐漸趨于緩和，所以局部削弱對木材受壓的影響比受拉時小得多，木節、斜紋和裂縫等缺陷也較受拉時的影響緩和。木材受壓時的工作性能要比受拉時可靠得多，因此對木材的選擇較受拉時為寬，可采用III級材。

兩個構件利用表面互相接觸傳遞壓力叫承壓。在木結構的接頭和連接中常遇到承壓的情況。根據木材承壓的外力與木紋所成的角度不同，可分為順紋承壓、橫紋承壓和斜紋承壓(圖 7-1 )。

( 1 )順紋承壓。

木材的順紋承壓強度略低于順紋受壓的強度，原因為：

1 )承壓面不可能完全平整，致使承壓力分布不均勻;

2 )兩個構件的年輪不可能對準，一構件晚材壓人另一構件早材，也使變形增大。但是木材的順紋承壓與順紋受壓相差很小，在《 規范 》 中將順紋承壓與順紋受壓取同一值 fc 。

( 2 )橫紋承壓。

橫紋承壓分為局部長度承壓、局部長度和局部寬度承壓、全表面承壓三種情況。如圖 7-2 ( a )、( b )、( c )所示。

局部長度承壓的強度較高，因為局部長度承壓時，不承壓部分的纖維對其受壓部分的纖維變形有阻止作用。在局部長度承壓中，承壓面長度越小，承壓強度越高。當木結構構件未承壓部分的長度很短時，構件兩端將出現橫紋開裂現象(圖 7-3 ) ，因此構造上必須保證木結構構件 1 / 1c的比值足夠大，才能提高橫紋承壓強度。

由于木材在橫紋方向的彼此牽制作用很小，所以局部承壓中不考慮在寬度方向未受力部分的影響。

木材全表面橫紋承壓時，變形較大，加荷至一定限度以后，由于木材細胞壁逐漸破裂被壓扁，木材被壓實，其變形逐漸減小直至纖維束失去穩定而破壞。橫紋全表面承壓強度最低。

( 3 )斜紋承壓。

斜紋承壓即外力與木紋成一定角度的局部承壓。斜紋承壓的強度介于順紋承壓和橫紋承壓之間，與 a 值有關系。

3 .木材的受彎性能

木材的受彎性能如圖 7-4 所示：截面應力在加載初期呈直線分布;隨著荷載的增加，在截面受壓區，壓應力逐漸成為曲線，而受拉區內的應力仍接近直線，中和軸下移;當受壓邊緣纖維應力達到其強度極限值時將保持不變，此時的塑性區不斷向內擴展，拉應力不斷增大;邊緣拉應力達到抗拉強度極限時，構件受彎破壞。《 規范 》 對受彎構件材質的要求介于拉、壓之間，可采用II級材。

4 .木材的受剪性能

木材的受剪可分為截紋受剪、順紋受剪和橫紋受剪，如圖 7-5 ( a )、( b )、( c )所示。截紋受剪是指剪切面垂直于木紋，木材對這種剪切的抵抗力是很大的，一般不會發生這種破壞。順紋受剪提指作力與術紋平行。橫紋受剪是指作用力與木紋垂直。橫紋剪切強度約為順紋剪切強度的一半，而截紋剪切強度則為順紋剪切強度的 8 倍。木結構中通常多用順紋受剪破壞，屬于脆性破壞。木材缺陷對受剪工作影響很大，特別是木材的裂縫，當裂縫與剪面重合時更加危險，常是木結構連接破壞的主要原因。由于木材的髓心處材質較易開裂，故《 規范 》 規定受剪面應該避開髓心。

木結構的連接

木結構的構件連接是木結構的重要內容之一，包括連接形式、連接構造和連接計算三部分內容。常用的木結構連接形式包括兩大類：齒連接和螺栓連接。

一、齒連接

1 .連接形式

齒連接是通過構件與構件之間直接抵承傳力，所以齒連接只應用在受壓構件與其他構件連接的結點上。齒連接有單齒連接與雙齒連接，如圖 7 一 6 ( a )、( b )所示。

2 .構造要求

( 1 )齒連接的承壓面，應與所連接的壓桿軸線垂直;

( 2 )單齒連接應使壓桿軸線通過承壓面中心;

( 3 )木絎架支座結點的上弦軸線和支座反力的作用線，當采用方木或板材時，宜與下弦凈截面的中心線交匯于一點;當采用原木時，可于下弦毛截面的中心線交匯于一點，此時，刻齒處的截面可按軸心受拉驗算;

( 4 )齒連接的齒深，對于方木不應小于 20mm ，對于原木不應小于 30mm ;

( 5 )絎架支座結點齒深不應大于 h / 3 ，中間結點的齒深不應大于 h / 4 ( h 為沿齒深方向的構件截面高度) ;

( 6 )雙齒連接中，第二齒的齒深 hc應比第一齒的齒深 hc1 至少大 20mm ，單齒和雙齒第一齒的剪面長度lv不應小于 4 . 5 倍齒深;

( 7 )當采用濕材制作時，木析架支座節點齒連接的剪面長度應比計算值加長 50mm ;

( 8 )析架支座節點采用齒連接時，必須設置保險螺栓，其方向與上弦軸線垂直，但不考慮保險螺栓與齒的共同作用。

3 .單齒連接計算

( 1 )按木材承壓：

式中 fca ― 木材斜紋承壓強度設計值， N / mm2，按《 規范 》 第 4 . 2 . 6 條確定;

N ― 作用于齒面上的軸向壓力設計值， N ;

Ac ― 齒的承壓面面積，mm2。

( 2 )按木材受剪：

式中：fv ― 木材順紋抗剪強度設計值， N / mm2;

V 一作用于剪面上的剪力設計值， N ;

lv ― 剪面計算長度，mm，其取值不得大于齒深 hc的 8 倍;

bv ― 剪面寬度，mm ;

Ψv― 沿剪面長度剪應力分布不勻的強度降低系數，按《 規范 》 表 6 . 1 . 2

采用。

4 .雙齒連接計算

( 1 )雙齒連接的承壓，仍按照( 7-13 )計算， Ac取兩個齒承壓面之和。

( 2 )雙齒連接的受剪，仍按照( 7-14 )計算，此時全部剪力 V 均由第二齒面承受，且 lv≤10hc。

( 3 )雙齒連接沿剪面長度剪應力分布不勻的強度降低系數ψv按《 規范 》 表 6 . 1 . 3 采用。

5 .保險螺栓計算

當析架支座采用齒連接時，必須設置保險螺栓。其承受之拉力 Nb 由上弦軸力設計值 N 和上下弦的夾角 a 按下式計算：

式中 Nb― 保險螺栓所承受的軸向拉力， N ;

N 一上弦軸向壓力設計值， N ;

a ― 上弦與下弦的夾角，°。

二、螺栓連接和釘連接

1 .連接形式

( 1 )螺栓連接和釘連接有單剪連接和雙剪連接兩種，如圖 7 一 7 ( a )、( b )所示;

( 2 )螺栓連接和釘連接排列有兩縱行齊列和錯列兩種，如圖 7-8 ( a )、( b )所示。

2 .構造要求

連接木結構的最小厚度規定按表 7-1 取值;

3 .單齒連接計算

( 1 )當木結構最小厚度符合表 7-1 規定時，螺栓連接或釘連接順紋受力的每一剪面的連接承載力值按下式確定：

式中 Nv 一螺栓或釘連接每一剪面的承載力設計值， N ;

fc― 木材順紋承壓強度設計值， N / mm ;

d ― 螺栓或釘的直徑， mm ;

Kv ― 螺栓或釘連接設計承載力計算系數，按照《 規范 》 表 6 . 2 . 2 采用。

( 2 )當木結構最小厚度不能滿足表 7-1 規定時，則每一剪面的承載力設計值除了Nv按式( 7-16 )計算外，且不得大于0.3cdΨ2αfc，Ψα按照《 規范 》 表 6 . 2 . 4 采用。

( 3 )若螺栓的傳力方向與構件木紋成a角度時，按式( 7-16 )計算的每一剪面的承載力設計值應乘以木材斜紋承壓的降低系數Ψα，Ψα按照《 規范 》 表 6 . 2 . 4 采用。釘連接可不考慮斜紋承壓的影響。

4.影響木材強度的主要因素

(1)含水量

木材強度受含水量影響很大。當木材含水率在纖維飽和點以下時,隨含水率降低,木材強度提高;反之,強度降低。當木材含水率在纖維飽和點以上變化時,強度不變。為便于比較,我國標準《木材物理力學試驗方法》 (GB 1927~1943-91)規定測定木材強度以含水率12%時的強度測定值作為標準,其他含水率下的強度可按下式換算成標準含水率時的強度。

σ12=σw[l十a(w-12)] (1-45)

式中σ12——含水率為12%時的木材強度;

σw一一含水率為w%時的木材強度;

w——試驗時木材含水率;

α一一一木材含水率校正系數。

α隨作用力和樹種的不同而不同,如順紋抗壓所有樹種均為0.05;順紋抗拉時闊葉樹為0.015,針葉樹為0;抗彎所有樹種為0. 04; 順紋抗剪所有樹種為0.03。

(2)負荷時間

木材在長期荷載作用下不致引起破壞的最高強度稱為持久強度。木材的持久強度僅為短期極限強度的50%~60%。木結構通常都處于長期負荷狀態,因此,在設計時應考慮負荷時間的影響。

(3)環境溫度

木材的強度隨環境溫度升高而降低。長期處于50°C以上的建筑物不宜采用木結構。

(4)疵病

木材在生長、采伐、保存過程中,所產生的內部和外部的缺陷,統稱為疵病。木材的疵病主要有木節、斜紋、裂紋、腐朽和蟲害等。一般木材或多或少都存在一些疵病,致使木材的物理力學性能受到影響。