桐木結構在房屋建筑體系中的應用與分析

胡羽佳

(山西大學附屬中學校，山西 太原030002)

1 方案與構思

本次的課題有三個，即承受最大荷載15kg，在承受荷載的狀況下水平拉動5 mm 位移以及在形變5 mm 位移的狀況下自由振動直到停止，而且應當保持在構件不破壞的情況下重量最輕，所以本次的要求對剛度與強度都提出了要求，即豎向強度要大，而水平剛度要小，節點剛度較大，這樣才能夠較好地承擔豎向力與水平力的作用。在我們的生活當中，最常見到的房屋結構形式是框架結構、框筒結構與剪力墻結構，其中框架結構的水平剛度最小，而豎向承載能力差別不大，因此優先考慮木框架結構來完成本次的模型分析。

2 桐木材料的性能分析

本研究所采用的材料為桐木材料，桐木結構具有質量輕、強度高的特性，但是具體到實際的模型制作當中，則需要考慮材料的各向異性，木材的紋理以及受力方向等，這些材料的性能直接會影響到構件的穩定性，從而影響整個結構的受力，因此，筆者在制作之前，對結構的受力性能、重量進行了實際的量測，測量情況如下。

桐木結構的彈性模量:制作之前應當對結構材料的彈性模量進行實際量測，因為如果彈性模量不一致，那么在均勻受力的條件之下，每一根木柱的壓力相同，壓縮值不一致，就會造成整個模型的偏心受壓，產生傾覆力矩，導致整個模型的傾斜與坍塌，桐木結構的彈性模量用激光位移計與壓力計進行，共量測十組數據，剔除異常值以后取平均值作為彈性模量的代表值，可得2 ×2 mm 的桐木桿件的彈性模量約為1 272.66 MPa，因此木條的強度是足夠支撐15 kg 的重量的。

桐木結構的重量:在實際的材料當中，同樣規格的木構件由于木材密度的分布情況不同，其重量也有差異，如果同樣做四根受力柱，那么質量輕的一根一定是最容易產生形變甚至損壞的，因此在制作當中應當保證受力柱重量的一致。該組試驗當中，量測得2 ×2 mm 柱的平均重量為1.3 g，因此選取柱材料的時候，應當按照偏差不大于0.1 g 選取，而2 ×4 mm 的柱平均重量為2.5 g，所以也應當在選材時按照偏差不大于0.1 g 選取。

膠水的選擇:在市面上的502 膠水有多種品牌，但是經過多次試驗表明，不同廠家生產的膠水性能差異較大，有的膠水可以在瞬間把兩個結構粘結在一起，強度也能夠保證受力需要，但是有的膠水則很難保證受力，粘結時間也較長，本次實驗經過比選，選擇開拓者牌號的502 膠水當作試驗專用膠水，強度較大，在試驗過程中，也未出現過由于節點破壞而導致的試驗失敗現象。

3 受力構件截面尺寸分析

根據受力計算，2 ×2 mm 的桐木條豎向受壓強度是足夠的，因此理論上15 kg 的重量，一根2 ×2 mm 的柱便可以承擔，但是在實際模型當中，需要考慮的一個因素就是長細比，這與結構當中的理論也是一樣的，柱子不怕壓，但是一旦出現彎曲，就會產生二次力矩，而且一根柱子發生形變會造成整個結構的整體扭轉，這樣結構就會坍塌。所以，如何保證柱不產生撓度、結構不發生扭轉是研究的關鍵所在。

4 模型受力結構體系的設計

為了保證強度以及剛度的要求，本次模型選用框架結構，采用2 ×4 mm 的角柱，共分三層，由于模型要求地上部分不大于500 mm，因此層高分別為180 mm，160 mm，160 mm，地基基礎采用條形基礎，基礎之間用2 ×2 mm 木條連接，形成整體。梁采用2 ×4 mm 的梁，由于體系剛度要求較小，因此梁不設置在柱中間，而是用粘貼的方式設置在柱外側，同時在柱頂與柱腳之間采用2 ×2 mm 的木條進行斜向連接，防止平面扭轉，樓板用細木條搭設，形成受力框架模型。這樣的結構有較好的承載能力，柱的長細比也滿足受力要求，剛度也較小。

5 模型的制作要點

受力體系設計好以后，最為重要的就是模型的實際制作。因為所使用的材料都比較細小，因此想要加工好，需要嫻熟的技巧和不斷的練習，針對質地比較堅硬的桐木條，應當采用工具刀不斷地切割，而對于較軟的桐木條可以使用刀用力往下按，避免來回搓動造成切割截面的損傷。為了使得不同的構件能夠很好地連接在一起，在構件截取好之后需要對端部進行仔細的加工，比如用砂紙打磨，使構件端面完整平滑，便于粘貼，或者切出斜面，能夠增加粘貼的面積，增加成功率等等。

6 結 論

經過多次的加載試驗，并對比分析各次試驗結果，證實了框架結構采用角柱與斜撐體系能夠保證重量輕、受力性能優秀等特點。從模型構件的受力體系與受力性能角度出發，對結構的選型、設計、優化，具有很強的實用性與指導意義。

［1］王林安，潘景龍，樊承謀.??輕型木結構規格材應力等級的檢驗方法［J］.低溫建筑技術，2005，(3).

［2］劉雁，周定國.國外木結構建筑的抗震性能研究［J］. 世界林業研究，2005，(2).

［3］劉鎮波，劉一星，于海鵬，等. 木材彈性模量自動檢測的研究進展［J］.林業科技，2004，(1).

［4］劉峰旗，張寧.輕型木結構房屋結構體系［J］.山西建筑，2008，(25).

［5］江雪梅. 輕型木結構體系的研究［D］. 河北理工大學，2005.