现代木结构的研究与应用

现代木结构的研究与应用二〇一六年十一月南京工业大学现代木结构研究所刘伟庆陆伟东杨会峰岳孔1南京工业大学现代木结构研究所结构木材及其加工工艺二现代木结构体系三现代木结构的构件及连接四现代木结构的特点及意义一报告大纲现代木结构的耐久性及防火五南京工业大学的相关工作六01特点一、现代木结构的特点及意义南京工业大学现代木结构研究所工厂化加工制造工厂化加工制造，节省劳动力资源，生产效率高、产品质量优。装配式施工安装采取现场装配式安装，节省劳动力资源，施工便捷，对环境影响小。结构体系清晰从低层、多层、大跨到高层现代木结构，结构体系清晰，技术经济性好。现代连接技术采取钉连接、螺栓连接、植筋连接、销连接、齿板连接等现代连接技术。耐久性好，抗震防火能力强采取防虫、防霉、防裂等耐久性提升技术措施，及抗震、防火技术措施。02意义南京工业大学现代木结构研究所符合生态环保、节能减排、可持续发展的基本国策相对于钢材和混凝土，木材在能耗、气候影响和资源消耗等方面具有明显优势；森林每增长1m3木材蓄积，净吸收二氧化碳量1吨，释放730kg氧气，储存270kg碳。符合装配式建筑的基本要求工业化加工制造，现场装配式施工安装，节省劳动力资源，保护生态环境。符合生态宜居的发展趋势可调节室内温、湿度，改善室内空气品质。木材具有天然的“呼吸”功能，可调节室内温湿度，有利于室内环境的改善。木结构有助于调节情绪、缓解压力、增强记忆力，对人体心理健康有很大益处。南京工业大学现代木结构研究所03政策现代木结构是绿色低碳和建筑工业化的重要途径中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见2016年2月6日指导思想：牢固树立和贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念贯彻“适用、经济、绿色、美观”的建筑方针发展新型建造方式：在具备条件的地方，倡导发展现代木结构建筑。国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见国办发〔2016〕71号（2016年9月27日）大力发展装配式混凝土建筑和钢结构建筑，在具备条件的地方倡导发展现代木结构建筑。因地制宜发展装配式混凝土结构、钢结构和现代木结构等装配式建筑。力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。南京工业大学现代木结构研究所结构木材及其加工工艺二现代木结构体系三现代木结构的构件及连接四现代木结构的特点及意义一报告大纲现代木结构的耐久性及防火五南京工业大学的相关工作六二、结构木材及其加工工艺01木材资源南京工业大学现代木结构研究所国内外结构用木材资源：储量丰富蓄积量高材质佳天然林全面禁伐，国内结构用材70%以上依靠进口；从北美进口：花旗松、落叶松、铁杉、南方松等；从欧洲进口：赤松、云杉等；从俄罗斯进口：落叶松、樟子松等。我国大规模发展木结构建筑，在木材资源上有充分保障。南京工业大学现代木结构研究所南京工业大学现代木结构研究所结构用木材分级02木材分级定义：根据木材的抗弯弹性模量或其它主控指标进行强度分等的工艺。目的：合理组坯、适材适用。分类：机械分等、目测分等。树种及外观等级弹性模量抗弯强度抗拉强度SZ1SZ2SZ3SZ4平均值5%分位值平均值5%分位值平均值5%分位值Id140001150054.040.532.024.0IIdId125001050048.536.028.021.5IIIdIIdId11000950045.534.026.520.0IIIdIIdId10000850042.031.524.518.5IIIdIId9000750039.029.523.517.5IIId8000650036.027.021.516.0目测分等层板强度指标(MPa)分等等级ME7ME8ME9ME10ME11ME12ME14ME16ME18抗弯平均值33.036.039.042.045.048.554.063.072.05%分位值25.027.029.531.534.036.540.547.554.0抗拉平均值20.021.523.524.526.528.532.037.542.55%分位值15.016.017.518.520.021.524.028.032.0机械分等层板强度指标（MPa）最外层层板外层层板中间层层板内层层板内层层板内层层板内层层板中间层层板外层层板最外层层板03工程木南京工业大学现代木结构研究所应用于建筑领域的工程木主要有：层板胶合木(Glulam)；单板层积材或旋切板胶合木(LVL)；正交胶合木(CLT)。GlulamLVLCLT03工程木南京工业大学现代木结构研究所层板胶合木(Glulam)是由20~50mm木板经干燥、顺纹胶合而成，可用作梁、柱等结构构件。层板胶合木加工工艺03工程木南京工业大学现代木结构研究所旋切板胶合木(LVL)则是由2.5~6mm的原木旋切成单板，单板顺纹组坯胶合而成，一般用作梁、柱等构件。旋切胶合木加工工艺03工程木南京工业大学现代木结构研究所正交胶合木(CLT)采用层板正交叠放胶合成实木板材，叠层数量可根据用户需求或建筑需要设置为3、5、7和9层，可用作承重墙体与楼板，建设多层、高层木结构建筑。CLT南京工业大学现代木结构研究所04质量保证体系生产要求1、生产条件人员：具有生产胶合木和木材分等的技能。环境：气温(≥15℃)和相对湿度(40%-75%)。2、生产设备环境温度和相对湿度的连续监测；测量木材含水率，检查(校验)含水率仪；机械和外观分等设备和胶合木生产装备。3、原材料经权威机构认可的适合胶合木生产的树种；含水率：8%~15%；适于胶合木不同使用环境的胶粘剂。4、加工制造层板制造：指接、养护层板胶合：组坯、加压、固化胶合木刨光和表面修补5、包装运输检验项目普通层板弯曲和拉伸试验纵接层板弯曲和拉伸试验胶合木胶层剪切试验胶合木煮沸剥离试验胶合木含水率试验质量检验初期检验正常生产检验结构用集成材的生产记录国外发达国家：实行产品认证和市场准入制度，较好地保证了产品的质量(种类、尺寸、品质、性能、安全性)。欧洲：CE和FSC认证北美：CSA认证日本：JIS认证俄罗斯：GOSTR认证我国尚未建立工程木质量认证和准入体系，仅在标准规范中对构件生产和检验作出规定。南京工业大学现代木结构研究所结构木材及其加工工艺二现代木结构体系三现代木结构的构件及连接四现代木结构的特点及意义一报告大纲现代木结构的耐久性及防火五南京工业大学的相关工作六01体系概况三、现代木结构体系南京工业大学现代木结构研究所6层6层10层12层18层05101520轻型木结构框架-支撑结构框架-剪力墙结构剪力墙结构核心筒—木结构多高层木结构建筑允许层数（6度）来自《多高层木结构建筑技术标准》（送审稿）井干式木结构轻型木结构梁柱—支撑梁柱—剪力墙CLT剪力墙核心筒-木结构低层建筑多层建筑高层建筑大跨建筑网壳结构、张弦结构、拱结构及桁架结构02井干式井干式木结构（木刻楞）组成：采用原木、方木等实体木料，逐层累叠、纵横叠垛而构成间。特点：连接部位采用榫卯切口相互咬合，木材加工量大、木材利用率不高。应用领域：这类房屋在国内外均有应用，一般在森林资源比较丰富的国家或地区比较常见，如我国东北地区就大量采用。南京工业大学现代木结构研究所原木结构方木结构03轻型木结构轻型木结构组成：用规格材、木基结构板材或石膏板等制作的木构架墙体、楼板和屋盖系统构成的单层或多层建筑结构。特点：安全可靠、保温节能、设计灵活、快速建造、成本低。应用领域：低层、多层住宅建筑及小型办公建筑等。南京工业大学现代木结构研究所04梁柱—剪力墙体系南京工业大学现代木结构研究所梁柱—剪力墙木结构：在胶合木框架中内嵌木剪力墙的一种结构体系特点：既改善了胶合木框架结构的抗侧力性能，又比剪力墙结构有更高的性价比和更好的灵活性。应用领域：可用于低层和多、高层木结构。新西兰，梁柱—剪力墙木结构建筑；材料：梁柱为LVL，剪力墙为CLT。挪威卑尔根14层TREET项目，梁柱框架—支撑结构，总高49.9m。05梁柱—支撑体系南京工业大学现代木结构研究所梁柱—支撑木结构：在胶合木框架中设置（耗能）支撑的一种结构体系。特点：体系简洁、传力明确、用料经济、性价比高。应用领域：可用于低层和多、高层木结构建筑。06CLT剪力墙体系南京工业大学现代木结构研究所CLT剪力墙木结构：以正交胶合木作为剪力墙的一种结构体系。特点：以CLT木质墙体为主承受竖向和水平荷载作用，保温节能、隔声及防火性能好、结构刚度较大，但用料不经济。应用领域：可用于多、高层木结构建筑。澳大利亚墨尔本，Forte公寓，10层，高32米。07核心筒—木结构南京工业大学现代木结构研究所核心筒木结构：是以钢筋混凝土或CLT核心筒为主要抗侧力构件，加外围梁柱框架的结构形式。特点：以核心筒为主要抗侧力构件、木梁柱为主要竖向受力构件；结构体系分工明确，需注意两种结构之间的协调性。应用领域：主要用于多、高层木结构建筑。加拿大UBC大学BrockCommons学生公寓，18层，53m。08网架木结构南京工业大学现代木结构研究所网壳木结构应用领域：主要用于大跨木结构公共建筑，一般设计跨度50-150m。美国塔科马穹顶直径162m，最高处高出地面45.7m大梁截面200mm×762mm日本大馆树海棒球馆伊東豊雄建築設計事務所设计卵型178m×157m最大截面为2-285mm×1020mm09张弦结构南京工业大学现代木结构研究所日本兵庫県朝来市温水游泳馆加拿大西蒙弗雷泽大学(SFU)主楼张弦木结构应用领域：主要用于大跨木结构建筑和桥梁，一般设计跨度30-60m。10拱结构南京工业大学现代木结构研究所拱结构应用领域：主要用于大跨木结构建筑和桥梁，一般设计跨度20-100m。2010年加拿大冬奥会速滑馆度近100m，建筑面积47000m2屋面由14根1600mm高木梁承重美国加州Anaheim市迪斯尼溜冰中心，曲线胶合木梁的跨度为35.4m，梁截面为225mm×1292mm，木结构建筑面积5295.5m2。12桁架结构南京工业大学现代木结构研究所挪威Tynsseett桥—桁架拱结构单跨最大70m，总长124m奥斯陆机场屋面，跨度52m，总长133m奥斯陆机场屋面桁架桁架结构应用领域：主要用于大跨木结构建筑和桥梁，一般设计跨度20-60m。南京工业大学现代木结构研究所结构木材及其加工工艺二现代木结构体系三现代木结构的构件及连接四现代木结构的特点及意义一报告大纲现代木结构的耐久性及防火五南京工业大学的相关工作六四、现代木结构的构件及连接01木质组合梁通过不同工程木及与其他结构材料的优化组合，形成工程木组合梁，实现理想的结构性能和美观的外形。建筑结构学报,2008,29(1):90-95南京工业大学现代木结构研究所采用LVL对glulam进行增强或组合，主要目标是提高构件的性价比主要因素包含：LVL设置部位及所占比例大小、木梁高度。对LVL梁自身的不同受力方向也进行了结构性能对比，发现两者承载力相当，但外观差异大。承载能力：组合构件的极限承载力和刚度相对于胶合木构件分别提高15%和27%，而成本基本相同。01增强型木构件全球速生材、低质材资源丰富，为充分利用材料，采用FRP、钢筋等采用水平粘贴、竖嵌增强、拉挤成型等方式进行增强，通过试验和理论方法系统研究了增强型受弯构件、压弯构件的结构性能。ConstructionandBuildingMaterials,2016,106:550-563；ConstructionandBuildingMaterials,2015,91:23-31.；建筑结构学报,2007,28(1):64-71钢筋与FRP增强木梁极限承载力：提高达69.7%；抗弯刚度：提高达27.5%；木材破坏时最大拉应变：提高达30%~50%；主编国家标准：增强型胶合木构件技术标准。LVLLVLFRP钢筋钢筋01增强型木构件竖嵌FRP增强胶合木梁020406080100120140160180200220