一、木材的特點(diǎn)和適用范圍
木結(jié)構(gòu)(timberstructure)是指以木材為主制作的結(jié)構(gòu)。
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(zhì)輕且強(qiáng)，所以木材很早就被用來建造房屋與橋梁。但是，由于術(shù)材存在著各向異性、天然缺陷(木節(jié)、斜紋、髓心、裂縫等)、易腐、易蛀和易裂等缺點(diǎn)，對木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、節(jié)點(diǎn)連接，施工質(zhì)量以及使用期維護(hù)都有比較高的要求，以保證木結(jié)構(gòu)有足夠的可靠性和耐久性。
木結(jié)構(gòu)生長速度緩慢，而木材資源有限，因此，建造木結(jié)構(gòu)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(fā)展人工林，改變過去對生態(tài)保護(hù)重視不夠，森林資源破壞嚴(yán)重的情況，促進(jìn)我國木結(jié)構(gòu)健康地可持續(xù)性發(fā)展。
承重木結(jié)構(gòu)應(yīng)在正常溫度和濕度環(huán)境中項(xiàng)房屋結(jié)構(gòu)和構(gòu)筑物中使用。凡處于下列生產(chǎn)和使用條件的情況，不應(yīng)采用木結(jié)構(gòu)：
(1)極易引起火災(zāi)的;
(2)受生產(chǎn)性高溫影響，木材表面溫度高于50℃的;
(3)經(jīng)常受潮且不易通風(fēng)的。
二、木材的分類
木結(jié)構(gòu)用的木材分為針葉材和闊葉材。主要承重構(gòu)件宜采用針葉材，重要的木質(zhì)連接件應(yīng)采用細(xì)密、直紋、無節(jié)和無其他缺陷且耐腐蝕的硬質(zhì)闊葉材。
承重木結(jié)構(gòu)用的木材，按照其材質(zhì)，從好到壞可分為I、II、III級，設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)受力的種類進(jìn)行選用：受拉或拉彎構(gòu)件材質(zhì)等級選用I級;受彎或壓彎構(gòu)件材質(zhì)等級選用II級;受壓構(gòu)件及次要受彎構(gòu)件材質(zhì)等級選用III級。承重結(jié)構(gòu)木材材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)參見《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50005-2003)(本節(jié)以下簡稱《規(guī)范》)附錄A。
木結(jié)構(gòu)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(sawnlumber)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(squaretimber)、板材(plank)和規(guī)格材(dimensionlumber)。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(guī)格材是指按輕型木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，木材截面寬度和高度按規(guī)定尺寸加工的規(guī)格化木材。
(3)膠合材(gluedlunber)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(qiáng)度有很大的影響，隨含水率的增加木材強(qiáng)度降低。當(dāng)含水率達(dá)到纖維飽和點(diǎn)時，木材的強(qiáng)度不再降低。含水率對受壓、受彎、受剪及承壓強(qiáng)度影響較大，而對受拉強(qiáng)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%)�！兑�(guī)范》規(guī)定，在制作構(gòu)件時，木材的含水率應(yīng)符合下列要求：
(1)現(xiàn)場制作的原木或方木結(jié)構(gòu)不應(yīng)大于25%;
(2)板材和規(guī)格材不應(yīng)大于20%;
(3)受拉構(gòu)件的連接板不應(yīng)大于18%;
(4)作為連接件不應(yīng)大于15%;
(5)層板膠合木結(jié)構(gòu)不應(yīng)大于15%，同一構(gòu)件各層木板間的含水率差別不應(yīng)大于5%。
2.木材的濕脹、干裂與翹曲
當(dāng)木材的含水率在纖維飽和點(diǎn)以下變化而引起木材的濕脹或干裂時，其尺寸變化的規(guī)律是相似的。由于干縮會引起開裂和翹曲，對于木結(jié)構(gòu)的工作影響較大，因此木結(jié)構(gòu)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(huán)向的收縮受到徑向的約束，沿年輪產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力;
(2)木材外層的水分蒸發(fā)速度比內(nèi)層快，其收縮變形受到內(nèi)層的阻礙時，亦產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力。上述兩種原因產(chǎn)生的拉應(yīng)力之和，超過了木材的抗拉強(qiáng)度時，即由外向內(nèi)發(fā)生開裂。木材端部水分蒸發(fā)較快，常形成嚴(yán)重的端裂，應(yīng)設(shè)法預(yù)防。
對于板材而言，在干燥過程中，環(huán)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(fā)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(qiáng)度有影響的缺陷還包括：木節(jié)、斜紋、裂縫和髓心。
木結(jié)構(gòu)的構(gòu)件連接是木結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容之一，包括連接形式、連接構(gòu)造和連接計(jì)算三部分內(nèi)容。常用的木結(jié)構(gòu)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(gòu)件與構(gòu)件之間直接抵承傳力，所以齒連接只應(yīng)用在受壓構(gòu)件與其他構(gòu)件連接的結(jié)點(diǎn)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(gòu)造要求
(1)齒連接的承壓面，應(yīng)與所連接的壓桿軸線垂直;
(2)單齒連接應(yīng)使壓桿軸線通過承壓面中心;
(3)木絎架支座結(jié)點(diǎn)的上弦軸線和支座反力的作用線，當(dāng)采用方木或板材時，宜與下弦凈截面的中心線交匯于一點(diǎn);當(dāng)采用原木時，可于下弦毛截面的中心線交匯于一點(diǎn)，此時，刻齒處的截面可按軸心受拉驗(yàn)算;
(4)齒連接的齒深，對于方木不應(yīng)小于20mm，對于原木不應(yīng)小于30mm;
(5)絎架支座結(jié)點(diǎn)齒深不應(yīng)大于h/3，中間結(jié)點(diǎn)的齒深不應(yīng)大于h/4(h為沿齒深方向的構(gòu)件截面高度);
(6)雙齒連接中，第二齒的齒深hc應(yīng)比第一齒的齒深hc，至少大20mm，單齒和雙齒第一齒的剪面長度不應(yīng)小于4.5倍齒深;
(7)當(dāng)采用濕材制作時，木析架支座節(jié)點(diǎn)齒連接的剪面長度應(yīng)比計(jì)算值加長50mm;
(8)析架支座節(jié)點(diǎn)采用齒連接時，必須設(shè)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(jì)算
(1)按木材承壓：
式中fca―木材斜紋承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2，按《規(guī)范》第4.2.6條確定;
N―作用于齒面上的軸向壓力設(shè)計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2;
V一作用于剪面上的剪力設(shè)計(jì)值，N;
lv―剪面計(jì)算長度，?，其取值不得大于齒深hc的8倍;
bv―剪面寬度，mm;
咖―沿剪面長度剪應(yīng)力分布不勻的強(qiáng)度降低系數(shù)，按《規(guī)范》表6.1.2
采用。
4.雙齒連接計(jì)算
(1)雙齒連接的承壓，仍按照(7-13)計(jì)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(jì)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(yīng)力分布不勻的強(qiáng)度降低系數(shù)ψv按《規(guī)范》表6.1.3采用。
5.保險螺栓計(jì)算
當(dāng)析架支座采用齒連接時，必須設(shè)置保險螺栓。其承受之拉力Nb由上弦軸力設(shè)計(jì)值N和上下弦的夾角a按下式計(jì)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(shè)計(jì)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(gòu)造要求
連接木結(jié)構(gòu)的最小厚度規(guī)定按表7-1取值;
(2)螺栓排列的的最小問距按表7-2取值，
(3)釘排列的的最小間距按表7-3取值。
3.單齒連接計(jì)算
(1)當(dāng)木結(jié)構(gòu)最小厚度符合表7-1規(guī)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(shè)計(jì)值，N;
fc―木材順紋承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm;
d―螺栓或釘?shù)闹睆�，mm;
Kv―螺栓或釘連接設(shè)計(jì)承載力計(jì)算系數(shù)，按照《規(guī)范》表6.2.2采用。
(2)當(dāng)木結(jié)構(gòu)最小厚度不能滿足表7-1規(guī)定時，則每一剪面的承載力設(shè)計(jì)值除了Nv按式(7-16)計(jì)算外，且不得大于0.3cdΨ2αfc，Ψα按照《規(guī)范》表6.2.4采用。
(3)若螺栓的傳力方向與構(gòu)件木紋成“角度時，按式(7-16)計(jì)算的每一剪面的承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以木材斜紋承壓的降低系數(shù)Ψα，Ψα按照《規(guī)范》表6.2.4采用。釘連接可不考慮斜紋承壓的影響。
(l)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列要求：
l)木材宜用于結(jié)構(gòu)的受壓或受彎構(gòu)件，對于在干燥過程中容易翹裂的樹種木材用作析架時宜采用鋼下弦;若采用木下弦，對于原木，其跨度不宜大于15m，對于方木不應(yīng)大于12m，且應(yīng)采取有效措施防止裂縫危害;
2)木屋蓋宜采用外排水，若必須用內(nèi)排水時，不應(yīng)采用木質(zhì)天溝;
3)應(yīng)積極創(chuàng)造條件采用膠合木構(gòu)件或膠合木結(jié)構(gòu);
4)必須采取通風(fēng)和防潮措施，以防木材腐朽和蟲蛀;
5)合理減少構(gòu)件截面的規(guī)格，以符合工業(yè)化生產(chǎn)的要求;
6)應(yīng)保證木結(jié)構(gòu)，特別是鋼木析架在運(yùn)輸和安裝過程中的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性;
7)地震區(qū)設(shè)計(jì)木結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造上應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)件之間、結(jié)構(gòu)與支撐物之間的連接，特別是剛度差別較大的兩部分或兩個構(gòu)件之間的連接必須安全可靠。
(2)在可能造成風(fēng)災(zāi)的臺風(fēng)地區(qū)和山區(qū)風(fēng)口地段，木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)采取有效措施，以加強(qiáng)建筑物的抗風(fēng)能力。盡量減小天窗的高度和跨度;采用短出檐或封閉出檐;瓦面宜加壓磚或坐灰;山墻采用硬山;檁條與析架(或山墻)、朽架與墻(或柱)、門窗框與墻體等的連接均應(yīng)采取可靠錨固措施。
(3)抗震設(shè)防烈度為8度和9度地區(qū)設(shè)計(jì)木結(jié)構(gòu)建筑，可根據(jù)需要采用隔震、消能設(shè)計(jì)。
(4)在結(jié)構(gòu)的同一結(jié)點(diǎn)或接頭中有兩種或多種不同的連接方式時，計(jì)算時應(yīng)該考慮一種連接傳遞內(nèi)力，不得考慮幾種連接的共同工作。
(5)桿系結(jié)構(gòu)中的木結(jié)構(gòu)，當(dāng)有對稱削弱時，其凈截面面積不應(yīng)小于構(gòu)件毛截面面積的50%;當(dāng)有不對稱削弱時，其凈截面面積不應(yīng)小于構(gòu)件毛截面面積的60%。
(6)受彎構(gòu)件的受拉邊，不得打孔或開設(shè)缺口。
(7)圓鋼拉桿和拉力螺栓的直徑，應(yīng)按計(jì)算確定，但不宜小于12mm。
(8)析架的圓鋼下弦、三角形析架跨中豎向鋼拉桿、受振動荷載影響的鋼拉桿以及直徑等于或大于20mm的鋼拉桿和拉力螺栓，都必須采用雙螺帽。
(9)木結(jié)構(gòu)的鋼材部分，應(yīng)有防銹措施。
(10)在房屋或構(gòu)筑物建成后，應(yīng)按《規(guī)范》附錄D對木結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查和維護(hù)。對于用濕材或新利用樹種木材制作的木結(jié)構(gòu)，必須加強(qiáng)使用前和使用后第1~2年內(nèi)的檢查和維護(hù)工作。
