第五节木结构
一、木结构用木材
(一)木结构的特点和适用范围
由木材或主要由木材组成的承重结构称为木结构。由于树木分布普遍，易于取材，采伐加工方便，同时木材质轻且强，所以很早就被广泛地用来建造房屋和桥梁。木材是天然生成的建筑材料，它有以下一些缺点：各向异性、天然缺陷(木节、裂缝、斜纹等)、天然尺寸受限制、易腐、易蛀、易裂和翘曲。因此，木结构要求采用合理的结构形式和节点连接形式，施工时应严格保证施工质量，并在使用中经常注意维护，以保证结构具有足够的可靠性和耐久性。
由于木材生长速度缓慢，我国木材资源有限，因此目前在大、中城市的建设中已不准采用木结构，但在木材产区的县镇，砖木混合结构的房屋还比较常见。近年来，胶合木结构也正在积极研究推广，速生树种的应用范围也在不断扩大，因此，木结构在一定范围内还会得到利用和发展。
承重木结构应在正常温度和湿度环境中的房屋结构和构筑物中使用。凡处于下列生产、使用条件的房屋和构筑物不应采用木结构：
(1)极易引起火灾的；
(2)受生产性高温影响，木材表面温度高于500C的；
(3)经常受潮且不易通风的。
(二)木结构用材的种类及分类
1．木结构用材的种类
结构用的木材分两类：针叶材和阔叶材。主要承重构件宜采用针叶材，如红松、云杉：冷杉等；重要的木制连接件应采用细密、直纹、无节和其他缺陷且耐腐的硬质阔叶材，如榆树材、槐树材、桦树材等
2．木结构用材的分类
木结构构件所用木材根据使用前截面的不同，可分为原木、方木和板材三种：
(1)原木
原木又称圆木，可分为整原木和半原木。原木根部直径较粗，梢部直径较细，其直径变化一般取沿长度相差1m变化9mm。原木梢部直径为梢径。原木直径以梢径米度量。
(2)方材
截面宽度与厚度之比小于3的称为方材(方木)，常用厚度为60～240mm。
(3)板材
截面宽度与厚度之比大于3的为板材，常用厚度为15～80mm。 (三)木材的力学性能
1．木材的受拉性能
木材顺纹抗拉强度最高，而横纹抗拉强度很低，仅为顺纹抗拉强度的1／10～1／40。木材在受拉破坏前变形很小，没有显著的塑性变形，因此属于脆性破坏；
2．木材的顺纹受压性能
由木材顺纹受压时的应力—应变关系(图11-127)可见，木材受压时具有较好的塑性变形，它可以使应力集中逐渐趋于缓和，所以局部削弱的影响比受拉时小得多：木节对受压强度的影响也较小，斜纹和裂缝等缺陷和疵病也较受拉时的影响缓和，所以木材的受压工作要比受拉工作可靠得多。
3．木材的受弯性能
由木材横向弯曲试验得到试件中部(纯弯曲段)截面的应力分布(图11-128)。从图中可以看出，截面的应力只在加荷初期才呈直线分布。随着荷载的增加，在截面的受压区，压应力分布将逐渐成为曲线，而受拉区内应力的分布仍接近于直线，中和轴逐渐下移。当受压边缘纤维应力达到其强度极限值时将保持不变，此时的塑性区不断向内扩展，拉应力不断增大，一直到边缘拉应力到达抗拉强度极限时，试件即告破坏。木材的抗弯强度极限是从测得的破坏弯矩M按σ=M/W求得的(W—试件截面抵抗矩)，是假定法向应力呈直线分布导出的，并不代表试件破坏时截面的实际应力，它实际上是一个虚设的极限应力，按这个公式求得的极限抗弯强度只是一个折算的指标。 4．木材的承压性能
两个构件利用表面互相接触传递压力叫做承压；作用在接触面上的应力叫做承压力。在构件的接头和连接中常遇到这种情况。
木材承压工作按外力与木纹所成角度的不同，可分为顺纹承压、横纹承压和斜纹承压三种形式(图11-129)。
(1)顺纹受压
木材的顺纹承压强度一般略低于顺纹受压的强度，这是由于承压面不可能完全平整，致使承压力分布不均匀；又由于两构件的年轮不可能对准，一构件晚材压人另一构件早材，也使变形增大。但两者相差很小，所以，《木结构设计规范》(GB 50005—2003)(本节以下简称《木结构规范》将顺纹承压与顺纹受压强度取同一值。
(2)横纹承压
横纹承压分为局部长度承压，局部长度和局部宽度承压、全表面承压三种情况(图11-130a，b，c)。
局部长度承压的强度较高，因为局部长度承压时，不承压部分的纤维对其受压部分的纤维的变形有阻止作用，实际上起到了支持和减载的作用。在局部长度承压中，承压面长度越小，承压强度越高，但如构件全长l与承压面长度lc之比>3时，承压强度将不再提高。此外，如未承压长度不小于构件厚度时，两端将出现开裂(图11-131)， 因此构造上要求保证未承压长度小于承压面的长度和构件的厚度。
在部分宽度上的局面承压；因为木材在横纹方向彼此牵制作用很小，所以局部承压中不考虑在宽度方向未受力部分的影响。
木材全部表面横纹承压时变形较大，加荷至一定限度后，由 于细胞壁逐渐破裂被压扁，塑性变形发展很快，当所有细胞壁被压扁，木材被压实，其变形逐渐减小直至纤维束失去稳定而破坏。所以横纹全部表面承压的强度最低。
(3)斜纹承压
斜纹承压即外力与木纹成—定角度的局部承压。斜纹承压的强度介于顺纹承压和横纹承压之间、其值随角(见图11—129)的增加而降低。 5．木材的受剪性能
木材的受剪可分为截纹受剪、顺纹受剪和横纹受剪(图11—132)。
截纹受剪是指剪切面垂直于木纹，木材对这种剪切的抵抗能力很大，一般不会发生这种破坏。顺纹受剪是指作用力与木板平行。横纹受剪足指作用力与木纹垂直。横纹剪切强度约为顺纹剪切强度的一半。而截纹剪切则为顺纹剪切强度的8倍。木结构中通常多用顺纹受剪。剪切破坏属于脆性破坏。
(四)影响木材力学性能的阅素
木材是由管状细胞组成的天然有机材料，它的力学性能受着许多因素的影响。
1．木材的缺陷
天然生长的木材不可避免地会存在一些缺陷，对木材影响最大的缺陷是腐朽、虫蛀，这是任何等级的木材绝对不允许的；此外，对木材影响较大的缺陷有木节、斜纹、裂缝以及髓心。
《木结构规莅》将木材材质按缺陷的多少和大小，以及承重结构的受力要求，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级(Ⅰ级最好，Ⅲ级最差)。承重结构构件按受力方式及受力重要性分为三类：受拉或拉弯构件材质等级选用Ⅰ级；受弯或压弯构件材质等级选用Ⅱ级；受压构件及次要受弯构件(如吊顶小龙骨)材质等级选用Ⅲ级。
2，含水率
木材的含水率对木材强度有很大影响，木材强度一般随含水率的增加而降低，当含水率达到纤维饱和点寸，含水率再增加，木材强度也不再降低、含水率对受压，受弯、受剪及承压强度影响较大，而对受拉强度影响较小。
按含水率的大小，木材可分为干材(含水率≤18％)，半干材(含水率=18％～25％)和湿材(含水率>25％)．<木结构规范规定，在制作构件时，木材的含水率应符合下列要求：
(1)现场制作的原木或方木结构不应大干25％：
(2)板材和规格材不应大于20％；
(3)受拉构件的连接板不应大于18％；
(4)作为连接件不应大于15％；
(5)层板胶合木结构不应大于15％，且同一构件各层木板间的含水率差别不应大于5％。
3．木纹斜度
木材是一种各向异性的材料，不同方向的受力性能相差很大，同一木材的顺纹强度最高，横纹强度最低。此外，木材的力学性能还与受荷载作用时间、温度的高低、湿度等因素的影响有关。受荷载作用随时间的增长，木材的强度和刚度下降。温度升高、湿度增大，木材的强度和刚度下降。
