某胶合木结构美术馆的结构设计

胶合木结构是主要结构构件材料采用胶合木的一种现代木结构体系，近年来国内出现了很多胶合木结构建筑，这种建筑往往体量不大，但形式新颖、造型独特。因木材本身的弹性模量较小，且木梁柱节点的初始抗弯刚度较差，纯胶合木框架结构体系往往抗侧性能不足，故多采用木框架支撑结构和木框架剪力墙结构。

常规的木梁柱连接节点均采用钢插板–螺栓或钢插板–销的形式，但这种连接初始刚度性能较差。为改善木梁柱节点刚度不足的缺点，一些学者提出了不同的改进措施提升这种连接的力学性能。而在实际工程中，可根据具体的工程特点在局部位置设置一些剪力墙或支撑构件，以提高整体结构的抗侧刚度，形成木框架剪力墙结构或木框架支撑结构。相比之下，在胶合木梁柱之间的适当位置布置少量支撑构件则更灵活多样，不失为一种经济可行的结构方案。

1?工程概况

青岛市黄岛区两栋高约11?m的二层美术馆，分为东院及西院（图 1），其中东院建筑面积约1?500?m2，西院建筑面积约2?400?m2。两栋建筑的主要构件均为胶合木梁柱，在局部胶合木柱之间布置少量钢支撑构件。楼屋面竖向荷载主要由胶合木框架承担，结构水平抗侧能力主要由支撑提供。

图1?美术馆

2?结构设计

2.1?基本参数

该工程结构安全等级为二级；设计使用年限为50年；抗震设防类别为标准设防类（丙类），设防烈度为7度（0.10?g），设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.45?s；50年一遇基本风压为0.60?kN/m2，50年一遇基本雪压为0.20?kN/m2；多遇地震下结构的阻尼比为0.05；单向地震考虑5?%偶然偏心，另考虑双向地震作用；胶合木强度等级为TCT?32，钢材强度等级为Q?355?B。

2.2?计算假定

结构计算采用通用有限元分析软件SAP?2000程序。所有梁柱构件均采用框架单元，钢梁柱节点采用刚接。因木框架连接初始抗弯刚度较弱，故保守假定其为铰接连接。木柱柱脚为铰接支座，钢柱柱脚为刚接支座。楼面板考虑50?mm厚混凝土刚度作用，屋面板考虑18?mm厚OSB板刚度作用，采用膜单元模拟。

2.3?结构体系

东院及西院均采用胶合木框架支撑结构体系，大部分梁柱均为胶合木构件，局部跨度较大的梁构件、折梁构件及支撑构件采用钢构件，楼屋面的竖向荷载主要由胶合木框架承担，整体结构的水平抗侧能力主要由支撑体系提供。图2为东院及西院结构概况。

图 2?美术馆结构

（a）东院；（b）西院

2.4?规则性判断

东院及西院结构平面均为L型，在适当位置布置钢支撑体系控制楼层的扭转效应后均存在轻微的扭转不规则，不存在其他不规则情况，表1为东院及西院的扭转不规则判断。

表1?东院及西院不规则性判断

2.5?模态分析

为加速模态分析的收敛性，采用Ritz法，分别计算东院和西院前50阶振型，使有效质量参与系数均大于0.90。东院及西院的前3阶模态见表2。

表2?东院及西院模态分析结果

结果表明，东院及西院前两阶模态均以平动为主，第三阶模态以扭转为主，自振特性较好。

2.6?构件验算

本项目胶合木梁柱均采用未经包封的胶合木构件，验算时应分别考虑荷载基本组合及受火偶然作用下的情况。

考虑受火偶然作用时，耐火时间按1.0?h设计，碳化层厚度为46?mm。由于楼层梁顶面有混凝土面层考虑三面遇火，其余构件按四面遇火计算。构件内力采用荷载偶然组合效应计算，恒载和可变荷载均采用标准值。而用于计算残余构件承载力设计值的强度和弹性模量采用平均值，即材料强度标准值乘以相应的调整系数，调整后的材料强度值见表3。表4及表5为木柱及若干典型木梁在荷载基本组合及受火偶然作用下的验算情况，从表中可看出，在受火偶然状态下，实际胶合木梁柱虽需扣除碳化层后进行强度及稳定验算，但其应力比反而比基本组合的应力比略低。

表3?受火偶然作用下TCT32胶合木的强度

表4?荷载基本组合及受火作用下木柱的验算结果

表5?荷载基本组合及受火作用下木梁验算结果

从以上计算结果可知，梁柱截面在荷载基本组合及受火偶然作用下均满足设计要求。

2.7?结构变形

结构水平位移主要考虑地震和风荷载作用下的柱顶水平位移和层间位移。通过在胶合木柱之间合理布 置支撑，结构整体的水平位移均能得到有效控制，其层间位移角均小于1/250，表6为西院层间位移角计算结果。

表6?西院层间位移角计算结果

3?节点设计

3.1?木柱脚节点

木柱脚用锚栓固定在混凝土柱墩上，是整个木框架结构固定于基础的支座，通过插入木柱的十字钢插板及螺栓固定锚栓连接板。图3为典型的木柱脚节点，可在木柱上开设槽口埋入螺帽，使外观呈现为木色。

图3?木柱脚节点

（a）主视图；（b）A–A剖面图

3.2?木梁柱节点

木梁承受的荷载通过梁柱连接节点传至木柱，采用钢插板–螺栓连接形式，梁端和柱端均采用单插板–单向螺栓连接。图4为典型的木梁柱节点，可在木梁上开设槽口埋入螺帽，使外观呈现木色。

图 4?木梁柱节点

（a）立面图；（b）剖面图

4?结束语

（1）胶合木材料弹性模量较小，且胶合木柱脚及胶合木梁柱连接节点初始抗弯刚度较差，造成胶合木框架整体抗侧刚度很弱。通过在合适部位布置适当的支撑体系，可明显改善整体结构的抗侧性能。

（2）在受火偶然状态下，虽然实际胶合木梁柱需扣除碳化层后进行强度及稳定验算，但这种情况对应的荷载组合为偶然组合，其应力比反而比基本组合下的应力比略低。

（3）胶合木柱脚及梁柱节点均可采用钢插板–螺栓连接形式将连接板隐藏于木构件中。螺栓部位可在木柱上开设槽口埋入螺帽，使外观呈现木色。