桐木结构在房屋建筑体系中的应用与分析

胡羽佳

[摘要]随着我国社会经济的发展，人们对于所居住房屋安全性与抗震性能的要求也越来越高。房屋受力的大小、抗震能力与房屋自身的重量关系很大，因此如何减少房屋自身的重量，用最小的重量承担最大的重量，并能够抵挡水平力成为研究的核心，笔者通过参加同济大学受力模型竞赛中对桐木结构模型的研究与分析，提出了个人的一些观点。

[关键词]桐木结构；方案；研究与分析

文章编号：2095-4085（2015）10-0021-02

1方案与构思

本次的课题有三个，即承受最大荷载15kg，在承受荷载的状况下水平拉动5mm位移以及在形变5mm位移的状况下自由振动直到停止，而且应当保持在构件不破坏的情况下重量最轻，所以本次的要求对刚度与强度都提出了要求，即竖向强度要大，而水平刚度要小，节点刚度较大，这样才能够较好地承担竖向力与水平力的作用。在我们的生活当中，最常见到的房屋结构形式是框架结构、框筒结构与剪力墙结构，其中框架结构的水平刚度最小，而竖向承载能力差别不大，因此优先考虑木框架结构来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为桐木材料，桐木结构具有质量轻、强度高的特性，但是具体到实际的模型制作当中，则需要考虑材料的各向异性，木材的纹理以及受力方向等，这些材料的性能直接会影响到构件的稳定性，从而影响整个结构的受力，因此，笔者在制作之前，对结构的受力性能、重量进行了实际的量测，测量情况如下。

桐木结构的弹性模量：制作之前应当对结构材料的弹性模量进行实际量测，因为如果弹性模量不一致，那么在均匀受力的条件之下，每一根木柱的压力相同，压缩值不一致，就会造成整个模型的偏心受压，产生倾覆力矩，导致整个模型的倾斜与坍塌，桐木结构的弹性模量用激光位移计与压力计进行，共量测十组数据，剔除异常值以后取平均值作为弹性模量的代表值，可得2×2mm的桐木杆件的弹性模量约为1272.66MPa，因此木条的强度是足够支撑15kg的重量的。

桐木结构的重量：在实际的材料当中，同样规格的木构件由于木材密度的分布情况不同，其重量也有差异，如果同样做四根受力柱，那么质量轻的一根一定是最容易产生形变甚至损坏的，因此在制作当中应当保证受力柱重量的一致。该组试验当中，量测得2×2mm柱的平均重量为1.3g，因此选取柱材料的时候，应当按照偏差不大于0.1g选取，而2×4mm的柱平均重量为2.5g，所以也应当在选材时按照偏差不大于0.1g选取。

胶水的选择：在市面上的502胶水有多种品牌，但是经过多次试验表明，不同厂家生产的胶水性能差异较大，有的胶水可以在瞬间把两个结构粘结在一起，强度也能够保证受力需要，但是有的胶水则很难保证受力，粘结时间也较长，本次实验经过比选，选择开拓者牌号的502胶水当作试验专用胶水，强度较大，在试验过程中，也未出现过由于节点破坏而导致的试验失败现象。

3受力构件截面尺寸分析

根据受力计算，2×2mm的桐木条竖向受压强度是足够的，因此理论上15kg的重量，一根2×2mm的柱便可以承担，但是在实际模型当中，需要考虑的一个因素就是长细比，这与结构当中的理论也是一样的，柱子不怕压，但是一旦出现弯曲，就会产生二次力矩，而且一根柱子发生形变会造成整个结构的整体扭转，这样结构就会坍塌。所以，如何保证柱不产生挠度、结构不发生扭转是研究的关键所在。

4模型受力结构体系的设计

为了保证强度以及刚度的要求，本次模型选用框架结构，采用2×4mm的角柱，共分三层，由于模型要求地上部分不大于500mm，因此层高分别为180mm，160mm，160mm，地基基础采用条形基础，基础之间用2×2mm木条连接，形成整体。梁采用2×4mm的梁，由于体系刚度要求较小，因此梁不设置在柱中间，而是用粘贴的方式设置在柱外侧，同时在柱顶与柱脚之间采用2×2mm的木条进行斜向连接，防止平面扭转，楼板用细木条搭设，形成受力框架模型。这样的结构有较好的承载能力，柱的长细比也满足受力要求，刚度也较小。

5模型的制作要点

受力体系设计好以后，最为重要的就是模型的实际制作。因为所使用的材料都比较细小，因此想要加工好，需要娴熟的技巧和不断的练习，针对质地比较坚硬的桐木条，应当采用工具刀不断地切割，而对于较软的桐木条可以使用刀用力往下按，避免来回搓动造成切割截面的损伤。为了使得不同的构件能够很好地连接在一起，在构件截取好之后需要对端部进行仔细的加工，比如用砂纸打磨，使构件端面完整平滑，便于粘贴，或者切出斜面，能够增加粘贴的面积，增加成功率等等。

6结论

经过多次的加载试验，并对比分析各次试验结果，证实了框架结构采用角柱与斜撑体系能够保证重量轻、受力性能优秀等特点。从模型构件的受力体系与受力性能角度出发，对结构的选型、设计、优化，具有很强的实用性与指导意义。