CN103510619A - 低矮轻型木结构房屋门式钢架系统 - Google Patents
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Abstract
一种低矮轻型木结构房屋门式钢架系统，由框架体，顶梁，套板组成，框架体与顶梁链接，套板设置在框架体外，分别通过重合面连接在框架体和顶梁上，框架体与顶梁连接处设置壁角接头。和现有技术相比，本发明具有如下优点：结果显示门式钢架的初始刚度通常低于支撑墙。不过在极限能力方面，单边套板的无压型钢板门式钢架的极限横向承载能力相当于2.44米的支撑墙。压型钢板门架的横向承载能力通常接近4.88米无压型钢板支撑墙的承载力。门式钢架的延性比也可与支撑墙媲美，门式钢架的能量吸收性能优于支撑墙。从强度和能量吸收的角度看，建造可以代替一定长度的支撑墙的门式钢架结构是可行的。
Description
技术领域
本发明涉及木屋建筑领域，具体地说是指一种门式钢架系统。
背景技术
轻型木屋的横向阻力通常由套板或斜板支撑墙提供。为保证房屋有足够的横向承载力抵御中强级大风和地震，2010年加拿大国家建房规范（NBCC）第九部分对支撑墙最低长度和支撑墙体间最大间隔作出指定要求。该规范还详细说明了建造支撑墙体的可用材质、加固要求和框架细节。尽管大多数轻型木屋可以达到对支撑墙体的最低要求，但也有建筑要求规定的空间限制导致支撑墙的长度达不到要求的时候。例如：大型车库的普遍特征就是它需要开阔的场地。我们需要开发另一种同样能提供满足2010年NBCC第九部分对支撑墙体最低要求的横向阻力的支撑系统，且这种系统不限制开放空间。
木框架系统一直以来都被工程师和建筑师认定为能够满足横向荷载要求的另一种支撑体系。该系统首先由APA-美国工程木材协会于21世纪初建成。APA（APA2003.2004）对门式钢架试样的全面测试表明门式钢架的性能可达到美国国际居住标准（IRC）（ICC2009）规定的现行支撑要求。全面的重复测试证实高度与宽度比例为6:1的门式钢架系统的性能接近或超过IRC许可的高度与宽度比例为4：1的墙段。该测试结果使人们有理由接受自2006年后建造的门式钢架系统。
发明内容
本发明提供一种提升性能的低矮轻型木结构房屋门式钢架系统，得以替代支撑墙体。
本发明采用如下技术方案：一种门式钢架系统，由框架体，顶梁，套板组成，框架体与顶梁链接，套板设置在框架体外，分别通过重合面连接在框架体和顶梁上，框架体与顶梁连接处设置壁角接头。
设置有压型钢板；
框架体单边设置套板或双边设置套板；
框架内壁角设置金属片；
套板与框架体以及顶梁固定，通过粘结或钉子连接；
套板通过钉子与框架体以及顶梁固定，固定套板与框架体通过中心间距为75毫米的钉子固定，固定套板与顶梁重合面采用中心间距为75毫米的网格定钉模式，框架体与顶梁的每个接触面均通过钉子固定，钉子为2x3的布局；
顶梁采用积成材或云杉、冷杉；
套板选用软木胶合板；
框架采用8d的普通钉子将套板与框架组成部分固定。顶梁采用中心间距为75毫米的网格定钉模式。套板与前板和底板之间用一排中心间距为75毫米的钉子固定。
采用胶粘剂将套板粘到框架组成部分上，并沿板边缘钉一排中心间距为75毫米的钉子将其固定在框架部分和顶梁上。
门架两侧都安装金属片。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：结果显示门式钢架的初始刚度通常低于支撑墙。不过在极限能力方面，单边套板的无压型钢板门式钢架的极限横向承载能力相当于2.44米的支撑墙。压型钢板门架的横向承载能力通常接近4.88米无压型钢板支撑墙的承载力。门式钢架的延性比也可与支撑墙媲美，不过由于失效模式的类型的初始刚度更低，门式钢架系统的韧性似乎稍低一些。说到能量吸收，门式钢架的性能优于支撑墙。从强度和能量吸收的角度看，建造可以代替一定长度的支撑墙的门式钢架结构是可行的。
附图说明
图1为门式钢架结构图
图1-1为混凝土或砖石基础墙的门式钢架
图1-2为架高木地板后的门式钢架（框架锚选择）
图1-3为架高木地板后的门式钢架墙（木地板重叠选择）
图2门式钢架壁角结构图
图2-C1-1--图2-C7-2对应布局C1-C7
图3为ASTM2126规定的限制因素
图4为门式钢架在单调和反复荷载下的典型荷载位移曲线（框架1）
图5为无压型钢板门式钢架的荷载位移曲线
图6为变化门式钢架压型钢板位置后的荷载位移曲线
图7为变化门式钢架壁角布局后的荷载位移曲线
图8为单边套板或双边套板门式钢架荷载位移曲线
图9为面板与顶梁和框架组成部分粘合的门式钢架荷载位移曲线
表格目录
表格1门式钢架的测试矩阵
表格2单调荷载门式钢架的测试结果
表格3反复荷载门式钢架的测试结果
表格4门式钢架失效模式测试总结
表格5单调荷载支撑墙测试结果
1、顶梁；2、框架体；3、套板；4、金属片；5、8d钉子；6、螺丝钉；7、16d钉子；8、地脚螺栓；9、连接板；C、壁角
具体实施方式
框架1采用单边套板，顶梁采用2x12LSL,无压制钢板，壁角接头采用C1形式，测试荷载方案为斜坡加反复荷载；
框架2采用单边套板，顶梁采用2x12LSL，压制钢板为HTT16，壁角接头采用C1形式，测试荷载方案为斜坡荷载；
框架3采用单边套板，顶梁采用2x12LSL，压制钢板为HTT16，壁角接头采用C2形式，测试荷载方案为反复荷载；
框架4采用单边套板，顶梁采用2x12LSL，压制钢板为HTT16，壁角接头采用C2形式，测试荷载方案为反复荷载；
框架5采用单边套板，顶梁采用2x12LSL，压制钢板为HTT16，壁角接头采用C3形式，测试荷载方案为反复荷载；
框架6采用单边套板，顶梁采用2x12LSL，压制钢板为HIT16，壁角接头采用C4形式，测试荷载方案为反复荷载；
框架7采用双边套板，顶梁采用2x12LSL，无压制钢板，壁角接头采用C5形式，测试荷载方案为反复荷载；
框架8采用双边套板，顶梁采用2x12SPFNo.2，压制钢板为Steelrods，壁角接头采用C5形式，测试荷载方案为反复荷载；
框架9采用双边套板，顶梁采用2x12LSL，压制钢板为HIT16，壁角接头采用C6形式，测试荷载方案为反复荷载；
框架10采用双边套板，顶梁采用2x12SPFNo.2，压制钢板为Steelrods，壁角接头采用C7形式，测试荷载方案为反复荷载；
以下壁角接头中顶梁厚285毫米，护板宽405毫米。所述钉子为美标。
C1形壁角接头为单边套板结构，套板3通过8d钉子6钉与框架体2以及顶梁1固定，固定套板3与框架体2的通过中心间距为75毫米的钉子固定，固定套板3与顶梁重合面采用中心间距为75毫米的网格定钉模式，框架体2与顶梁的每个接触面均通过6个16d钉子7固定，钉子为2x3的布局，该框架内壁角安装了一个金属片4,
C2形壁角接头为单边套板结构，套板3通过8d钉子6钉与框架体2以及顶梁1固定，固定套板3与框架体2的通过中心间距为75毫米的钉子固定，固定套板3与顶梁重合面采用中心间距为75毫米的网格定钉模式，框架体2与顶梁的每个接触面均通过6个16d钉子7固定，钉子为2x3的布局，该框架内壁角安装了两个金属片4。
C3形壁角接头为单边套板结构，套板3通过8d钉子6钉与框架体2以及顶梁1固定，固定套板3与框架体2的通过中心间距为75毫米的钉子固定，固定套板3与顶梁重合面采用中心间距为75毫米的网格定钉模式，框架体2与顶梁的每个接触面均通过2x3布局的6个螺丝钉5固定，该框架内壁角共安装了五个金属片4,靠顶梁内侧前后分别安装了两块金属片4，外侧安装了一块。
C4形壁角接头为单边套板结构，套板3通过8d钉子6钉与框架体2以及顶梁1固定，固定套板3与框架体2的通过中心间距为75毫米的钉子固定，固定套板3与顶梁重合面采用中心间距为75毫米的网格定钉模式，框架体2与顶梁的每个接触面均通过2x3布局的6个螺丝钉5固定，该框架内壁角共安装了6个金属片4,靠顶梁内侧前后分别安装了两块金属片4，外侧分别安装一块。
C5形壁角接头为双边套板结构，套板3通过8d钉子6钉与框架体2以及顶梁1固定，固定套板3与框架体2的通过中心间距为75毫米的钉子固定，固定套板3与顶梁重合面采用中心间距为75毫米的网格定钉模式，框架体2与顶梁的每个接触面均通过2x3布局的6个螺丝钉5固定，该框架内壁角没有安装金属片。
C6形壁角接头为双边套板结构，套板3通过8d钉子6钉与框架体2以及顶梁1固定，固定套板3与框架体2的通过中心间距为75毫米的钉子固定，固定套板3与顶梁重合面采用中心间距为75毫米的网格定钉模式，框架体2与顶梁的每个接触面均通过2x3布局的6个螺丝钉5固定，该框架内壁角共安装了6个金属片4,靠顶梁内侧前后分别安装了两块金属片4，外侧分别安装一块。
C7形壁角接头为单边套板结构，套板3通过8d钉子6钉与框架体2以及顶梁1固定，固定套板3与框架体2的通过中心间距为75毫米的钉子固定，固定套板3与顶梁的重合面采用胶粘接，框架体2与顶梁的每个接触面均通过6个16d钉子7固定，钉子为2x3的布局，该框架内壁角安装了四个金属片4.
除了框架8和框架10的顶梁是38毫米x286毫米(1.5”x11.25”)按NLGA第二等级的标准用更好的云杉冷杉木材建造，其他墙壁顶梁为组合梁，采用的是45毫米x302毫米(1.75”x11.875”)1.5E规格的积成材（LSL）。套板采用厚度为12.7毫米(0.5”)，宽幅额定值为2R32的CSAO325定向刨花板(OSB)。
框架采用8d的普通钉子（直径3.3毫米，长为63.5毫米）将套板与框架组成部分固定。框架1至框架9的顶梁采用中心间距为75毫米的网格定钉模式。套板与前板和底板之间用一排中心间距为75毫米的钉子固定。不过，这两排钉子采用的是双头螺栓。框架10采用通常用于底层底板和甲板的商业建筑胶粘剂，将套板粘到框架组成部分上，并沿板边缘钉一排中心间距为75毫米的钉子将其固定在框架部分和顶梁上。框架10在测试前应晾置48小时使胶水固化。
框架1至框架4和框架10的前板和顶梁用两排中心间距为75毫米的16d的钉子（直径4.2毫米，长89毫米）固定。端螺栓和顶梁两端也用两排中心间距为75毫米的16d的钉子固定。框架5至框架9的前板和顶梁以及端螺栓和顶梁之间均用螺丝钉（直径5毫米，长90毫米）固定。
无压型钢板的框架试样（框架1和框架7）用直径为12.7毫米的地脚螺栓将底板固定在测试框架上。这些地脚螺栓位于与连接压型设备和测试框架的螺栓同样的位置。一旦使用了压型设备，连接压型设备与测试框架的螺栓就跟地脚螺栓一样，起到抵御门式钢架剪力的作用。
图5展示了压型钢板和无压型钢板门式钢架的荷载位移曲线。对于单边套板门式钢架来说，无压型钢板门架（框架1）的横向荷载能力为同款有压型钢板门架的74%（框架2）。对于双边套板门式钢架来说，无压型钢板门架（框架7）的横向荷载能力接近同款压型钢板门架的77%（框架8）。试验框架的失效模式表明，门架横向荷载能力的大小取决于框架壁角的弯矩能力。通过压型连接在框架底部固定处引入刚度改变了框架的弯矩分布，从而减少对壁角接头的需求。因而压型钢板门架较无压型钢板门架具有更大的横向荷载能力是不足为怪的。由于压型钢板门架的弯矩阻力受到支持，壁角的弯矩会比同样荷载大小下的无压型钢板门架的弯矩更小。这就是为什么有压型钢板门架具有更高的横向荷载能力的原因。
框架1、2和7的最大荷载位移位于55-67之间。我们可以观察到横向荷载在达到最大值后突然下降。这是由框架壁角套板板的破裂造成的。在框架8中我们观察到另一种现象，由于木板在测试中并没有破裂，荷载位移最大值大大增加了（136毫米）。事实上，框架8并没有达到位移极限，因为测试在执行器达到极限位移后结束了。框架8从基地钢梁到撑杆之间一直使用钢棒连接。正是这样，钢棒承受了框架壁角的大部分拉力。这也是顶梁重叠板在框架壁角没有破裂的原因。
图6为外墙板（门式钢架两侧）或内外墙板均装有压型钢板的门式钢架的荷载位移曲线。框架3（门架两侧和附近开口处都装有压型钢板）和框架4（只在门架两侧装有压型钢板）并无明显差异。这表明在门架附近开口处安装压型钢板作用不大，可以省去。
图7为不同壁角布局的门架的荷载位移曲线。可以看到，四种壁角布局（C1到C4）中，布局为C1的门架（框架2）初始刚度和最大荷载值最低，而壁角布局为C3和C4的门架（框架5和6）的初始刚度和最大荷载值最高。
结果显示在门架一侧并列安装两个金属片并不会显著增强其横向负载阻力。但如果在门架两侧都安装金属片，效果就显著增强了。横向负载阻力的增强也归功于框架5和6在大头钉(C3和C4)底部安装的金属片，而框架2和4仅在试样(C1和C2)的内壁角安装了金属片。如果在大头钉两头都安装金属片，那么墙段两侧的金属片都为壁角的弯矩提供阻力。如果只在试样的内壁角安装金属片，则只有受到拉力的金属片为壁角弯矩提供阻力。
图8为单边套板或双边套板门架框架的荷载位移曲线。框架7（双边套板框架）的门架横向荷载能力比框架1（单边套板框架）高出65%。不过，框架9也是双边套板，但其横向荷载能力仅比框架6（单边套板框架）高出22%。横向承载能力增加的比例不同是由于框架壁角金属片的位置和数量不同。壁角布局为C1（框架1）的门架只有一块金属片，而壁角布局为C4（框架6）的门架共有6块金属片。框架两侧使用的金属片越多，壁角弯矩能力就越强。结果，顶梁重叠板的作用就变小了。
图9显示了木板与顶梁和框架部分胶合或不胶合情况下门式钢架的荷载位移曲线。正如我们预料的，框架10的初始刚度远远大于框架8。尽管框架10运用了金属片，但其横向荷载能力仍低于框架8。由于套板出现微小的破裂(Ni和Mohammad2011)，钉子和金属片之间存在缝隙，置于墙套板的金属片可能还没发挥作用，套板就破裂了。另一方面，钢板的水平分力会增强门架在大位移时的横向荷载能力。这就是框架8的横向荷载能力更大的原因。从表格3可以看出，粘有套板的框架10具有韧性，延性比即极限位移u与位移量y的比例。由于框架8在极限强度内并没有强度退化，且测试在测试框架达到行程限位时结束，基于延性比的计算对两个框架进行直接比较并不恰当。
门式钢架和支撑墙的性能比较：
本发明通过比较门式钢架和支撑墙的性能来评估轻型木结构门式钢架是否具有与支撑墙同样的性能水平。表格5总结了不同边界条件下的支撑墙的测试结果(Nietal2010)。框架墙体由1650f-1.5E3889毫米的机械应力等级的云冷杉木材建成。框架的垂直套板选用加拿大软木胶合板(CSP)，厚9.5毫米，大小为1.22米×2.44米。此外采用电力驱动的螺旋钉（直径2.5毫米，长63.5毫米）将CSP固定在框架上。套板周边的钉子中心间距为150毫米，其他则为300毫米。
结果显示门式钢架的初始刚度通常低于支撑墙。不过在极限能力方面，单边套板的无压型钢板门式钢架（例如框架1）的极限横向承载能力相当于2.44米的支撑墙。压型钢板门架（例如框架3至6）的横向承载能力通常接近4.88米无压型钢板支撑墙的承载力。门式钢架的延性比也可与支撑墙媲美，不过由于失效模式的类型的初始刚度更低，门式钢架系统的韧性似乎稍低一些。说到能量吸收，门式钢架的性能优于支撑墙。如果缺乏更深入的研究或者测试，便无法确定测试的门式钢架结构是否能直接取代特定长度的支撑墙。从强度和能量吸收的角度看，建造可以代替一定长度的支撑墙的门式钢架结构是可行的。而对初始刚度、韧性和极限位移的考虑仍在调查中。
Claims (9)
1.一种低矮轻型木结构房屋门式钢架系统，由框架体，顶梁，套板组成，其特征在于：框架体与顶梁链接，套板设置在框架体外，分别通过重合面连接在框架体和顶梁上，框架体与顶梁连接处设置壁角接头。
2.根据权利要求1所述的一种低矮轻型木结构房屋门式钢架系统，其特征在于，还设置有压型钢板。
3.根据权利要求1所述的一种低矮轻型木结构房屋门式钢架系统，其特征在于，框架体单边设置套板或双边设置套板。
4.根据权利要求1所述的一种低矮轻型木结构房屋门式钢架系统，其特征在于，框架内壁角设置金属片。
5.根据权利要求1所述的一种低矮轻型木结构房屋门式钢架系统，其特征在于，套板与框架体以及顶梁固定，通过粘结或钉子连接。
6.根据权利要求5所述的一种低矮轻型木结构房屋门式钢架系统，其特征在于，所述套板通过钉子与框架体以及顶梁固定，固定套板与框架体通过中心间距为75毫米的钉子固定，固定套板与顶梁重合面采用中心间距为75毫米的网格定钉模式，框架体与顶梁的每个接触面均通过钉子或螺丝钉固定，钉子为2x3的布局。
7.根据权利要求1所述的一种低矮轻型木结构房屋门式钢架系统，其特征在于，顶梁采用积成材、云杉或冷杉，套板选用软木胶合板。
8.根据权利要求5所述的一种低矮轻型木结构房屋门式钢架系统，其特征在于，采用胶粘剂将套板粘到框架组成部分上，并沿板边缘钉一排中心间距为75毫米的钉子将其固定在框架部分和顶梁上。
9.根据权利要求4所述的一种低矮轻型木结构房屋门式钢架系统，其特征在于，门架两侧都安装金属片。
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