桐木结构在房屋建筑体系中的应用与分析

胡羽佳

(山西大学附属中学校，山西 太原030002)

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5 mm 位移以及在形变5 mm 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 ×2 mm 的桐木杆件的弹性模量约为1 272.66 MPa，因此木条的强度是足够支撑15 kg 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 ×2 mm 柱的平均重量为1.3 g，因此选取柱材料的时候，应当按照偏差不大于0.1 g 选取，而2 ×4 mm 的柱平均重量为2.5 g，所以也应当在选材时按照偏差不大于0.1 g 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 ×2 mm 的桐木条竖向受压强度是足够的，因此理论上15 kg 的重量，一根2 ×2 mm 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 ×4 mm 的角柱，共分三层，由于模型要求地上部分不大于500 mm，因此层高分别为180 mm，160 mm，160 mm，地基基础采用条形基础，基础之间用2 ×2 mm 木条连接，形成整体。梁采用2 ×4 mm 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 ×2 mm 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。

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