低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統的製作方法

2023-05-14 08:22:01 2

低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統的製作方法
【專利摘要】一種低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統，由框架體，頂梁，套板組成，框架體與頂梁連結，套板設置在框架體外，分別通過重合面連接在框架體和頂梁上，框架體與頂梁連接處設置壁角接頭。和現有技術相比，本實用新型具有如下優點：結果顯示門式鋼架的初始剛度通常低於支撐牆。不過在極限能力方面，單邊套板的無壓型鋼板門式鋼架的極限橫向承載能力相當於2.44米的支撐牆。壓型鋼板門架的橫向承載能力通常接近4.88米無壓型鋼板支撐牆的承載力。門式鋼架的延性比也可與支撐牆媲美，門式鋼架的能量吸收性能優於支撐牆。從強度和能量吸收的角度看，建造可以代替一定長度的支撐牆的門式鋼架結構是可行的。
【專利說明】低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及木屋建築領域，具體地說是指一種門式鋼架系統。
【背景技術】
[0002]輕型木屋的橫向阻力通常由套板或斜板支撐牆提供。為保證房屋有足夠的橫向承載力抵禦中強級大風和地震，2010年加拿大國家建房規範(NBCC)第九部分對支撐牆最低長度和支撐牆體間最大間隔作出指定要求。該規範還詳細說明了建造支撐牆體的可用材質、加固要求和框架細節。儘管大多數輕型木屋可以達到對支撐牆體的最低要求，但也有建築要求規定的空間限制導致支撐牆的長度達不到要求的時候。例如:大型車庫的普遍特徵就是它需要開闊的場地。我們需要開發另一種同樣能提供滿足2010年NBCC第九部分對支撐牆體最低要求的橫向阻力的支撐系統，且這種系統不限制開放空間。
[0003]木框架系統一直以來都被工程師和建築師認定為能夠滿足橫向荷載要求的另一種支撐體系。該系統首先由APA-美國工程木材協會於21世紀初建成。APACAPA2003.2004)對門式鋼架試樣的全面測試表明門式鋼架的性能可達到美國國際居住標準(IRC)(ICC2009)規定的現行支撐要求。全面的重複測試證實高度與寬度比例為6:1的門式鋼架系統的性能接近或超過IRC許可的高度與寬度比例為4:1的牆段。該測試結果使人們有理由接受自2006年後建造的門式鋼架系統。
實用新型內容
[0004]本實用新型提供一種提升性能的低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統，得以替代支撐牆體。
[0005]本實用新型採用如下技術方案:一種門式鋼架系統，由框架體，頂梁，套板組成，框架體與頂梁連結，套板設置在框架體外，分別通過重合面連接在框架體和頂梁上，框架體與頂梁連接處設置壁角接頭。
[0006]設置有壓型鋼板；
[0007]框架體單邊設置套板或雙邊設置套板；
[0008]框架內壁角設置金屬片；
[0009]套板與框架體以及頂梁固定，通過粘結或釘子連接；
[0010]套板通過釘子與框架體以及頂梁固定，固定套板與框架體通過中心間距為75毫米的釘子固定，固定套板與頂梁重合面採用中心間距為75毫米的網格定釘模式，框架體與頂梁的每個接觸面均通過釘子固定，釘子為2x3的布局；
[0011]頂梁採用積成材或雲杉、冷杉；
[0012]套板選用軟木膠合板；
[0013]框架採用8d的普通釘子將套板與框架組成部分固定。頂梁採用中心間距為75毫米的網格定釘模式。套板與前板和底板之間用一排中心間距為75毫米的釘子固定。
[0014]採用膠粘劑將套板粘到框架組成部分上，並沿板邊緣釘一排中心間距為75毫米的釘子將其固定在框架部分和頂梁上。
[0015]門架兩側都安裝金屬片。
[0016]和現有技術相比，本實用新型具有如下優點:結果顯示門式鋼架的初始剛度通常低於支撐牆。不過在極限能力方面，單邊套板的無壓型鋼板門式鋼架的極限橫向承載能力相當於2.44米的支撐牆。壓型鋼板門架的橫向承載能力通常接近4.88米無壓型鋼板支撐牆的承載力。門式鋼架的延性比也可與支撐牆媲美，不過由於失效模式的類型的初始剛度更低，門式鋼架系統的韌性似乎稍低一些。說到能量吸收，門式鋼架的性能優於支撐牆。從強度和能量吸收的角度看，建造可以代替一定長度的支撐牆的門式鋼架結構是可行的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為門式鋼架結構圖
[0018]圖1-1為混凝土或磚石基礎牆的門式鋼架
[0019]圖1-2為架高木地板後的門式鋼架(框架錨選擇)
[0020]圖1-3為架高木地板後的門式鋼架牆(木地板重疊選擇)
[0021]圖2門式鋼架壁角結構圖
[0022]圖 2-C1-1—圖 2-C7-2 對應布局 C1-C7
[0023]圖3為ASTM2126規定的限制因素
[0024]圖4為門式鋼架在單調和反覆荷載下的典型荷載位移曲線(框架I)
[0025]圖5為無壓型鋼板門式鋼架的荷載位移曲線
[0026]圖6為變化門式鋼架壓型鋼板位置後的荷載位移曲線
[0027]圖7為變化門式鋼架壁角布局後的荷載位移曲線
[0028]圖8為單邊套板或雙邊套板門式鋼架荷載位移曲線
[0029]圖9為面板與頂梁和框架組成部分粘合的門式鋼架荷載位移曲線
[0030]表格目錄
[0031]表格I門式鋼架的測試矩陣
[0032]表格2單調荷載門式鋼架的測試結果
[0033]表格3反覆荷載門式鋼架的測試結果
[0034]表格4門式鋼架失效模式測試總結
[0035]表格5單調荷載支撐牆測試結果
[0036]1、頂梁；2、框架體；3、套板；4、金屬片；5、8d釘子；6、螺絲釘；7、16d釘子；8、地腳螺栓；9、連接板；C、壁角
【具體實施方式】
[0037]框架I米用單邊套板，頂梁米用2xl2LSL,無壓制鋼板，壁角接頭米用Cl形式,測試荷載方案為斜坡加反覆荷載；
[0038]框架2採用單邊套板，頂梁採用2xl2LSL，壓制鋼板為HTT16，壁角接頭採用Cl形式，測試荷載方案為斜坡荷載；
[0039]框架3採用單邊套板，頂梁採用2xl2LSL，壓制鋼板為HTT16，壁角接頭採用C2形式，測試荷載方案為反覆荷載；[0040]框架4採用單邊套板，頂梁採用2xl2LSL，壓制鋼板為HTT16，壁角接頭採用C2形式，測試荷載方案為反覆荷載；
[0041]框架5採用單邊套板，頂梁採用2xl2LSL，壓制鋼板為HTT16，壁角接頭採用C3形式，測試荷載方案為反覆荷載；
[0042]框架6採用單邊套板，頂梁採用2xl2LSL，壓制鋼板為HIT16，壁角接頭採用C4形式，測試荷載方案為反覆荷載；
[0043]框架7採用雙邊套板，頂梁採用2xl2LSL，無壓制鋼板，壁角接頭採用C5形式，測試荷載方案為反覆荷載；
[0044]框架8採用雙邊套板，頂梁採用2xl2SPFN0.2，壓制鋼板為Steelrods，壁角接頭採用C5形式，測試荷載方案為反覆荷載；
[0045]框架9採用雙邊套板，頂梁採用2xl2LSL，壓制鋼板為HIT16，壁角接頭採用C6形式，測試荷載方案為反覆荷載；
[0046]框架10採用雙邊套板，頂梁採用2xl2SPFN0.2，壓制鋼板為Steelrods，壁角接頭採用C7形式，測試荷載方案為反覆荷載；
[0047]以下壁角接頭中頂梁厚285毫米，護板寬405毫米。所述釘子為美標。
[0048]Cl形壁角接頭為單邊套板結構，套板3通過8d釘子6釘與框架體2以及頂梁I固定，固定套板3與框架體2的通過中心間距為75毫米的釘子固定，固定套板3與頂梁重合面採用中心間距為75毫米的網格定釘模式，框架體2與頂梁的每個接觸面均通過6個16d釘子7固定，釘子為2x3的布局，該框架內壁角安裝了一個金屬片4，
[0049]C2形壁角接頭為單邊套板結構，套板3通過8d釘子6釘與框架體2以及頂梁I固定，固定套板3與框架體2的通過中心間距為75毫米的釘子固定，固定套板3與頂梁重合面採用中心間距為75毫米的網格定釘模式，框架體2與頂梁的每個接觸面均通過6個16d釘子7固定，釘子為2x3的布局，該框架內壁角安裝了兩個金屬片4。
[0050]C3形壁角接頭為單邊套板結構，套板3通過8d釘子6釘與框架體2以及頂梁I固定，固定套板3與框架體2的通過中心間距為75毫米的釘子固定，固定套板3與頂梁重合面採用中心間距為75毫米的網格定釘模式，框架體2與頂梁的每個接觸面均通過2x3布局的6個螺絲釘5固定，該框架內壁角共安裝了五個金屬片4，靠頂梁內側前後分別安裝了兩塊金屬片4，外側安裝了一塊。
[0051 ] C4形壁角接頭為單邊套板結構，套板3通過8d釘子6釘與框架體2以及頂梁I固定，固定套板3與框架體2的通過中心間距為75毫米的釘子固定，固定套板3與頂梁重合面採用中心間距為75毫米的網格定釘模式，框架體2與頂梁的每個接觸面均通過2x3布局的6個螺絲釘5固定，該框架內壁角共安裝了 6個金屬片4，靠頂梁內側前後分別安裝了兩塊金屬片4，外側分別安裝一塊。
[0052]C5形壁角接頭為雙邊套板結構，套板3通過8d釘子6釘與框架體2以及頂梁I固定，固定套板3與框架體2的通過中心間距為75毫米的釘子固定，固定套板3與頂梁重合面採用中心間距為75毫米的網格定釘模式，框架體2與頂梁的每個接觸面均通過2x3布局的6個螺絲釘5固定，該框架內壁角沒有安裝金屬片。
[0053]C6形壁角接頭為雙邊套板結構，套板3通過8d釘子6釘與框架體2以及頂梁I固定，固定套板3與框架體2的通過中心間距為75毫米的釘子固定，固定套板3與頂梁重合面採用中心間距為75毫米的網格定釘模式，框架體2與頂梁的每個接觸面均通過2x3布局的6個螺絲釘5固定，該框架內壁角共安裝了 6個金屬片4，靠頂梁內側前後分別安裝了兩塊金屬片4，外側分別安裝一塊。
[0054]C7形壁角接頭為單邊套板結構，套板3通過8d釘子6釘與框架體2以及頂梁I固定，固定套板3與框架體2的通過中心間距為75毫米的釘子固定，固定套板3與頂梁的重合面採用膠粘接，框架體2與頂梁的每個接觸面均通過6個16d釘子7固定，釘子為2x3的布局，該框架內壁角安裝了四個金屬片4.[0055]除了框架8和框架10的頂梁是38毫米x286毫米(1.5」 xll.25」 )按NLGA第二等級的標準用更好的雲杉冷杉木材建造，其他牆壁頂梁為組合梁，採用的是45毫米x302毫米(1.75」 xll.875」)1.5E規格的積成材(LSL)。套板採用厚度為12.7毫米(0.5」)，寬幅額定值為2R32的CSA0325定向刨花板(OSB)。
[0056]框架採用8d的普通釘子(直徑3.3毫米，長為63.5毫米)將套板與框架組成部分固定。框架I至框架9的頂梁採用中心間距為75毫米的網格定釘模式。套板與前板和底板之間用一排中心間距為75毫米的釘子固定。不過，這兩排釘子採用的是雙頭螺栓。框架10採用通常用於底層底板和甲板的商業建築膠粘劑，將套板粘到框架組成部分上，並沿板邊緣釘一排中心間距為75毫米的釘子將其固定在框架部分和頂梁上。框架10在測試前應晾置48小時使膠水固化。
[0057]框架I至框架4和框架10的前板和頂梁用兩排中心間距為75毫米的16d的釘子(直徑4.2毫米，長89毫米)固定。端螺栓和頂梁兩端也用兩排中心間距為75毫米的16d的釘子固定。框架5至框架9的前板和頂梁以及端螺栓和頂梁之間均用螺絲釘(直徑5毫米，長90毫米)固定。
[0058]無壓型鋼板的框架試樣(框架I和框架7)用直徑為12.7毫米的地腳螺栓將底板固定在測試框架上。這些地腳螺栓位於與連接壓型設備和測試框架的螺栓同樣的位置。一旦使用了壓型設備，連接壓型設備與測試框架的螺栓就跟地腳螺栓一樣，起到抵禦門式鋼架剪力的作用。
[0059]圖5展示了壓型鋼板和無壓型鋼板門式鋼架的荷載位移曲線。對於單邊套板門式鋼架來說，無壓型鋼板門架(框架I)的橫向荷載能力為同款有壓型鋼板門架的74% (框架2)。對於雙邊套板門式鋼架來說，無壓型鋼板門架(框架7)的橫向荷載能力接近同款壓型鋼板門架的77% (框架8)。試驗框架的失效模式表明，門架橫向荷載能力的大小取決於框架壁角的彎矩能力。通過壓型連接在框架底部固定處引入剛度改變了框架的彎矩分布，從而減少對壁角接頭的需求。因而壓型鋼板門架較無壓型鋼板門架具有更大的橫向荷載能力是不足為怪的。由於壓型鋼板門架的彎矩阻力受到支持，壁角的彎矩會比同樣荷載大小下的無壓型鋼板門架的彎矩更小。這就是為什麼有壓型鋼板門架具有更高的橫向荷載能力的原因。
[0060]框架1、2和7的最大荷載位移位於55-67之間。我們可以觀察到橫向荷載在達到最大值後突然下降。這是由框架壁角套板板的破裂造成的。在框架8中我們觀察到另一種現象，由於木板在測試中並沒有破裂，荷載位移最大值大大增加了(136毫米)。事實上，框架8並沒有達到位移極限，因為測試在執行器達到極限位移後結束了。框架8從基地鋼梁到撐杆之間一直使用鋼棒連接。正是這樣，鋼棒承受了框架壁角的大部分拉力。這也是頂梁重疊板在框架壁角沒有破裂的原因。
[0061]圖6為外牆板(門式鋼架兩側)或內外牆板均裝有壓型鋼板的門式鋼架的荷載位移曲線。框架3 (門架兩側和附近開口處都裝有壓型鋼板)和框架4 (只在門架兩側裝有壓型鋼板)並無明顯差異。這表明在門架附近開口處安裝壓型鋼板作用不大，可以省去。
[0062]圖7為不同壁角布局的門架的荷載位移曲線。可以看到，四種壁角布局(Cl到C4)中，布局為Cl的門架(框架2)初始剛度和最大荷載值最低，而壁角布局為C3和C4的門架(框架5和6)的初始剛度和最大荷載值最高。
[0063]結果顯示在門架一側並列安裝兩個金屬片並不會顯著增強其橫向負載阻力。但如果在門架兩側都安裝金屬片，效果就顯著增強了。橫向負載阻力的增強也歸功於框架5和6在大頭釘(C3和C4)底部安裝的金屬片，而框架2和4僅在試樣(Cl和C2)的內壁角安裝了金屬片。如果在大頭釘兩頭都安裝金屬片，那麼牆段兩側的金屬片都為壁角的彎矩提供阻力。如果只在試樣的內壁角安裝金屬片，則只有受到拉力的金屬片為壁角彎矩提供阻力。
[0064]圖8為單邊套板或雙邊套板門架框架的荷載位移曲線。框架7 (雙邊套板框架)的門架橫向荷載能力比框架I (單邊套板框架)高出65%。不過，框架9也是雙邊套板，但其橫向荷載能力僅比框架6 (單邊套板框架)高出22%。橫向承載能力增加的比例不同是由於框架壁角金屬片的位置和數量不同。壁角布局為Cl (框架I)的門架只有一塊金屬片，而壁角布局為C4 (框架6)的門架共有6塊金屬片。框架兩側使用的金屬片越多，壁角彎矩能力就越強。結果，頂梁重疊板的作用就變小了。
[0065]圖9顯示了木板與頂梁和框架部分膠合或不膠合情況下門式鋼架的荷載位移曲線。正如我們預料的，框架10的初始剛度遠遠大於框架8。儘管框架10運用了金屬片，但其橫向荷載能力仍低於框架8。由於套板出現微小的破裂(Ni和Mohammad2011),釘子和金屬片之間存在縫隙，置於牆套板的金屬片可能還沒發揮作用，套板就破裂了。另一方面，鋼板的水平分力會增強門架在大位移時的橫向荷載能力。這就是框架8的橫向荷載能力更大的原因。從表格3可以看出，粘有套板的框架10具有韌性，延性比即極限位移u與位移量y的比例。由於框架8在極限強度內並沒有強度退化，且測試在測試框架達到行程限位時結束，基於延性比的計算對兩個框架進行直接比較並不恰當。
[0066]門式鋼架和支撐牆的性能比較:
[0067]本實用新型通過比較門式鋼架和支撐牆的性能來評估輕型木結構門式鋼架是否具有與支撐牆同樣的性能水平。表格5總結了不同邊界條件下的支撐牆的測試結果(Nietal2010)。框架牆體由1650f_l.5E3889毫米的機械應力等級的雲冷杉木材建成。框架的垂直套板選用加拿大軟木膠合板(CSP)，厚9.5毫米，大小為1.22米X 2.44米。此外採用電力驅動的螺旋釘(直徑2.5毫米，長63.5毫米)將CSP固定在框架上。套板周邊的釘子中心間距為150毫米，其他則為300毫米。
[0068]結果顯示門式鋼架的初始剛度通常低於支撐牆。不過在極限能力方面，單邊套板的無壓型鋼板門式鋼架(例如框架I)的極限橫向承載能力相當於2.44米的支撐牆。壓型鋼板門架(例如框架3至6)的橫向承載能力通常接近4.88米無壓型鋼板支撐牆的承載力。門式鋼架的延性比也可與支撐牆媲美，不過由於失效模式的類型的初始剛度更低，門式鋼架系統的韌性似乎稍低一些。說到能量吸收，門式鋼架的性能優於支撐牆。如果缺乏更深入的研究或者測試，便無法確定測試的門式鋼架結構是否能直接取代特定長度的支撐牆。從強度和能量吸收的角度看，建造可以代替一定長度的支撐牆的門式鋼架結構是可行的。而對初始剛度、韌性和極限位移的考慮仍在調查中。
【權利要求】
1.一種低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統，由框架體，頂梁，套板組成，其特徵在於:框架體與頂梁連結，套板設置在框架體外，分別通過重合面連接在框架體和頂梁上，框架體與頂梁連接處設置壁角接頭。
2.根據權利要求1所述的一種低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統，其特徵在於，還設置有壓型鋼板。
3.根據權利要求1所述的一種低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統，其特徵在於，框架體單邊設置套板或雙邊設置套板。
4.根據權利要求1所述的一種低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統，其特徵在於，框架內壁角設置金屬片。
5.根據權利要求1所述的一種低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統，其特徵在於，套板與框架體以及頂梁固定，通過粘結或釘子連接。
6.根據權利要求5所述的一種低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統，其特徵在於，所述套板通過釘子與框架體以及頂梁固定，固定套板與框架體通過中心間距為75毫米的釘子固定，固定套板與頂梁重合面採用中心間距為75毫米的網格定釘模式，框架體與頂梁的每個接觸面均通過釘子或螺絲釘固定，釘子為2x3的布局。
7.根據權利要求1所述的一種低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統，其特徵在於，頂梁採用積成材、雲杉或冷杉，套板選用軟木膠合板。
8.根據權利要求5所述的一種低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統，其特徵在於，採用膠粘劑將套板粘到框架組成部分上，並沿板邊緣釘一排中心間距為75毫米的釘子將其固定在框架部分和頂梁上。
9.根據權利要求4所述的一種低矮輕型木結構房屋門式鋼架系統，其特徵在於，門架兩側都安裝金屬片。
【文檔編號】E04B1/24GK203559486SQ201320632955
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年10月14日 優先權日:2013年10月14日
【發明者】張琴, 吳勇 申請人:蘇州皇家整體住宅系統股份有限公司