第三章 木结构设计方法与木材设计指标

3.3 承载力极限状态和木材强度设计值 • 3.3.1承载力极限状态
• 承载力极限状态设计表达式：
0S R
式中 γ0——结构重要性系数； S——荷载效应基本组合； R——结构承载力计算值。
结构重要性系数 γ0取值：
（1）安全等级为一级或设计使用年限为50年及以上的结 构构件，不应小于1.1；对安全等级为一级且设计使用年 限为100年及以上的结构构件，不应小于1.2；
1
2
3
9000
1 4 3 3 2 6 5 4 3 8 7 6 9000 12000 11000 10000
2
2
3
3
4
4
8000
7000
注：1）对位于木构件端部（如接头处）的拉力螺栓垫板，
其计算中所取的木材横纹承压强度设计值，应按“局部表面 及齿面”一栏的数值采用。
2）当使用原木时，若验算部位未经切削，其顺纹抗压 强度设计值、抗弯强度设计值和弹性模量可提高15％。 3）当构件矩形截面的短边尺寸不小于150mm时，其抗
注：本表取值系根据6本规范协调结果确定的，专供核准使用。
• 3.3.4 木材强度设计值
木材强度设计值计算式：
f fk / f
式中 fk——木材强度的标准值； γf——木材材料性能分项系数。
1. 木材强度标准值计算方法
fk＝F-1(Pk)=μf－uaσf 或者 fk＝μf(1－uaδf) Pk——木材强度低于标准值fk的概率fk的概率；
• 材料强度的标准值fk取95%保证率的强度值，由概率分布下 5％（即Pk＝0.05）的分位数确定。 木材顺纹抗压强度
频数直方图（实例）
对于正态分布，它的下5％的分位 数处，ua值为1．645，故， fk＝μf－1.645σf＝μf（1－1.645δf）
Байду номын сангаас
【例题】四川青衣江产的铁杉木材，其抗弯强度平均值μf为 90N/mm2，变异系数δf为18.8％。已知受弯木构件的材料性能 分项系数γ f＝4.2。试确定其抗弯强度设计值。
• “校准法”是用概率法对原规范隐含的可靠指标进行反演 计算，作为确定新规范目标可靠指标的基础。这种方法的 优点是稳妥易行，既能使新定的β0值符合我国工程实践经 验，又能使原规范在某些情形下β0值过低或过高的缺陷得 到纠正。
《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068： • 承载力极限状态，以50年为年失效概率。
第三章 木结构设计方法 与木材设计指标
3.1 结构设计理论的演变
• 结构设计基本目标：在预期的使用年限内，满足 各种预定的使用功能。
• 结构功能：安全性、适用性、耐久性。 • 极限状态：承载力极限状态 、正常使用极限状态
• 3.1.1 容许应力极限状态
破坏状态是指控制截面的最大应力达到材料的弹性极限：
• 正常使用极限状态，可靠度标准可降低，取0-1.5，失效 概率为0.5-0.0668。
木结构设计使用年限
类别 1 设计使用年限 5 临时性结构 示例
2
3 4
25
50 100
易于替换的结构构件
普通房屋和一般构筑物 纪念性建筑物和特别重要建筑结构
建筑结构安全等级 安全等级 一级 二级 三级 破坏后果 很严重 严重 不严重 示例 重要的建筑物 一般的建筑物 次要的建筑物
根据四种情况下可变荷载与永久荷载比值ρ算得：
顺纹受拉 γR=1.95； 顺纹受压 γR=1.45； 顺纹受剪 γR=1.50； 顺纹受弯 γR=1.60。
2. 木材材料性能分项系数
荷载（或荷载效应）的统计参数 荷 载 种 类 恒荷载 办公楼楼面活荷载 住宅楼面活荷载 雪荷载 平均值／标准值 1.06 0.524 0.644 1.14 变 异 系 数δf 0.07 0.288 0.233 0.22
fs k
σ——结构构件控制界面最大应力，采用“标 准荷载组合效应”计算； [σ]——容许应力； fs——构件材料的弹性极限强度； k——安全系数，大于1。
优点：简单易行；
缺点：破坏状态与实际情况不符；未考虑荷载和材料强 度的变异性，是定值设计方法；安全系数k由经验 确定，缺乏科学依据。
采用承载力和正常使用两种极限状态，在承载力极限状 态下采用多系数表达法；考虑超载与材料不均匀性和工 作条件的影响：
ni ci qi mR(ki fi Ai )
qi、ni、ci——第i种荷载的标准值、超载系数与作用效应系数； R(f A)——构件的抗力函数； fi、ki——构件第i种材料的标准强度与不均匀系数； Ai——构件第i种材料的几何参数； m——构件工作条件影响系数，小于1。
• 结构可靠度：结构在规定的时间内与规定的条件下，完成 预期功能的概率。
• 可靠概率Ps，失效概率Pf，Ps+Pf=1。
Z g ( R, S ) R S
• 可靠度指标计算公式：

R S
2 2 R S
• 3.2.2 目标可靠度
• 目标可靠指标（记为β0），指由规范规定的、为今后设计 所采用的可靠指标。从理论上说，其值应根据结构构件的 重要性、破坏性质和破坏后果，以优化方法分析确定。目 前条件下，只能用“校准法”确定。
TC13
TC11
TB20 TB17 TB15
柏木、长叶松、湿地松、粗皮落叶松 东北落叶松、欧洲赤松、欧洲落叶松 铁杉、油杉、太平洋海岸黄柏、 花旗松—落 A 叶松、西部铁杉、南方松 B 鱼鳞云杉、西南云杉、南亚松 油松、新疆落叶松、云南松、马尾松、扭叶 A 松、北美落叶松、海岸松 红皮云杉、丽江云杉、红松、樟子松、西加 B 云杉、 俄罗斯红松、欧洲云杉、北美山地云 杉、 北美短叶松 西北云杉、新疆云杉、北美黄松、 云杉—松 A —冷杉、铁—冷杉、东部铁杉、杉木 冷杉、速生杉木、速生马尾松、 新西兰辐射 B 松 青冈、椆木、门格里斯木、卡普木、沉水稍 — 克隆、绿心木、紫心木、孪叶豆、塔特布木 栎木、达荷玛木、 萨佩莱木 苦油树、毛罗 藤黄 锥栗（栲木）、桦木、黄梅兰蒂、 梅萨瓦木 — 、水曲柳、红劳罗木 深红梅兰蒂、浅红梅兰蒂、白梅兰蒂、巴西 —
S SGk G SQk1 Q1 SQik Qici
i 2
n
式中 SGk, SQk——永久荷载和可变荷载的标准值； γG, γQ——永久荷载和可变荷载的分项系数； SQk1, SQki——最大可变荷载的标准值与其余可变荷载标准值； γQ1, γQi——可变荷载组合效应的对应分项系数； φci ——第i可变荷载的效应组合系数。
影响系数的名称 统计参数名称 构件材性不定性 KF
几何参数不定性 KA 计算模式不定性 KP
受 弯
顺纹 受压
顺纹 受拉
顺纹 受剪
0.41 0.21
0.94 0.08 1.0 0.05
0.58 0.18
0.96 0.06 1.0 0.05
0.32 0.24
0.96 0.06 1.0 0.05
0.53 0.17
弯强度设计值可提高10％。
4）当采用湿材时，各种木材的弹性模量和横纹承压强 度设计值，以及落叶松木材的抗弯强度设计值宜降低10％。
木材强度设计值和弹性模量的调整系数 项 次 1 2 3 4 5 使 用 条 件 调整系数
强度设计值 0.9 露天环境 长期生产性高温环境，木材表 0.8 面温度达40~50℃ 按恒荷载验算时（注①） 0.8 用于木构筑物时 0.9 施工荷载和维修时的短暂情况 1.2
（2）安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件， 不应小于1.0；
（3）安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件， 不应小于0.9；对设计使用年限为25年的结构构件，不应 小于0.95；
• 构件承载力与材料强度呈线性关系，承载力分项系数γR 也可称为材料强度分项系数。
0S R
【解】 fk=μf(1－1.645δf)＝90(1-1.645 ×0.188)=62.2 N/mm2
铁杉木材的抗弯强度设计值为 fm＝fk/γf＝62.2/4.2=14.8N/mm2 取等于15N/mm2
注意：按上述例题方法计算结果并不一定就是规范采用的数 值，因为规范对不同树种的木材，尚需按它所划分的强度等
• 3.3.3 木结构承载力分项系数
木结构承载力计算：
R R( f a A)
式中 fa——结构木材的实际强度； A——材料的实际几何参数。 木结构承载力不定性组成： • 木材强度的不定性KF； • 构件几何参数的不定性KA；
• 构件计算模式的不定性KP；
木结构构件抗力统计参数
构件受力性质
f
fk
R( Ak )
0S
R( Ak )

f
fk
f
式中 Ak——材料截面几何参数； R( · )——抗力抵抗系数； γR——承载力分项系数； γf——材料性能分项系数； fk, f——材料强度标准值与设计值。
• 3.3.2 荷载分项系数
• 需不同荷载的分项系数与可辨荷载的组合系数。 • 《建筑结构荷载规范》GB50009：
力的80%时，应单独以恒荷载进行验算。 ②当若干条件同时出现，表列各系数应连乘。
弹性模量
0.85 0.8 0.8 1.0 1.0
注：①当仅有恒荷载或恒荷载所产生的内力超过全部荷载所产生的内
不同设计使用年限时木材强度设计值和弹性模量的调整系数 设计使用年限 调整系数 强度设计值 弹性模量
5
25 50
2
2
3
3
4
4
10000
10000 10000
TC11 TB20 TB17 TB15
TB13
TB11
红皮云杉、丽江云杉、 B 红松、樟子松 A 西北云杉、新疆云杉 B 杉木、冷杉 — 栎木、青冈、椆木 — 水曲柳 — 锥栗（栲木）、桦木 深红梅兰蒂、浅红梅兰 蒂、白梅兰蒂、巴西红 厚壳木 大叶松、小叶椴
F-1（Pk）——木材强度概率分布函数的反函数在Pk处的值；
μf——木材标准小试件强度平均值；’
σf——木材标准小试件强度标准差；
δf——木材标准小试件强度变异系数，δf =σf /μf； ua——按Pk及木材强度分布类型确定的系数，可从概率分布 表中查得。
• 材料强度的概率分布应按假设检验结果，选用服从正态分 布或对数正态分布的假设。
级进行合理的归类。
3. 木材设计强度分类
《木结构设计规范》按建筑木材抗弯强度将针叶木分为四个等 级，按拉压剪强度每一强度分为A、B两组；阔叶木分为 五个 强度等级。
强度 组别 等级 TC17 TC15 A B
适用树种
抗弯 fm 17 15
顺纹抗压 顺纹 顺纹 及承 压fc 抗拉ft 抗剪fv 16 15 13 12 10 9 9 9 1 1 1 1
12
13 10 10 11 10 20 17 15 18 16 14
8
8 7 7 12 11 10
1
1 1 1 2 2 2
强度 等级
组别
适用树种
弹性 全表面 局部表面及 拉力螺栓垫板 模量E 齿面 下面
横纹承压fc
TC17
TC15
A B A B A
TC13
柏 木 东北落叶松 铁杉、油杉 鱼鳞云杉、西南云杉 油松、新疆落叶松、云 南松、马尾松
• 3.1.4 基于可靠性理论的极限状态设计法
从结构功能失效概率出发，将荷载效应与结构抗力不定 性联系起来，将凭经验确定的安全系数或多系数转变为 结构功能满足不大于失效概率的各荷载分项系数、效应 组合系数和抗力分项系数等。 水准I——半概率法； 水准II——近似概率法； 水准III——全概率法。
3.2 基于可靠性理论的极限状态设计法 • 3.2.1 结构可靠度的概念
0.96 0.06 0.97 0.08
木结构抗力不定性计算：
KR K P KF K A
KR K P K F K A
2 VR VP2 VA VF2
木结构承载力分项系数： 可按前面确定的目标可靠指标β0，采用《建筑结构可靠性统 一标准》推荐的方法进行计算。在计算中，永久荷载分项系 数γG和可变荷载分项系数γQ取《统一标准》统一规定的确定 值，即γG＝1.2；γQ＝1.4。
1.1
1.05 1.0
1.1
1.05 1.0
100
0.9
0.9
3.5 正常使用极限状态 • 3.4.1 正常使用极限状态设计表达式
• 3.1.2 破坏阶段设计法
破坏状态是指结构构件控制截面的最大应力达到材料承 载力极限：
Si R( f A) / k
Si——第i种荷载的作用效应；
R(f A)——构件的抗力函数； f——构件材料的屈服强度； A——构件几何参数； k——安全系数，大于1。
• 3.1.3 多系数极限状态设计法