4.3 强度设计指标和变形值

    1 木材的强度设计值

    主要考虑下列几点：

        1）原规范的考虑是：应使归入每一强度等级的树种木材，其各项受力性质的可靠指标β等于或接近于本标准采用的目标可靠性指标β₀。所谓“接近”含义，是指该树种木材的可靠性指标β应满足下列界限值的要求：

β₀-0.25≤β≤β₀+0.25       （1）

        《统一标准》取消了不超过±0.25的规定，取β≥β₀。

        2）对自然缺陷较多的树种木材，如落叶松、云南松和马尾松等，不能单纯按其可靠性指标进行分级，需根据主要使用地区的意见进行调整，以使其设计指标的取值，与工程实践经验相符。

        3）对同一树种有多个产地试验数据的情况，其设计指标的确定，系采用加权平均值作为该树种的代表值。其“权”数按每个产地的木材蓄积量确定。

    根据上述原则确定的强度设计值，可在材料总用量基本不变的前提下，使木构件可靠指标的一致性得到显著改善。

    2 木材的弹性模量

    “原2003版规范”通过调查研究，曾总结了下列情况：

        1）178种国产木材的试验数据表明，木材的E值不仅与树种有关，而且差异之大不容忽视，以东北落叶松与杨木为例，前者高达12800N/m㎡，而后者仅为7500N/m㎡。

        2）英、美、澳、北欧等国的设计规范，对于木材的E值均按不同树种分别给出。

        3）我国南方地区从长期使用原木檩条的观察中发现，其实际挠度比方木和半圆木为小。原建筑工程部建筑科学研究院的试验数据和湖南省建筑设计院的实测结果证实了这一观察结果。初步分析认为是由于原木的纤维基本完整，在相同的受力条件下，其变形较小的缘故。

        4）原建筑工程部建筑科学研究院对10根木梁在荷载作用下，其木材含水率由饱和变至气干状态所作的挠度实测表明，湿材构件因其初始含水率高、弹性模量低而增大的变形部分，在木材干燥后不能得到恢复。因此，在确定使用湿材作构件的弹性模量时，应考虑含水率的影响，才能保证木构件在使用中的正常工作，这一结论已为四川、云南、新疆等地的调查数据所证实。

    根据以上情况，对弹性模量的取值仍按原规范作了如下规定：

        1）区别树种确定其设计值；

        2）原木的弹性模量允许比方木提高15％；

        3）考虑到湿材的变形较大，其弹性模量宜比正常取值降低10％。

    本次修订时，结合木结构可靠度课题的调研工作，重新考核了上述规定，认为是符合实际的，因此予以保留。但对木材弹性模量的基本取值，则根据受弯木构件在正常使用极限状态设计条件下可靠度的校准结果作了一些调整。表4.3.1-1中的弹性模量设计值就是根据调整结果给出的。

    3 木材横纹承压设计指标f_c，90

    《木结构设计规范》GBJ 5-73版规范修订组根据各地反映，按我国早期规范设计的垫木和垫板的尺寸偏小，往往在使用中出现变形过大的迹象。为此，原规范修订组曾在四川、福建、湖南、广东、新疆、云南等地进行过调查实测。其结果基本上可以归纳为两种情况：一是因设计不合理所造成的；二是因使用湿材变形增大所导致的。为了验证后一种情况，原西南建筑科学研究院曾以云南松和冷杉做了6组试验。其结果表明，湿材的横纹承压变形不仅较大，而且不能随着木材的干燥和强度的提高而得到恢复。

    基于以上结论，对前一种情况，采取了给出合理的计算公式予以解决，见本标准式(7.1.8)；对后一种情况，根据试验结果和四川、内蒙古、云南等地的设计经验，取用一个降低系数(0.9)以考虑湿材对构件变形的影响。

    4 增加了进口材的树种和设计指标

    目前我国结构用木材主要依靠进口，按照进口木材在工程上应用的相关规定，并由原2003版规范修订组根据新的资料，按我国分级原则，进行了局部调整。本次修订时，增加了日本木材树种和设计指标，以及进口北美地区目测分级方木的强度指标。

4.3.2 有关本条的规定说明以下几点：

    1 由于本标准已考虑了干燥缺陷对木材强度的影响，因而本标准表4.3.1-3所给出的设计指标，除横纹承压强度设计值和弹性模量需按木构件制作时的含水率予以区别对待外，其他各项指标对气干材和湿材同样适用，而不必另乘其他折减系数。但应指出的是，本标准作出这一规定还有一个基本假设，即湿材做的构件能在结构未受到全部设计荷载作用之前就已达到气干状态。对于这一假设，只要设计能满足结构的通风要求，是不难实现的。

    2 对于截面短边尺寸b≥150mm方木的受弯，以及直接使用原木的受弯和顺纹受压，曾根据有关地区的实践经验和当时设计指标取值的基准，作出了其容许应力可提高15％的规定。“原2003版规范”修订时，对强度设计值的取值，改以目标可靠指标为依据，其基准也作了相应的变动。根据重新核算结果，b≥150mm的方木以提高10％较恰当。

4.3.3 考虑到目前的计算技术和计算机（计算器）设备的应用，取消了原条文中的木材斜纹承压强度设计值手工查值图。

4.3.4 本条为强制性条文。本次修订时，根据中国林业科学研究木材工业研究所提供的数据文件“国产杉木与落叶松规格材强度性质”为依据，首次确定了国产规格材强度设计值。国产目测分级规格材强度设计值是采用按可靠度分析结果进行确定。本次主要对国产杉木、兴安岭落叶松规格材的强度设计指标进行了确定。按可靠度分析的具体方法可见本标准第4.3.7条说明。

    对于国产树种的机械分级规格材强度设计指标，本次修订时缺少相关实测数据，因此，仍然保留2003版规范的相关规定。

4.3.6 本条为强制性条文。本规定仅适用于层板组合不低于4层的胶合木。

    这次修订时，对胶合木构件的强度设计值也按可靠度分析结果进行了确定，胶合木的强度标准值fk和强度变异系数δ_f是采用国家标准《胶合木结构技术规范》GB/T 50708-2012（以下简称《胶规》）的相关规定。由于本标准按可靠度分析结果确定的胶合木各等级强度设计值与《胶规》有所不同，因此，强度等级用弯曲强度设计值表示就产生了不协调。如《胶规》中同等组合TC_T30等级的抗弯强度设计值，本标准修正为27.7N/m㎡，与30N/m㎡不符合。虑到今后胶合木的发展需要，本标准将胶合木各强度等级符号修改为按抗弯强度标准值表示，如《胶规》中同等组合TC_T30现改为TC^_T40，40为该等级的抗弯强度标准值40N/m㎡。

4.3.7 根据现行《统一标准》的规定，对进口木材的强度设计值按可靠度分析结果重新进行了修订。

    1 可靠度分析原则及方法

    根据《统一标准》规定的，一般工业与民用建筑的木结构安全等级为二级，其结构构件承载力极限状态的可靠度指标β₀值不应低于3.2（延性破坏，受弯和受压）或3.7（脆性破坏，受拉）。在规定的目标可靠度β₀条件下，抗力分项系数γ_R除了与变异系数δ_f有关外，还与荷载组合的种类及其荷载比率ρ（活载/恒载）有关。因此，在可靠度分析时，对荷载组合及荷载比率采用平均或加权平均的方法，是不能满足可靠度要求的。因为，这样总有部分荷载组合或荷载比率的情况下，构件的实际可靠度将低于目标可靠度β₀。编制组结合本次可靠度分析结果，多次研究确定了进口木材强度设计值可靠度分析方法和设计值计算方法，并按下列原则进行：

        1）根据可靠度分析结果，确定材料强度的变异系数δ_f与抗力分项系数γ_R之间的基准关系曲线。“δ_f～γ_R基准曲线”适用于所有结构木材强度设计值的确定。

        2）“δ_f～γ_R基准曲线”根据可靠度计算分析得到（图2）。该曲线是以“恒载+住宅类楼面荷载”组合中，荷载比率（活/恒）ρ=1.5的曲线为基准线，并用于确定木材的强度设计值指标。对于按此基准曲线计算时，不满足可靠度要求的其他工况和荷载比率，采用强度调整系数进行调整，以保证满足可靠度的要求。

        3）根据木材出口国提供其出口的木材强度标准值fk和强度变异系数δ_f，并按“δ_f～γ_R基准曲线”确定该种进口木材的抗力分项系数γ_R。

        4）进口木材的强度设计值fd按下式计算确定，并由本标准主编单位对计算结果作最终核定。

f_d=f_kK_Q3/γ_R         （2）

    式中：K_Q3一一荷载持续时间对木材强度的影响系数，取0.72。

    2  功能函数和基本参数

    可靠度分析中，采用一阶二次矩的方法编程计算，功能函数和计算统计参数的确定如下：

        1）功能函数        

    式中：R——构件抗力，随机变量；

          f_k——强度标准值，5％分位值；f_d=f_kK_Q3/γ_R

          γ_R——抗力分项系数；

          γ_G——永久荷载分项系数；

          γ_Q——可变荷载分项系数；

          ψ_c——荷载组合系数；

          ——载持续时间影响系数均值，取0.72；

          ρ——可变荷载标准值与永久荷载标准值的比率（Q_k/G_k）；

          d——永久荷载真实值与标准值的比率G/G_k，随机变量；

          q——可变荷载真实值与标准值的比率Q/Q_k，随机变量。

    构件抗力R按下式计算：

R=K_Q3K_AK_Pf        （5）

    式中：f——构件材料强度，随机变量；

          K_Q3——荷载持续时间影响系数，随机变量；

          K_A——构件几何特征不定性影响系数，随机变量；

          K_P——计算模式误差影响系数，随机变量。

        2）可靠度分析计算参数

        ① 荷载统计参数：按表5确定。

        ② 构件抗力统计参数：假设构件的抗力和材料强度均服从对数正态分布。构件抗力影响参数按表6确定。

        ③ 可变荷载与恒荷载的比值ρ：考虑到我国现代木结构建筑的应用范围较广，因此，本次可靠度分析时，P=Q_k/G_k的取值为0、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0。

        ④ 荷载组合：根据木结构建筑的适用范围，考虑按单一恒载、恒载+办公楼面荷载组合、恒载+住宅楼面荷载组合、恒载+雪荷载组合、恒载+风荷载组合等进行可靠度分析。

    3 本标准进口木材力学性能的确定

    对于进口木材的强度标准值fk和强度变异系数δ_f的具体数据，是由木材出口国或地区提交给本标准编制组，同时提交了相关的背景资料。提交的数据是木材出口国或地区根据各自的实验数据，考虑到实验方法和实验条件等不同对强度标准值和变异系数的影响，经过适当微调后确定的。

    4 国产木材力学性能的确定

    在本次修订中，根据中国林业科学研究院木材工业研究所提供的规格材足尺试验的测试数据，按可靠度分析结果确定了国产杉木、兴安岭落叶松规格材的强度设计指标。首次增加了国产规格材的设计指标，能够积极推进国产规格材或锯材在木结构工程建设中的应用。

4.3.10 在对进口木材强度设计值按可靠度分析时，最终采用的“δ_f～γ_R基准曲线”是恒载+住宅楼面荷载组合下，ρ=1.5为基本条件。在这种情况下，存在以下情况：

    1  对于恒载+住宅楼面荷载、恒载+办公楼面荷载，ρ＜1.0时，均偏于不安全，需要对强度设计值按公式（4.3.10）进行调整。

    2  “δ_f～γ_R基准曲线”与恒载+雪荷载、ρ=1.0相比较，γ_R住/γ_R雪=0.8（平均），即不安全-20％，若ρ＞1.0更不利。与恒载+风荷载、ρ=1.0相比较，γ_R住/γ_R风=0.83（平均）即不安全-17％，而ρ＞1.0时更不利。因此，为了简化，恒载与风或雪荷载组合（当有多种可变荷载与恒荷载组合情况，风荷载或雪荷载作S_Q1k）时，强度设计值降低17％，即风荷载或雪荷载起控制作用时强度设计值应乘以0.83的调整系数。由于风荷载为短期荷载作用，这时强度设计值可以适当提高10％；因此，最终风荷载起控制作用时强度设计值调整系数为0.83×1.10 =0.91。

    屋面活荷载（或其他活荷载）与雪荷载的作用效应比值应按下列方法判断：

        1）荷载比率ρ＜1.0时，当（Q_k为活荷载标准值；Q_sk为雪荷载标准值；G_k为恒荷载标准值），则雪荷载不起控制作用。否则，应按雪荷载作用情况进行计算。

        2）荷载比率ρ≥1.0时，当，则雪荷载不起控制作用。否则，按雪荷载作用情况进行计算。

    一般情况下，对于不上人屋面的雪荷载标准值Q_sk≤0.34kN/㎡时，雪荷载不起控制作用。对于上人屋面的雪荷载标准值Q_sk≤1.4kN/㎡时，雪荷载不起控制作用。

4.3.11 由于在实际使用中，不断有新型的木质结构材或结构构件被研制或生产，为了推广应用这些新材料、新构件，特对其强度值确定方法作出了规定。本条规定主要是针对专业加工企业经过标准化、规模化生产的新材料或新构件。在保证安全可靠的情况下，使其定型合格一批就可在工程中应用一批，并可随着试验数据不断累积，使新材料、新构件的各种力学性能不断完善。

4.3.15 在木屋盖结构中，木檩条挠度偏大一直是使用单位经常反映的问题之一。早期的研究多认为是我国规范对木材弹性模量设计取值不合理所致，为此，在实测和试验基础上，对木材弹性模量设计值作了较全面的修订。以前修订时，借助于概率法，对GBJ 5-88按正常使用极限状态设计的可靠指标进行校准，校准是在下列工作基础上进行的：

    1 用广义的结构构件抗力R和综合荷载效应S这两个相互独立的综合随机变量，对影响正常使用极限状态的各变量进行归纳。

    2 假定R、S均服从对数正态分布。

    校准采用了下列简化公式：

        1）K为正常使用极限状态下构件的安全系数。“原1988版规范”规定的允许挠度值（如檩条为L/200），实际上是设计时的容许值，并非正常使用极限状态的极限值，调查表明，当L＞3.3m的檩条、搁栅和吊顶梁其挠度达L/150时（对L＜3.3m的檩条为L/120时），便不能正常使用，故可将L/150视为挠度极限值，而L/150和L/200之差即为正常使用极限状态的安全裕度。或可认为，挠度极限值与挠度限值之比，为正常使用极限状态下的安全系数。各种受弯构件的β值见表7。

        2）R_R为广义构件抗力R的平均值μ_R与其标准值R_K之比，即R_R=μ_R/R_K,δ_R为R的变异系数。

    弹性模量的标准值虽是用小试件弹性模量值为代表，但实际上构件弹性模量与小试件弹性模量有下列不同：小试件弹性模量以短期荷载作用下、高跨比较大的、无疵清材小试件进行试验得来的。而构件则承受长期荷载、高跨比较小且含有木材天然缺陷，以及由于施工制作的误差，其截面惯矩也有较大的变异。这些因素均使构件广义抗力不同于用小试件弹性模量确定的标准抗力。通过试验研究和大量调查计算所确定的各种受弯构件的R_R和δ_R列于表8。

        3）R_S为综合荷载效应S的平均值μ_S与其标准值S_K之比，即R_S=μ_S/S_K,δ_S为S的变异系数。根据表4.3.15的数据和不同的恒、活荷载比值，算得的R_S、δ_S见表8。

    从表8的校准结果可知：

        1）跨度L≤3.3m的檩条和搁栅的可靠指标符合《统一标准》的要求。

        2）吊顶梁的可靠指标较高，这也是合适的，因为吊顶梁是以恒荷载为主的构件，应有较高的可靠指标。

        3）跨度L＞3.3m的檩条的可靠指标显著偏低，究其原因，主要是相应的挠度容许值定得偏大。

    显而易见，对于檩条挠度偏大的问题，以采取局部修订受弯构

件控制值的办法解决最为合理、有效。因此，将檩条挠度限值的规定分为两档：一档（L≤3.3m）为L/200；另一档（L＞3.3m）为L/250。

    根据挠度限值计算得到跨度L＞3.3m的檩条的可靠指标β=1.55，较好地满足了《统一标准》的要求。

    墙骨柱的挠度限值规定是防止墙骨柱按两端铰接的受压构件、压弯构件计算时，弯曲变形过大对覆面材料产生不利的影响。

4.3.16 受压构件长细比限值的规定，主要是为了从构造上采取措施，以避免单纯依靠计算，取值过大而造成刚度不足。对于这个限值，在这几年发布的国外标准中，一般规定都比较宽。例如，美国标准为173（L0/h≤50）；北欧五国和ISO的标准均为170（次要构件为200）。由于我国尚缺乏这方面的实践经验，有待今后做工作后再考虑。

4.3.17 我国20世纪50年代的规范曾参照苏联的规定，将原木直径变化率取为每米10mm，但由于没有明确标注原木直径时以大头还是小头为准，以致在执行中出现过一些争议。以前修订规范，通过调查实测了解到：我国常用树种的原木，其直径变化率大致在每米9mm～10mm之间，且习惯上多以小头为准来标注原木的直径。因此，在明确以小头为准的同时，规定了原木直径变化率可按每米9mm采用。这样确定的设计截面的直径，一般偏于安全。

4.3.19 当锯材和规格材采用加压防腐处理时，其强度设计值一般不会改变。如果采用刻痕的方法进行加压防腐处理，由于构件截面受到损伤，因此，构件的强度有一定的降低。本条的强度降低系数值参照美国相关标准确定。

    当采用加压防腐处理的锯材和规格材设计木结构建筑时，木构件强度验算和连接设计应符合本标准第5章和第6章的相关规定。

4.3.20 有关木结构中的钢材部分应按现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017的规定采用。只有遇到特殊问题时，才由本标准作出补充规定。