帶消能節(jié)點的梁柱式木結構民宅的抗震性能

周愛萍，黃東升

(南京林業(yè)大學土木工程學院，江蘇 南京 210037)

我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)民宅建造亟需解決2個基本問題:一是房屋建造缺乏技術支持，結構安全性得不到保障［1］;二是黏土磚和混凝土建造房屋造成大量礦物資源與能源的消耗、環(huán)境污染.采用木結構建筑既可以實現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民住宅的標準化、工廠化建造，又能夠?qū)崿F(xiàn)建筑材料的無污染、低能耗生產(chǎn)以及原材料資源的可再生利用.由于我國傳統(tǒng)木結構建筑采用原木材料，梁柱為榫卯連接，此構造嚴重削弱了木構件的牢固性，該節(jié)點通過摩擦力傳遞荷載，因而連接強度低，延性差，木材利用率低［2－3］.北美輕型木結構采用密排龍骨加高強面板的墻承載體系［4－10］，消耗木材多，造價高，不適合我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)民宅建設.

針對上述問題，作者設計了具有恰當剛度與較大延性的木框架結構專用消能節(jié)點(發(fā)明專利號:ZL 200810242536.9)，使木梁、柱連接成具有抗側剛度的框架體系，梁、柱均為規(guī)格木材組合而成，該成果分別在廣東省清遠市、青海省玉樹州建造的兩層木結構示范民宅中得到成功應用，并同時做了與示范工程完全相同的3個足尺節(jié)點擬靜力低周反復荷載試驗.

本研究通過對其中一幢示范工程民宅在基本荷載組合作用下的承載力和剛度的驗算，同時對罕遇地震作用下的動力彈塑性進行分析，研究帶消能節(jié)點的木框架結構的抗震性能.

1 消能節(jié)點的構造試驗與結果

圖1為節(jié)點構造及其與梁柱連接、節(jié)點試驗加載示意圖.為使木框架節(jié)點具有足夠的抗側剛度、延性和耗能能力，作者設計了用Q235鋼制成的木框架專用消能節(jié)點，如圖1a所示;柱套內(nèi)的橫隔板用以承受柱的軸向力，如圖1b所示;節(jié)點與梁柱的連接構造見圖1c，柱套將框架的上、下柱連接成整體，確保柱在節(jié)點處的可靠連接，梁連接鋼板由上下2片鋼板與柱套連接，梁從側面放入節(jié)點內(nèi)，用U形卡與節(jié)點緊固.

圖1 節(jié)點構造及其與梁柱連接、節(jié)點試驗加載示意圖

該構造具有如下優(yōu)點:節(jié)點將木梁、柱連接成具有抗側剛度的框架結構體系，木梁與柱套間需要有5～10 mm空隙，安裝容差能力強，且不需要墻體承載，節(jié)省材料，降低造價;強震作用下，可通過節(jié)點鋼材彈塑性變形消耗能量，避免木材脆性破壞，提高結構的延性與安全性;可在工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場安裝，避免鎮(zhèn)(鄉(xiāng))村居民自建住宅無技術支持、無抗震設防的情況.通過3個足尺擬靜力節(jié)點試驗，結果表明:結構破壞時，其變形主要集中在節(jié)點上，鋼板達到屈服強度;消能節(jié)點的位移延性系數(shù)達到5左右，等效阻尼比分別達19.7%，22.3%(因第1個試驗不理想，數(shù)據(jù)采用其余2個試驗)，可見節(jié)點有良好的耗能能力與延性.圖2為分別有、無消能節(jié)點時，結構頂層的加速度響應.由圖2可知，消能節(jié)點能顯著減小結構加速度度響應.

圖2 頂層加速度響應

2 示范建筑結構設計

課題組在廣東省清遠市與青海省玉樹州分別設計建造了2幢具有上述節(jié)點的裝配式木框架結構示范工程民宅.圖3為清遠市A幢示范工程住宅的底層平面圖，建筑功能上滿足五口之家兩代人居住，采用2層獨立式建筑，建筑面積為170 m2.圖4為該建筑的結構布置圖.圖5為柱與梁的截面圖.

圖3 示范民宅建筑底層平面圖

圖4 示范民宅結構布置圖

圖5 柱與梁組合截面圖

木梁、木柱為該結構的主要承重構件，由38 mm×184 mm、38 mm×140 mm的規(guī)格木材通過釘連接，工廠預制.在樓面主次梁間布置間距為600 mm的木擱柵，其上鋪設15 mm厚的OSB結構板材;在屋面主次梁中布置木檁條，其上鋪設12 mm厚的OSB結構板材，在OSB板上鋪設防水卷材、瀝青瓦做好屋面防水工程;在外墻木柱間布置間距1000 mm的木龍骨，外側覆9 mm厚的OSB結構板材，內(nèi)側覆12 mm厚的石膏板，達到防火目的，外墻只作圍護結構，可以用秸稈板等生物質(zhì)材料取代OSB板，墻中填充保溫棉，達到保溫隔音效果.基礎采用混凝土獨立基礎，并采取了防白蟻、防潮、防腐等措施［9－10］.

3 結構的靜力分析

3.1 構件驗算

3.1.1 材料

木構件采用加拿大進口SPF規(guī)格木材，板材均為進口OSB結構板材.根據(jù)GB50005—2003《木結構設計規(guī)范》第4.2.1，4.2.2條，采用表4.2.1－1中針葉樹種木材適用的強度等級，選擇強度等級TC15B.根據(jù)GB50017—2003《鋼結構設計規(guī)范》的標準，鋼材選用Q235，焊接均采用角焊縫，金屬件表面要求進行防銹處理.

3.1.2 梁柱驗算

該工程采用通用有限元分析程序SAP2000進行模型和內(nèi)力計算，確定構件截面.根據(jù)SAP2000的內(nèi)力計算結果，按照規(guī)范的要求進行截面驗算.主梁與柱均為兩端固接的桿系構件，次梁、格柵構件采用釘連接，均為兩端鉸接的桿系構件.根據(jù)GB50005—2003第5.2條驗算梁柱，表1給出了各種規(guī)格梁抗彎強度和抗剪強度設計值.結構分析表明:所有框架梁的最大彎矩和剪力設計值均小于表1給出的強度設計值，即框架梁的抗彎強度、抗剪強度滿足要求.按照GB50005—2003第5.2條逐個驗算底層柱的承載能力.

表1 A幢建筑梁截面承載力驗算

3.2 頻遇地震作用驗算

地震作用分析采用SAP2000，抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第1組，設計基本地震加速度為0.1 g，水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.12，基本風壓 ω0=0.55 kN·m－2，特征周期 0.45 s，抗震設防類別為丙類建筑.樓面與屋面恒載分別取1.0 kN·m－2，活荷載分別取 2.0，1.5 kN·m－2.順紋彈性模量EL=10.0×106kN·m－2，橫紋彈性模ET=0.1EL，橫紋剪切模量 GLR=0.075EL，泊松比 υ=0.25.重力荷載代表值Geq取恒載加上0.5活載.模態(tài)分析采用振型分解反應譜法進行，按GB50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》計算了此情況下的地震影響系數(shù)曲線，輸入x和y方向的地震加速度，振型組合采用CQC法，方向組合采用SRSS法.通過計算可知:前 3 階的周期 T1=0.772 s，T2=0.749 s，T3=0.559 s;前3階振型的x和y方向累計質(zhì)量參與系數(shù)分別為98%，98%和99%;第1，2階振型為沿水平方向的振動，第3階振型為整體的扭轉(zhuǎn)變形.

4 罕遇地震作用下的彈塑性分析

4.1 塑性鉸

試驗證明:上述帶消能節(jié)點木框架的彈塑性變形主要集中在節(jié)點上，表明可以在節(jié)點區(qū)設置塑性鉸來模擬結構的彈塑性變形.由于梁的軸力很小，故忽略不計，采用彎矩－轉(zhuǎn)角塑性鉸來模擬節(jié)點的非線性轉(zhuǎn)動，塑性鉸的彎矩－轉(zhuǎn)角曲線如圖6所示.圖6中，Me，My分別表示塑性鉸的比例極限彎矩和屈服彎矩，θe，θy和θu分別為塑性鉸的比例轉(zhuǎn)角、屈服轉(zhuǎn)角和破壞極限轉(zhuǎn)角.根據(jù)節(jié)點的擬靜力試驗與有限元分析結果確定塑性鉸的參數(shù)(見表2).

表2 塑性鉸參數(shù)

圖6 塑性鉸的彎矩－轉(zhuǎn)角曲線

4.2 彈塑性分析

用SAP2000建模計算，以ELCRENTRO波作為地面運動輸入，輸入峰值加速度為220 cm·s－2，時間步長為0.02 s，計算時長10 s，結構阻尼比取5%.圖7為結構的塑性鉸圖.表3為x和y方向的樓層最大位移.結果表明:罕遇地震作用下，樓層的側移基本上集中在底層，x和y方向的最大彈塑性側向位移角分別達到1/52和1/82，而二層以上的最大彈塑性側向位移角很小.由圖7、表3可看出，罕遇地震作用下，節(jié)點都進入了彈塑性工作階段，結構的最大彈塑性角位移小于1/50，滿足 GB50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》第5.5條的要求.

圖7 結構上的塑性鉸

表3 x和y方向的樓層最大位移

5 結論

1)提出了一種帶軟鋼消能節(jié)點的木框架結構體系，消能節(jié)點將木組合梁、木組合柱連接成具有抗側剛度的框架結構.與我國傳統(tǒng)的木結構體系相比，帶消能節(jié)點的木框架結構不需要榫卯連接，連接不削弱木構件，因而具有更高的承載力與延性;和北美輕型木結構相比，該結構體系不需要密排木龍骨加高強度面板的剪力墻提供抗側剛度.結構布置靈活且造價低，可工廠預制、標準化生產(chǎn)，安裝容差性強，技術要求低，適合在我國廣大村鎮(zhèn)民居中推廣應用.

2)示范工程民宅的結構分析與節(jié)點試驗表明:消能節(jié)點有良好的延性與耗能能力，能顯著減小結構的加速度響應;考慮頻遇地震作用參與的荷載標準組合作用時，結構的水平向變形、梁的豎向變形，均可以滿足GB50011—2010的相關要求.罕遇地震作用下，框架梁上都出現(xiàn)了塑性鉸，結構的最大彈塑性角位移小于1/50，滿足我國GB50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》第5.5條的要求，表明帶消能減震節(jié)點的木框架結構，能達到我國建筑抗震設計規(guī)范所要求的抗震設防性能目標.

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