輕型木結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

劉 朋

(中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

輕型木結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

劉 朋

(中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

在介紹木結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，綜述了國(guó)內(nèi)外輕型木結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和成果，尤其是輕型木結(jié)構(gòu)建筑和木剪力墻基于性能的抗震研究，指出基于性能的抗震設(shè)計(jì)是必然趨勢(shì)。

輕型木結(jié)構(gòu)，抗震，基于性能，木剪力墻

0 引言

通常認(rèn)為木結(jié)構(gòu)建筑質(zhì)量較輕，地震作用較小。盡管如此，歷次地震中木結(jié)構(gòu)建筑嚴(yán)重?fù)p毀的現(xiàn)象也不鮮見(jiàn)。隨著輕型木結(jié)構(gòu)建筑高度(或周期)的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)基于“力”的抗震設(shè)計(jì)或評(píng)估方法偏于不安全?；趯?duì)上述問(wèn)題的深刻反思，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者開(kāi)始研究輕型木結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)。

本文以輕型木結(jié)構(gòu)建筑為對(duì)象，總結(jié)國(guó)內(nèi)外輕型木結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展，并對(duì)其研究趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 基于性能的抗震理論研究

目前我國(guó)對(duì)于輕型木結(jié)構(gòu)基于性能的抗震理論研究仍處于初級(jí)階段。 張盛東等人[1]建議了一種能計(jì)算無(wú)抗傾覆錨固件木結(jié)構(gòu)剪力墻的側(cè)向變形公式。熊海貝等[2]采用了冷彎型鋼組合墻體計(jì)算模型中的等代拉桿法估計(jì)輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的抗側(cè)剛度，并在其非彈性分析階段引入了埋置作用和摩擦作用。陳松來(lái)等人[3]對(duì)14個(gè)剪力墻試件和2個(gè)木樓蓋試件進(jìn)行了單調(diào)加載試驗(yàn)，提出了剪力墻或樓蓋剛度基于變形的取值方法，分析了剪力墻的長(zhǎng)度、開(kāi)洞、石膏板覆面等因素對(duì)其承載力以及剛度的影響。

近年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于輕型木結(jié)構(gòu)抗震理論的研究方興未艾。美國(guó)研究報(bào)告[4]指出基于性能的抗震設(shè)計(jì)(Performance-Based Seismic Design,PBSD)應(yīng)該是突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性，選擇性能優(yōu)良的新的材料，恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)準(zhǔn)則、結(jié)構(gòu)體系、隔震減震技術(shù)等實(shí)現(xiàn)期望的性能目標(biāo)。2002年，F(xiàn)iliatrault等人[5]通過(guò)大量非線性動(dòng)力時(shí)程分析驗(yàn)證了將直接基于位移的設(shè)計(jì)方法(Direct Displacement Design，DDD)應(yīng)用于輕型木結(jié)構(gòu)建筑的可行性，并建議了一種預(yù)測(cè)木剪力墻滯回反應(yīng)和耗能特性的簡(jiǎn)化數(shù)值模型。2002年Rosowsky D V[6]為木剪力墻開(kāi)發(fā)了一種包含PBSD理念抗震設(shè)計(jì)方法。2004年Skaggs等人[7]認(rèn)為隔墻或剪力墻比簡(jiǎn)支梁復(fù)雜得多，建議使用美國(guó)木業(yè)協(xié)會(huì)APA推薦的變形計(jì)算公式。2005年Lindt[8]開(kāi)發(fā)了一種基于損傷的抗震可靠度模型和一套損傷極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)用于計(jì)算結(jié)構(gòu)在一定損傷程度下的可靠指標(biāo)。2006年Lindt等人[9]研究表明增量動(dòng)力分析方法(Incremental Dynamic Analysis Method,IDA)可以作為一種輕型木結(jié)構(gòu)損傷預(yù)測(cè)的手段，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的地震力需求與預(yù)測(cè)結(jié)果吻合良好，最大瞬態(tài)位移與預(yù)測(cè)結(jié)果的吻合程度不高。2007年Li Y等人[10]提出地震脆弱模型用來(lái)預(yù)測(cè)輕型框架木結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)在不同地震震害下的隨機(jī)反應(yīng)，完成木結(jié)構(gòu)性能評(píng)估。2010年Wang Y等人[11]對(duì)DDD方法進(jìn)行拓展，使之適用于多層輕型木結(jié)構(gòu)建筑基于性能的抗震設(shè)計(jì)。2010年Lindt等人[12]在前人研究的結(jié)構(gòu)損傷特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整并采用該方法預(yù)測(cè)了一棟6層足尺輕型木結(jié)構(gòu)的損傷。2010年P(guān)ang W等人[13]采用一種簡(jiǎn)化DDD方法設(shè)計(jì)了一棟六層木結(jié)構(gòu)滿足損傷控制、生命安全、遠(yuǎn)場(chǎng)倒塌保護(hù)(CP)和近場(chǎng)CP等4項(xiàng)性能期望的木剪力墻并采用ATC推薦的增量動(dòng)力分析法，對(duì)該建筑抗倒塌能力進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證。2011年Liang H等人基于損傷模型評(píng)估了木結(jié)構(gòu)的抗震性能，采用IDA方法標(biāo)定木剪力墻的損傷模型參數(shù)，并建立了損傷指數(shù)和實(shí)測(cè)損傷現(xiàn)象之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[14]。2013年 Lindt等人撰文總結(jié)了輕型木結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展歷程，分析了當(dāng)前達(dá)到的水平以及仍存在的挑戰(zhàn)[15]。就輕型木結(jié)構(gòu)建筑而言，基于性能的抗震理論和方法仍在不斷發(fā)展和完善的過(guò)程中，仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚未解決或有待達(dá)成共識(shí)。

2 抗震性能試驗(yàn)研究

輕型木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)入中國(guó)以來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)其抗震性能的足尺試驗(yàn)研究極為有限。2006年程海江等人[16]通過(guò)單向和反復(fù)荷載試驗(yàn)表明作用于橫墻上的豎向荷載可顯著提高剪力墻的各項(xiàng)力學(xué)性能。2007年呂西林等人[17]考慮門洞寬度、結(jié)構(gòu)平面布置等因素，分67種工況對(duì)一幢兩層木結(jié)構(gòu)房屋的足尺模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。2008年熊海貝等人[18]分析了剪力墻剛度、激振程度及扭轉(zhuǎn)等因素對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期的影響，并將自振周期估算值與試驗(yàn)值進(jìn)行了比較得出房屋基本周期不僅僅只與房屋的高度有關(guān)。2008年陳松來(lái)等人[19]通過(guò)對(duì)一幢輕型木結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行了試驗(yàn)研究得出非結(jié)構(gòu)構(gòu)件可顯著提高房屋的抗側(cè)力剛度，各片剪力墻與樓蓋之間的剪切滑移和樓蓋吊頂石膏板對(duì)樓蓋剛度提高作用可忽略不計(jì)。2010年康加華等人[20]通過(guò)試驗(yàn)研究了輕型木結(jié)構(gòu)房屋底層墻體的破壞模式及抗剪強(qiáng)度、剛度、延性和耗能等力學(xué)指標(biāo)。2012年謝啟芳等人[21]研究了剪力墻在水平單向和低周反復(fù)加載下的破壞特征、抗剪強(qiáng)度、滯回性能、延性及耗能等指標(biāo)，分析了洞口大小、洞口位置及豎向荷載對(duì)剪力墻抗震性能的影響，以及剪力墻與墻體模塊抗震性能的區(qū)別。

另一方面，國(guó)外近年來(lái)對(duì)于輕型木結(jié)構(gòu)抗震性能的試驗(yàn)研究始終緊密結(jié)合基于性能的抗震理論。2005年Dean等人[22]基于10組剪力墻的試驗(yàn)研究得出豎向荷載能夠提高其水平承載力。2007年Ni C等人[23]通過(guò)足尺試驗(yàn)表明：帶單斜覆板剪力墻的荷載—位移反應(yīng)在拉壓荷載下呈現(xiàn)出非對(duì)稱性；帶雙斜覆板剪力墻的平面內(nèi)抗剪承載力可提高2倍～3倍。2007年Lindt等人[24]通過(guò)一系列足尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了輕型木結(jié)構(gòu)建筑的動(dòng)力性能，檢驗(yàn)了實(shí)測(cè)損傷和瞬態(tài)層間位移之間的定性關(guān)聯(lián)。2009年NEESWood項(xiàng)目中一幢六層輕型木結(jié)構(gòu)在7.5級(jí)地震作用下，仍具有良好的抗震性能[25]。2013年P(guān)ei等人[26]的研究表明在不同程度的豎向荷載作用下帶水平撐木剪力墻保持穩(wěn)定的層間位移限值為7%～10%。2014年NEES-Soft項(xiàng)目進(jìn)行了一系列帶薄弱層輕型木結(jié)構(gòu)建筑的足尺試驗(yàn)檢驗(yàn)其開(kāi)發(fā)的基于性能抗震改造方法。Lindt等人[27]針對(duì)一棟4層(370 m2) 帶薄弱層輕型木結(jié)構(gòu)四種加強(qiáng)原結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度方案都進(jìn)行了足尺震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，并給出了關(guān)鍵性試驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)PBSD做出了大量的研究，也取得了很多重大的研究成果，但由于其力學(xué)性能的復(fù)雜性以及PBSD的特殊性，目前還沒(méi)有形成相對(duì)統(tǒng)一的研究理論方法，需要進(jìn)行更多的輕型木結(jié)構(gòu)的足尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以獲得更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)并將其與有限元設(shè)計(jì)程序?qū)Y(jié)構(gòu)受力性能的預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比。將試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用到目前的分析方法，全面發(fā)展PBSD。

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Sutdiesondesignoflightwoodstructures

LiuPeng

(CollegeofCivilEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China)

Based on introducing the development status of wood structure on the progress and the latest research achievements at home and abroad in the field of light wood structures, especially the light wood structure and wood shear wall seismic performance study based on that performance based seismic design is an inevitable trend.

light wood structure, seismic, performance-based, shear wall

1009-6825(2017)29-0058-03

2017-08-08

劉 朋(1990- )，男，在讀碩士

TU366.2

A