高層正交膠合木-混凝土核心筒體系力學(xué)性能參數(shù)分析

熊海貝，王治方，宋依潔

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

高層木-混凝土混合結(jié)構(gòu)與高層純混凝土結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)自重大幅減輕，基底剪力減小，結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的抗震性能.基底剪力和傾覆力矩的減小，降低了對(duì)地基承載力的要求，可有效減少樁基數(shù)量，從而減少基礎(chǔ)施工量，節(jié)省施工時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本.以“相同的建筑平面與面積、相同的使用功能、滿足基本安全與經(jīng)濟(jì)目標(biāo)”為原則，對(duì)同一辦公樓分別采用混凝土框架核心筒-木盒混合結(jié)構(gòu)、混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果表明：木-混凝土混合結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比混凝土結(jié)構(gòu)減輕26.3%，X向和Y向基底剪力分別減小31.7%和38.5%[1].

在保證合理的結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量下，多高層木結(jié)構(gòu)及木-混凝土混合結(jié)構(gòu)均具有良好的承載能力和抗震、抗火性能，結(jié)構(gòu)安全可靠[2].目前國外已有多個(gè)木-混凝土混合結(jié)構(gòu)項(xiàng)目建成.加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)(UBC)Brock Commons學(xué)生公寓是目前世界上最高的現(xiàn)代木-混凝土混合結(jié)構(gòu)建筑.該公寓共18層，建筑高度54.81 m，采用“混凝土雙核心筒+膠合木框架柱”的混合結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)、底層以及核心筒為混凝土結(jié)構(gòu)，2層至18層由膠合木柱和正交膠合木(CLT)樓板組成[3].2個(gè)混凝土核心筒提供足以抵抗建筑整體高度上的側(cè)向風(fēng)載和地震作用的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，膠合木框架柱作為木結(jié)構(gòu)部分的豎向承載力構(gòu)件.該公寓結(jié)構(gòu)包含多種連接類型：CLT樓板與混凝土核心筒豎向采用角鋼支撐，角鋼焊接到鑄入核心筒壁的鋼板；CLT樓板與混凝土橫向設(shè)置金屬拉條，金屬拉條與CLT樓板采用螺釘連接，金屬拉條與混凝土采用螺栓連接，可承受節(jié)點(diǎn)處縱向和橫向剪切力傳遞.膠合木柱與CLT樓板的連接采用特制的金屬柱帽，CLT樓板支撐于下方木柱頂部，由4根螺桿栓接，連接通過木柱直接傳遞豎向荷載.膠合木柱與屋面結(jié)構(gòu)的連接類似于木柱與木柱的連接，屋面鋼梁用焊接鋼組件支撐，鋼組件栓接錨固到木柱頂部[3].

針對(duì)木-混凝土混合結(jié)構(gòu)中的連接，國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)值模擬及理論分析等方法開展了相關(guān)研究.Hossain等[4]對(duì)植入自攻螺釘?shù)腃LT板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了單調(diào)加載和低周往復(fù)加載試驗(yàn)，研究節(jié)點(diǎn)的承載力、屈服強(qiáng)度、變形、剛度和延性.結(jié)果表明：垂直植入自攻螺釘?shù)墓?jié)點(diǎn)延性好，十字交叉傾斜植入自攻螺釘?shù)墓?jié)點(diǎn)剛度大但延性較差，低周往復(fù)荷載作用下節(jié)點(diǎn)的承載力與單調(diào)加載下相比降低40%.Yasumura等[5]研究了采用抗拉錨固件(hold-down)和自攻螺釘?shù)腃LT剪力墻在側(cè)向低周往復(fù)荷載作用下的破壞模式，得到了CLT剪力墻的荷載-位移曲線.Gavric等[6]對(duì)應(yīng)用于意大利林業(yè)與木材研究所(IVALSA)項(xiàng)目中的典型CLT連接進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了設(shè)置于CLT墻板與基礎(chǔ)或CLT墻板與樓板之間的抗拉錨固件以及角支架(angle bracket)等連接件的力學(xué)性能.結(jié)果表明：抗拉錨固件在受拉方向上呈現(xiàn)出很高的強(qiáng)度和剛度，但在受剪方向上由于金屬部分的屈服，強(qiáng)度和剛度均較低；角支架在抗拉和抗剪2個(gè)方向上均具有良好的強(qiáng)度和剛度.

基于上述研究，結(jié)合CLT材料性能優(yōu)勢，針對(duì)一種高層正交膠合木-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行參數(shù)分析.選取CLT板材連接剛度、混凝土核心筒墻體厚度、樓層數(shù)等參數(shù)，運(yùn)用有限元分析方法，分析不同參數(shù)對(duì)該混合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、變形、動(dòng)力特性等的影響，以期為高層木-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供參考.

1 高層正交膠合木-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)

高層正交膠合木-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)采用“混凝土核心筒+CLT剪力墻”的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示.該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)與核心筒為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，核心筒外圍木結(jié)構(gòu)采用“CLT剪力墻+CLT樓板”的結(jié)構(gòu)形式.

整體結(jié)構(gòu)=CLT剪力墻+混凝土核心筒

根據(jù)抗震概念設(shè)計(jì)原則，建筑體形和結(jié)構(gòu)總體布置宜盡量規(guī)則.高層正交膠合木-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)的平面布置如圖2所示，建筑平面長度與寬度均為25.5 m，樓層層高為3.4 m.利用建筑平面中心的電梯井、樓梯間和樓電梯廳等服務(wù)性公用面積形成核心筒區(qū)域，CLT剪力墻圍合成公寓區(qū)域.CLT剪力墻與混凝土核心筒沒有直接連接.核心筒墻體和樓板采用C35混凝土，CLT墻體和樓板采用美國規(guī)范《Standard for performance-rated cross-laminated timber》[7]中E1等級(jí)強(qiáng)度的CLT層板，初步選取構(gòu)件的強(qiáng)度如表1所示.

圖2 混合結(jié)構(gòu)平面布置示意圖(單位：mm)

Fig.2 Schematic diagram of the hybrid structure (unit:mm)

該混合結(jié)構(gòu)高層建筑按位于上海市進(jìn)行抗震和抗風(fēng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地條件為Ⅳ類，特征周期為0.9 s，

表1 構(gòu)件截面及材料強(qiáng)度

基本風(fēng)壓為0.55 kN·m-2，場地地面粗糙度類別為D類.設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮恒載、屋面和樓面活載、風(fēng)荷載及地震作用.根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)，樓面恒載按材料的實(shí)際重量取值，為減少樓板振動(dòng),木結(jié)構(gòu)樓面部分鋪設(shè)35 mm輕質(zhì)混凝土,天花板防火用兩層石膏板以及噴淋系統(tǒng)，樓面恒載取2.0 kN·m-2；電梯井樓板按120 mm厚混凝土樓板、大理石地面面層和20 mm天花找平等；考慮防火石膏板吊頂、噴淋系統(tǒng)以及屋面防潮做法和屋面瓦，屋面恒載取2.5 kN·m-2.樓面均布活載按住宅取2.0 kN·m-2，屋面按不上人取0.50kN·m-2.考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的順風(fēng)向風(fēng)振影響.根據(jù)規(guī)范進(jìn)行承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的效應(yīng)組合.

高層正交膠合木-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)中的連接類型主要包括CLT樓板與混凝土核心筒的連接，以及CLT板材之間的連接.CLT樓板與混凝土核心筒的連接如圖3所示.在CLT樓板下部設(shè)置金屬支托，水平支托與CLT樓板采用螺栓連接，豎向支托與混凝土采用螺栓連接；CLT樓板與混凝土之間設(shè)置金屬條帶，豎向條帶通過螺栓與混凝土連接，水平條帶通過螺釘與CLT樓板連接[3].此連接方式通過金屬支托、金屬條帶和螺栓的組合形式增強(qiáng)連接節(jié)點(diǎn)的剛度.CLT板材之間的連接包括CLT墻板與墻板、CLT墻板與樓板之間的連接.通常采用以下3種連接件結(jié)合運(yùn)用的形式[8]：抗拉錨固件，用于CLT墻板端部以及靠近門洞的位置與CLT樓板之間的豎向連接，主要起抗拉、抗傾覆作用，如圖4a所示；角支架，布置于CLT墻板中間與CLT樓板相連，主要承受剪切荷載，防止板材之間滑動(dòng)，如圖4b所示；自攻螺釘，用于CLT墻板與墻板之間的連接，防止墻板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖4c所示.抗拉錨固件采用HTT22，角支架采用BMF 90 mm×48mm×3 mm×116 mm，自攻螺釘采用Φ8 mm×100 mm.

除常用的連接形式外，新型的連接系統(tǒng)也用于CLT板材的連接.X-rad連接是意大利公司Rothoblaas專門為CLT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的連接方式[9]，將標(biāo)準(zhǔn)的金屬連接件放置在CLT板材的角部連接處，如圖4d所示.金屬連接件由金屬盒和預(yù)先填入的硬木插入物組成，與CLT板材用特制的螺紋螺釘連接.X-rad連接剪切剛度大，抗震性和整體性能好.

圖3 CLT樓板-混凝土核心筒螺栓連接[3]

a 抗拉錨固件[8](墻板與樓板)

b 角支架[8](墻板與樓板)

c 自攻螺釘[8](墻板與墻板)

d X-rad連接件[9]

2 混合結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 材料參數(shù)

2.1.1材性設(shè)置

CLT板的力學(xué)特性參考美國規(guī)范《Standard for performance-rated cross-laminated timber》[7]，CLT層板順紋方向彈性模量E0=11 700 MPa，橫紋方向彈性模量E90=9 000 MPa，厚度為35 mm.結(jié)構(gòu)中采用5層CLT層板，將CLT層板彈性模量參數(shù)轉(zhuǎn)化為5層正交截面的主方向彈性模量E5,0.CLT板截面計(jì)算簡圖如圖5所示.根據(jù)抗彎剛度等效原則可得

(1)

(2)

式中：E0和E90分別為CLT層板截面主方向(3層順紋層板的方向)和次方向(2層橫紋層板的方向)的彈性模量；b為CLT板寬度，取1 m；h為復(fù)合截面總厚度；h1為CLT層板厚度；d1和d2為單板截面中心到CLT截面中心軸的距離;I為截面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.

圖5 CLT板彈性模量計(jì)算簡圖

計(jì)算可得主方向彈性模量E5,0=11 000 MPa，次方向彈性模量E5,90=9 000 MPa.根據(jù)剪切類比法得到CLT順紋剪切模量G0=1/16×E5,0≈680 MPa，橫紋剪切模量G90=1/10×G0=68 MPa.模型中所采用的CLT板材性參數(shù)如表2所示，其中EL、ER和ET分別表示主方向L、次方向R和橫紋次方向T的彈性模量，GLT、GRL和GTR分別表示L、R、T 3個(gè)方向組成的平面內(nèi)的剪切模量，vLT、vRL和vTR分別表示相應(yīng)的泊松比.混凝土采用考慮塑性損傷因子的混凝土塑性損傷本構(gòu)模型，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[10]中混凝土單軸受壓及受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算公式得到受壓和受拉本構(gòu)關(guān)系.

表2 CLT板材性參數(shù)

2.1.2CLT板連接本構(gòu)關(guān)系

CLT剪力墻體系中抗拉錨固件、角支架和自攻螺釘連接的荷載-位移三折線模型如圖6所示.圖6中,Fy為屈服荷載，F(xiàn)m為峰值荷載，F(xiàn)u為極限荷載，uy為屈服位移，um為峰值位移，uu為極限位移,kel為初始剛度，kp1為上升段剛度，kp2為下降段剛度.根據(jù)Gavric研究結(jié)果,得到3種連接的模型剛度參數(shù)，如表3所示[6].其中,h代表抗拉錨固件連接，a代表角支架連接，s代表自攻螺釘連接，t代表受拉方向，v代表受剪方向，l代表齒搭接節(jié)點(diǎn)(half-lap joint)，p代表單面搭接節(jié)點(diǎn)(spline joint).

圖6 CLT板連接荷載-位移三折線模型[6]

連接剛度/(kN·mm-1)荷載/kN位移/mmkelkp1kp2FyFmFuuyumuuht4.60.7-2.841.048.039.08.82024v3.20.203.610.010.01.13030at2.70.4-0.919.024.019.07.31823v2.00.2-1.623.027.022.012.02932sl1.30.1-0.13.25.34.22.62432p0.90.1-0.54.97.35.95.73438

X-rad連接剛度從制造商Rothoblaas官方提供的產(chǎn)品手冊(cè)中得到，X-rad連接件的有限元模型如圖7所示，有限元模擬中采用的X-rad連接剛度參數(shù)如表4所示[9].

圖7 X-rad連接件彈簧模擬[9]

2.1.3CLT-混凝土連接本構(gòu)關(guān)系

CLT樓板與混凝土的連接采用線性連接單元模擬，如圖8所示.連接節(jié)點(diǎn)中螺栓的線性剪切剛度取值參照規(guī)范ASTM-D5652-15[11]中對(duì)節(jié)點(diǎn)初始剛度參數(shù)定義的方法.取荷載-位移曲線上的原點(diǎn)與0.4Pmax(Pmax為螺栓連接的極限荷載)的割線剛度.根據(jù)試驗(yàn)得到的木-混凝土單螺栓荷載-位移曲線[12]，螺栓線性剪切剛度取1.9 kN·mm-1，抗拉剛度取2.4 kN·mm-1.

表4 X-rad連接模型參數(shù)[9]

圖8 連接單元模型

2.2 模型建立

通過SAP2000有限元軟件建立高層正交膠合木剪力墻-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)模型.混凝土筒體剪力墻和樓板以及CLT剪力墻與樓板均采用殼(shell)單元模擬，結(jié)構(gòu)模型如圖9所示.

圖9 整體結(jié)構(gòu)模型示意圖

3 混合結(jié)構(gòu)參數(shù)有限元分析

高層正交膠合木-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系實(shí)質(zhì)為混凝土核心內(nèi)筒與CLT剪力墻的結(jié)合，因此混凝土核心筒的剛度以及CLT結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)混合結(jié)構(gòu)的整體性能有著重要影響.混凝土核心筒墻體厚度的變化會(huì)改變核心筒剛度；CLT板組成的建筑單元主要依靠節(jié)點(diǎn)抵抗水平荷載并控制結(jié)構(gòu)變形，節(jié)點(diǎn)剛度和延性性能是保證結(jié)構(gòu)整體性能和抗震性能的基礎(chǔ)；木-混凝土混合結(jié)構(gòu)向著高層趨勢發(fā)展，木-混凝土結(jié)構(gòu)樓層高度的變化會(huì)引起結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、抗震性能等的改變.綜上，選取CLT板連接剛度、混凝土核心筒墻體厚度、樓層數(shù)等參數(shù)，運(yùn)用有限元分析方法，研究不同參數(shù)對(duì)高層正交膠合木-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)性能的影響.

3.1 參數(shù)設(shè)置

為研究各參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，對(duì)每個(gè)參數(shù)設(shè)置一定變化范圍，參數(shù)變化如表5所示.“常用連接”指CLT板之間結(jié)合運(yùn)用抗拉錨固件、角支架和自攻螺釘3種連接件；“剛性連接”指CLT墻板與樓板之間假定為固接.

表5 參數(shù)選擇

對(duì)模型進(jìn)行編號(hào)，含義如表6所示，如1-300-15代表采用常用連接、300 mm厚混凝土核心筒墻體、15層的正交膠合木-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu).

表6 模型編號(hào)含義

3.2 CLT連接剛度

模型1-300-15、2-300-15、3-300-15的變量為CLT板連接剛度，分別對(duì)應(yīng)常用連接、X-rad連接和剛性連接.通過有限元分析，CLT板連接剛度對(duì)樓層位移、層間位移角、豎向位移、自振周期的影響如圖10和表7所示.

通過3個(gè)模型的比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)連接方式由常用連接變?yōu)閄-rad連接時(shí)，隨連接剛度增加，結(jié)構(gòu)周期變化并不顯著；樓層水平位移減小5.73%；CLT結(jié)構(gòu)豎向位移變化較為顯著，減小28.5%；CLT結(jié)構(gòu)和混凝土的豎向位移差減小30.4%.模型3-300-15為極限狀態(tài)，假定CLT墻板剛性連接，由表7可知，結(jié)構(gòu)樓層水平位移及CLT結(jié)構(gòu)豎向位移顯著減小.以CLT板連接剛度為變化參數(shù)的其他模型對(duì)比如表8所示.

a 樓層位移

b 層間位移角

c CLT結(jié)構(gòu)豎向位移

d 前6階周期

圖10 連接剛度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響

Fig.10 Effect of connection stiffness on structural performance

表7 不同連接剛度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響

由表8可知,當(dāng)CLT板連接方式由常用連接變?yōu)閄-rad連接時(shí)，隨連接剛度的增加，結(jié)構(gòu)樓層最大水平位移平均減小4.98%，CLT結(jié)構(gòu)豎向位移平均減小28.28%；當(dāng)CLT墻板與樓板達(dá)到剛性連接時(shí)，相比于常用連接方式，結(jié)構(gòu)樓層最大水平位移平均減小74.73%，CLT結(jié)構(gòu)豎向位移平均減小91.93%.連接剛度的變化對(duì)CLT結(jié)構(gòu)豎向位移的影響較大，提高CLT板的連接剛度可顯著減小CLT結(jié)構(gòu)豎向位移.

3.3 混凝土核心筒墻體厚度

模型1-300-15、1-350-15的變量為混凝土核心筒墻體厚度，分別對(duì)應(yīng)300 mm和350 mm厚度的核心筒墻體.通過有限元分析，混凝土核心筒墻體厚度對(duì)樓層位移、層間位移角、豎向位移、自振周期的影響如圖11所示.

通過模型的計(jì)算結(jié)果可知：混凝土核心筒墻體厚度增加，結(jié)構(gòu)樓層水平位移平均減小9.07%；對(duì)結(jié)構(gòu)周期、CLT結(jié)構(gòu)豎向位移影響不大.混凝土核心筒墻體厚度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)樓層水平位移的影響較大，墻體厚度的增加可減小樓層的水平位移，但對(duì)豎向位移幾乎無影響.

a 樓層位移

b 層間位移角

c CLT結(jié)構(gòu)豎向位移

d 前6階周期

圖11 混凝土核心筒墻體厚度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響

Fig.11 Effect of concrete core wall thickness on structural performance

3.4 樓層數(shù)

模型1-350-15、1-350-20的變量為樓層數(shù)，分別對(duì)應(yīng)15層和20層的高層正交膠合木-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu).通過有限元分析，樓層數(shù)對(duì)樓層位移、層間位移角、豎向位移、自振周期的影響如圖12所示.

a 樓層位移

b 層間位移角

c CLT結(jié)構(gòu)豎向位移

d 前6階周期

圖12 樓層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響

Fig.12 Effect of floor numbers on structural performance

通過模型的計(jì)算結(jié)果可知：隨著樓層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)周期平均增加43.35%，樓層水平位移平均增加115.44%，CLT結(jié)構(gòu)豎向位移平均增加23.83%；樓層數(shù)的變化對(duì)結(jié)構(gòu)周期和樓層水平位移的影響較大，而對(duì)豎向位移的影響相對(duì)較小.

4 結(jié)論

(1) CLT板連接剛度的變化對(duì)CLT結(jié)構(gòu)豎向位移的影響較大，對(duì)結(jié)構(gòu)樓層水平位移的影響相對(duì)較小.隨連接剛度的增加，結(jié)構(gòu)樓層最大水平位移平均減小4.98%，CLT結(jié)構(gòu)豎向位移平均減小28.28%；當(dāng)CLT墻板與樓板達(dá)到剛性連接的極限狀態(tài)，相比于常用連接方式，結(jié)構(gòu)樓層最大水平位移平均減小74.73%，CLT結(jié)構(gòu)豎向位移平均減小91.93%.提高CLT板的連接剛度，可顯著減小CLT結(jié)構(gòu)豎向位移.

(2) 混凝土核心筒墻體厚度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)樓層水平位移的影響較大，混凝土核心筒墻體厚度增加，結(jié)構(gòu)樓層水平位移平均減小9.07%，但對(duì)CLT結(jié)構(gòu)豎向位移幾乎無影響.

(3) 樓層數(shù)的變化對(duì)結(jié)構(gòu)周期和樓層水平位移的影響較大，而對(duì)CLT結(jié)構(gòu)豎向位移的影響相對(duì)較小.隨著樓層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)周期平均增加43.35%，樓層水平位移平均增加115.44%，CLT結(jié)構(gòu)豎向位移平均增加23.83%.