木結(jié)構(gòu)建筑動(dòng)力特性的研究進(jìn)展

*， 司世廣， 何宇航， 鄒鈺瑩， 左 騰

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.江蘇耀源木業(yè)有限公司，江蘇 泗陽(yáng) 223700)

木結(jié)構(gòu)建筑在全球林業(yè)資源發(fā)達(dá)，提倡建筑環(huán)保的北美、北歐等地區(qū)發(fā)展成熟，占建筑類型的比重最高。中國(guó)的古木建筑為世界寶貴遺產(chǎn)，然而在其歷經(jīng)千百年使用后，承重木構(gòu)件不可避免地遭受不同程度的真菌腐朽、蟲蛀以及老化等環(huán)境因素引起的材性劣化作用，影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，削弱結(jié)構(gòu)的安全性。21世紀(jì)以來，隨著生活水平和經(jīng)濟(jì)能力的不斷提高，人們對(duì)住宅的安全性和舒適度要求也越來越高，而現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑以其特有的抗震、綠色環(huán)保、保溫節(jié)能等特點(diǎn)受到人們的青睞[1]。研究表明4～8 Hz低頻區(qū)域是致使人體不舒適的敏感頻率區(qū)域(地震波同屬于低頻波)，而木結(jié)構(gòu)建筑因其構(gòu)件材質(zhì)的阻尼比較高，導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)建筑的基頻低于相同結(jié)構(gòu)形式下的鋼筋混凝土建筑，與混凝土結(jié)構(gòu)建筑的動(dòng)力性能有所差異。因此，在對(duì)木結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，開展對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑動(dòng)力特性的研究工作尤為重要[2]。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能包括動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)。動(dòng)力特性反映結(jié)構(gòu)本身所固有的振動(dòng)特性，如自振頻率、阻尼比及振型；動(dòng)力響應(yīng)反映結(jié)構(gòu)受動(dòng)力作用時(shí)的響應(yīng)，如位移、速度、加速度等。近年來，國(guó)內(nèi)外主要在計(jì)算模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析兩大方面對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑的動(dòng)力特性開展相關(guān)的理論與試驗(yàn)分析工作，其研究成果較多。鑒于此，本文針對(duì)中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)建筑和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑，闡述了國(guó)內(nèi)外對(duì)其開展的計(jì)算模態(tài)、試驗(yàn)?zāi)B(tài)及其理論與試驗(yàn)相結(jié)合的動(dòng)力特性研究工作所取得的成果，通過分析并提出進(jìn)一步做好木結(jié)構(gòu)建筑動(dòng)力特性研究的主要途徑，以期對(duì)中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)建筑的科學(xué)保護(hù)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供有益借鑒。

1 計(jì)算模態(tài)分析的動(dòng)力特性研究進(jìn)展

在計(jì)算模態(tài)分析研究工作中，一方面，我國(guó)學(xué)者對(duì)于中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)中具體的構(gòu)件，如斗拱、榫卯節(jié)點(diǎn)、側(cè)腳等，以及整體結(jié)構(gòu)做了諸多理論研究，其結(jié)果越來越貼合實(shí)際。1993年，方東平首先對(duì)中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)建筑的靜力與動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，并進(jìn)一步對(duì)西安北門箭樓建立了有限元分析模型，得到了自振頻率。在模擬榫卯連接與斗拱時(shí)創(chuàng)造性地引入了半剛性單元，為其后木結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的有限元模擬開辟了便捷的道路，也為相同類型木結(jié)構(gòu)的研究提供了指導(dǎo)方法[3]。1996年，孫增壽根據(jù)木構(gòu)架古建筑和塔類古建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和震害規(guī)律，進(jìn)一步提出了相應(yīng)的動(dòng)力分析模型，以及震害分析和預(yù)測(cè)方法[4]。另一方面，隨著現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)建筑、膠合木建筑進(jìn)行動(dòng)力性能的理論分析。如，Itani和Cheung在1984年提出了一個(gè)有限元模型，在該模型中，面板釘連接采用一對(duì)軸線受力的彈簧單元，這個(gè)方法被后來的許多木結(jié)構(gòu)墻體有限元模型所采用[5]。2014 年，Bjertns等對(duì)挪威一棟14層的木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行了有限元分析，其中采用梁柱和支撐來代替所有的墻體和樓蓋，研究發(fā)現(xiàn)，第二階振型下第13層的最大加速度稍高于ISO建議的限值，但是仍然在可以接受的范圍[6]。

通過上述計(jì)算模態(tài)分析的動(dòng)力特性理論研究案例表明，建立木結(jié)構(gòu)建筑有限元模型時(shí)，通過對(duì)建筑原型或增加其結(jié)構(gòu)的阻尼、剛度參數(shù)等方式獲得振型和自振頻率等動(dòng)力參數(shù)，有助于加強(qiáng)對(duì)建筑安全性和舒適性的設(shè)計(jì)和指導(dǎo)。但在建模時(shí)有限元復(fù)合結(jié)構(gòu)件的創(chuàng)建、參數(shù)設(shè)置中選用木材等材料的彈性模量和泊松比常數(shù)值等方面還存在技術(shù)問題，一定程度上影響了計(jì)算結(jié)構(gòu)體自振頻率和振型的準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的動(dòng)力特性研究進(jìn)展

在試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析研究工作中，國(guó)內(nèi)外研究者主要采用環(huán)境激勵(lì)法、人工激勵(lì)法和動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)法對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑的動(dòng)力特性開展相關(guān)工作，其研究成果斐然。

2.1 環(huán)境激勵(lì)法

采用環(huán)境激勵(lì)法通過識(shí)別建筑結(jié)構(gòu)周圍因環(huán)境激勵(lì)引起的振動(dòng)，而確定其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。1991年，俞茂宏等對(duì)西安北門箭樓現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了環(huán)境激勵(lì)測(cè)試，分析了屋頂在掛瓦前和掛瓦后兩種工況下結(jié)構(gòu)的振型及其影響因素。研究結(jié)果表明：屋面重量增加將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固有頻率的降低，古代木結(jié)構(gòu)建筑不僅屋頂重量大，屋頂剛度也很大，使下部框架保持整體性和穩(wěn)定性[7]。2018年，楊燕萍等對(duì)其進(jìn)行跟蹤測(cè)試，獲取結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的加速度響應(yīng)，分析得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)，并將測(cè)得的結(jié)構(gòu)前兩階模態(tài)結(jié)果與2009年該結(jié)構(gòu)剛投入使用時(shí)測(cè)得的動(dòng)力特性進(jìn)行比較。其主要結(jié)論表明，三棟單體校舍在使用過程中的基頻均略有降低，其中一棟滲水較為嚴(yán)重的校舍基頻值下降最多，達(dá)到15%，且第二階振型由原橫向振動(dòng)變?yōu)榕まD(zhuǎn)振動(dòng)；實(shí)測(cè)得到的阻尼比均小于5%[8]。2019年，楊娜等采用環(huán)境激勵(lì)法對(duì)一棟地鐵線附近的六檁抬梁式木結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。結(jié)果表明，地鐵交通是該傳統(tǒng)木構(gòu)環(huán)境振動(dòng)的主要振源，應(yīng)對(duì)南北向高頻段(50～90 Hz)振動(dòng)進(jìn)行減隔振處理[9]。

2.2 人工激勵(lì)法

通過識(shí)別人為對(duì)結(jié)構(gòu)施加的激勵(lì)源所引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，以獲取其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性被稱為人工激勵(lì)法。1999年，趙鈞海等首次對(duì)斗拱進(jìn)行了動(dòng)力特性測(cè)試。采用橡皮錘對(duì)模型進(jìn)行單點(diǎn)脈沖激勵(lì)，測(cè)得其在不同支承條件下的模態(tài)頻率與模態(tài)阻尼比。研究表明：改變支承條件將改變模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼比，且隨著墊塊剛度(邊界條件)的增大，模態(tài)頻率隨之增大，模態(tài)阻尼比隨之減小；所得斗拱模型的模態(tài)頻率大致為一階1.87～3.57 Hz，二階10.87～15.80 Hz；模態(tài)阻尼比為一階0.056～0.108，二階0.014～0.087；由相似理論得出斗拱原型的模態(tài)頻率為一階0.62～1.17 Hz，二階3.62～5.27 Hz[10]。2019年，周年強(qiáng)等采用瞬態(tài)激勵(lì)方式對(duì)一棟竹結(jié)構(gòu)的二層單體小樓進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，得到了該房屋的各階自振頻率、阻尼、振型等模態(tài)參數(shù)[11]。

2.3 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)法

通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)較為真實(shí)地模擬地震對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)生的動(dòng)力作用，從而得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。2006年，意大利林科院牽頭啟動(dòng)了SOFIE項(xiàng)目，在2007 年完成了7 層CLT足尺木建筑的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，上述試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)CLT結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)明顯破壞，具有較好的抗震性能[12]。2012年，Iuko TSUWA等采用振動(dòng)臺(tái)對(duì)日本古代木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行動(dòng)力性能測(cè)試，通過采用三種不同形式的墻體來改變墻體的剛度，以此探究墻體剛度對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)[13]。2010年，Andre Filiatrault等對(duì)一幢兩層全尺寸輕型木結(jié)構(gòu)聯(lián)排別墅進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。以測(cè)試建筑在不同基底輸入強(qiáng)度下的動(dòng)力性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：在墻上安裝石膏板能明顯提高試驗(yàn)建筑的抗震性能，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有顯著影響[14]。2011年，陳國(guó)等對(duì)一棟基于輕型木結(jié)構(gòu)建造方法建造的足尺2.44 m×3.66 m×2.6 m竹結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和推覆試驗(yàn)，討論輕型竹結(jié)構(gòu)模型房屋的動(dòng)力性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：在0.3 g以下的地震中，模型處于彈性狀態(tài)；即使經(jīng)過多次重復(fù)地震，模型結(jié)構(gòu)仍然不會(huì)發(fā)生倒塌，而且破損也很輕微。模型結(jié)構(gòu)在地震波作用下，最大層間位移角小于規(guī)范中的限值。試驗(yàn)研究表明，該輕型竹結(jié)構(gòu)房屋能夠滿足我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的8度抗震設(shè)防要求[15]。2015年，褚青青等依據(jù)一棟典型的云南翁丁古村落佤族干欄式木結(jié)構(gòu)民居，制作原尺寸模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。通過試驗(yàn)探討干欄式木結(jié)構(gòu)民居的動(dòng)力特性和抗震性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：在設(shè)防烈度為8度(0.3 g)的情況下結(jié)構(gòu)只出現(xiàn)局部構(gòu)件輕微破壞，結(jié)構(gòu)整體基本處于彈性，能夠滿足抗震設(shè)防目標(biāo)[16]。

通過上述試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的動(dòng)力特性測(cè)試研究案例表明，實(shí)測(cè)到木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比等模態(tài)參數(shù)，為改善建筑的減隔振和居住舒適度及其優(yōu)化設(shè)計(jì)水平作出了很大貢獻(xiàn)。但是因篇幅有限等各種原因，這些文獻(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性缺乏一定的支撐性材料，如缺少測(cè)試方法上的驗(yàn)證比較；加速度計(jì)的選擇和布點(diǎn)設(shè)置的合理性等方面交代不清；特別是在振動(dòng)臺(tái)抗震等試驗(yàn)中，不能較好地反映被測(cè)試對(duì)象的制作及固定方式與效果、加速度計(jì)的安置、掃頻間隔與FFT塊大小等參數(shù)設(shè)置情況等。

3 理論與試驗(yàn)相結(jié)合的動(dòng)力特性研究進(jìn)展

2007年，程海江[17]在國(guó)內(nèi)首次對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力性能研究分析。以振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為研究核心，在釘連接、剪力墻和房屋整體等三個(gè)層面利用試驗(yàn)研究和有限元分析兩種方法對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)論表明，有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，能夠較準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)和模態(tài)特征，適用于進(jìn)一步對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析。2010年，李書進(jìn)等[18]對(duì)一棟單層、足尺的木結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行多種工況的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究和分析?？紤]傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)房屋的建造方式和構(gòu)造特點(diǎn)，變化結(jié)構(gòu)的平面布置和連接方式，分別研究它們?cè)诓煌卣鸷土叶认碌膭?dòng)力響應(yīng)和抗震性能，以及結(jié)構(gòu)的破壞形式和破壞機(jī)理，結(jié)合有限元分析方法，對(duì)木結(jié)構(gòu)房屋的動(dòng)力性能進(jìn)行研究和數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者結(jié)果十分接近。2012年，趙鴻鐵等[19]采用激振錘人工敲擊法、有限元軟件模態(tài)分析法和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)法計(jì)算木結(jié)構(gòu)古建筑結(jié)構(gòu)模型的固有頻率，并將三者所得結(jié)果進(jìn)行比較。研究表明：人工敲擊法測(cè)得振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼鹎暗墓逃蓄l率為2.05 Hz，比地震最大加速度為100 gal震后的固有頻率(2.1 Hz)略小；Ansys有限元軟件模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)一階固有頻率為2.23 Hz，略高于人工敲擊法的實(shí)測(cè)結(jié)果。2019年，Hafeez等[20]對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行了動(dòng)力特性試驗(yàn)研究。對(duì)41座布置規(guī)則或不規(guī)則的輕型木結(jié)構(gòu)建筑開展了有限元建模計(jì)算與環(huán)境激勵(lì)法的驗(yàn)證試驗(yàn)，主要進(jìn)行其建筑物的基頻比較分析。結(jié)果表明，一般的有限元分析方法高估了建筑物的基本自振周期。

理論與試驗(yàn)相結(jié)合的動(dòng)力特性研究案例表明，其兩者可相互比較驗(yàn)證，能更為準(zhǔn)確地反映木結(jié)構(gòu)建筑動(dòng)力特性，既可優(yōu)化理論研究中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，亦能更便捷地預(yù)測(cè)其動(dòng)力性能。當(dāng)然，諸多研究成果中尚存在對(duì)其理論與試驗(yàn)結(jié)果相近或不相近的要因分析不明晰等問題，需進(jìn)一步加強(qiáng)其基礎(chǔ)理論性研究。

4 結(jié)論與展望

木結(jié)構(gòu)建筑的動(dòng)力特性與其建筑的設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢測(cè)乃至居住質(zhì)量密切相關(guān)[21-23]。一方面，開展對(duì)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑動(dòng)力性能的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，對(duì)文化遺產(chǎn)保護(hù)與修復(fù)工作具有重要意義；另一方面，對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究既關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的安全性能，亦與人體舒適度緊密相關(guān)。鑒于此，筆者提出進(jìn)一步做好木結(jié)構(gòu)建筑動(dòng)力特性研究的5條主要途徑。第一，國(guó)內(nèi)有關(guān)木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)及施工規(guī)范已經(jīng)落實(shí)，但國(guó)內(nèi)外關(guān)于木結(jié)構(gòu)建筑動(dòng)力性能的標(biāo)準(zhǔn)制定還不完善，故應(yīng)認(rèn)真做好對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性標(biāo)準(zhǔn)的制訂與修訂基礎(chǔ)工作。第二，理論研究應(yīng)與試驗(yàn)研究相結(jié)合，能更為準(zhǔn)確地反映木結(jié)構(gòu)建筑的動(dòng)力特性，如采用ANSYS計(jì)算模態(tài)法與環(huán)境激勵(lì)法、人工激勵(lì)法和動(dòng)力響應(yīng)激勵(lì)法，共同獲得整體結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下的響應(yīng)參數(shù)；改變理論研究中結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，能更便捷地預(yù)測(cè)其各階振型、自振頻率和阻尼。第三，在建模過程中，不可忽視木材本身正交各向異性的特點(diǎn)。由于不同木材的力學(xué)性能差異較大，同樹種木材的力學(xué)性能也會(huì)受其產(chǎn)地、含水率、使用年限等因素影響呈現(xiàn)差異性。因此，在建立其分析模型時(shí)，其基材的力學(xué)性能參數(shù)應(yīng)按實(shí)輸入；在分析模型中，因其節(jié)點(diǎn)的剛度影響整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，要考慮木結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)因介于剛接與鉸接之間，其剛度變化較大，故對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能影響也較大；另外，輕型木結(jié)構(gòu)的剪力墻體形式多變，在有限元分析模型中應(yīng)引入剪力墻整體單元，將模態(tài)試驗(yàn)所得參數(shù)代入其中，以便較為真實(shí)地反映實(shí)際情況。第四，在試驗(yàn)研究進(jìn)程中，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)建筑的構(gòu)件(如斗拱等)及整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力性能的測(cè)試，對(duì)中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試時(shí)，考慮到對(duì)文物的保護(hù)，多采用環(huán)境激勵(lì)法；而在對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)建筑、膠合木建筑、CLT建筑的測(cè)試中，環(huán)境激勵(lì)法、人工激勵(lì)法均可采用。第五，由于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)茌^為真實(shí)地反映地震的動(dòng)力作用，但由于振動(dòng)臺(tái)尺寸、承重能力的限制，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的縮尺模型進(jìn)行測(cè)試，因此在測(cè)試時(shí)需注意縮尺效應(yīng)的影響。