木結(jié)構(gòu)屋頂與墻體連接力學(xué)性能的研究進(jìn)展?

宋 怡 徐偉濤 李源河 李英潔 姚利宏

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，呼和浩特 010018; 2.國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計院，北京 100010）

近年來，由于木結(jié)構(gòu)建筑的環(huán)境友好特性和良好的抗震性能[1-2]，在我國得到大力推廣[3]，但是木結(jié)構(gòu)建筑特別是在我國東南沿海一帶易遭受風(fēng)災(zāi)損毀。調(diào)查表明：屋蓋與墻體連接節(jié)點(Roof To Wall Connections，RTWCs)是木結(jié)構(gòu)建筑在高風(fēng)荷載地區(qū)最易發(fā)生損壞的部位[4]，研究木結(jié)構(gòu)建筑RTWCs力學(xué)性能對木結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能設(shè)計具有重要意義。本文主要介紹了國內(nèi)外有關(guān)木結(jié)構(gòu)RTWCs節(jié)點荷載作用下力學(xué)性能的研究進(jìn)展，對風(fēng)荷載下木結(jié)構(gòu)RTWCs力學(xué)性能的影響因素，及數(shù)值模擬在木結(jié)構(gòu)RTWCs抗風(fēng)性能研究中的應(yīng)用等進(jìn)行綜述，以期為我國木結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計以及古建筑修繕技術(shù)與設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 RTWCs節(jié)點力學(xué)性能研究

以輕型木結(jié)構(gòu)椽條屋架為例，屋頂與墻體的連接是在椽條與墻體上方頂梁板處進(jìn)行斜向釘連接[5]，若有更高級別的抗風(fēng)要求，還需使用專用金屬連接件連接[6]。RTWCs節(jié)點在風(fēng)荷載下的易損性受到重視，目前主要開展了對RTWCs結(jié)構(gòu)破壞模式和結(jié)構(gòu)荷載傳遞機(jī)制的研究[7-8]。按測試對象分為單個節(jié)點的承載力測試研究與木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組件間荷載分擔(dān)研究，按測試方法分為單軸荷載作用與多軸荷載作用。RTWCs節(jié)點力學(xué)性能研究集中在單軸荷載作用和多軸荷載作用兩方面，主要測試單個或多個節(jié)點的極限承載力。單軸荷載是指節(jié)點在三個軸向進(jìn)行單調(diào)或者疲勞荷載，主要研究節(jié)點的抗拔性能以及側(cè)向極限承載力。多軸荷載是指對節(jié)點進(jìn)行多軸向的單調(diào)荷載、疲勞荷載以及模擬風(fēng)荷載，旨在為節(jié)點設(shè)計提供更加可靠的理論依據(jù)。

1.1 單軸荷載下RTWCs節(jié)點力學(xué)性能

釘連接是輕型木結(jié)構(gòu)最基本的連接形式，是影響其力學(xué)性能的重要因素。采用釘連接方式進(jìn)行安裝相對簡單，但是連接節(jié)點性能遠(yuǎn)不足以抵抗風(fēng)對其產(chǎn)生的上拔力[9]。節(jié)點失效模式主要有以下3種：1）釘子同時拔出（例：兩釘連接）；2）木材劈裂；3）釘子組合失效——單釘發(fā)生變形且先拔出，連動其余釘同時拔出(例：三釘連接)。當(dāng)釘從頂板中拔出較多、發(fā)生彎曲破壞或木材劈裂時，釘連接節(jié)點就會喪失抗拔能力。為尋求新的增強(qiáng)方法，學(xué)者們對釘連接RTWCs節(jié)點的脆弱性進(jìn)行評估與研究。

上拔力是造成RTWCs節(jié)點損壞的主要原因，而水平方向的力同樣也會對連接節(jié)點產(chǎn)生不同程度的影響，從而降低其抗拔性能。William[10]等根據(jù)ASTM D1761-12《木結(jié)構(gòu)中機(jī)械緊固件的試驗方法》[11]，在三個軸向分別進(jìn)行荷載，測試了由2只16d釘連接節(jié)點的極限承載力和破壞模式。Shanmugam[12]等評估了輕型木結(jié)構(gòu)中屋頂與墻壁之間原位釘連接的實際承載力，研究在單軸上升疲勞荷載下不同數(shù)量的釘連接方式的抗拔性能，得出3只16d釘連接的節(jié)點抗拔極限強(qiáng)度比2釘連接節(jié)點抗拔極限強(qiáng)度平均大30%。利用單軸試驗數(shù)據(jù)建立對數(shù)正態(tài)分布模型，用于評估現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中斜釘連接的連接性能，分析結(jié)果表明：這兩種斜釘連接方式均抵擋不住極端風(fēng)荷載下的風(fēng)壓。在風(fēng)暴頻繁發(fā)生地區(qū)，木結(jié)構(gòu)中使用釘連接的RTWCs節(jié)點遠(yuǎn)不能承受極端風(fēng)荷載下的風(fēng)壓，因此需采用金屬連接件對連接進(jìn)行加固。不連續(xù)的荷載路徑被認(rèn)為是導(dǎo)致屋頂隆起破壞的主要原因之一，金屬連接件可以為木結(jié)構(gòu)建筑屋頂與墻體連接處提供一個連續(xù)的荷載路徑，研究金屬連接件的力學(xué)性能以及破壞形式可以為后續(xù)金屬連接件的設(shè)計與改進(jìn)提供理論依據(jù)。目前常見的防風(fēng)金屬連接件包括抗拔連接件、旋轉(zhuǎn)抗風(fēng)拉件和金屬拉帶（嵌入式）三種。Michael等[13]通過荷載試驗表明：這些金屬連接器能夠明顯增強(qiáng)節(jié)點在側(cè)向與垂直向上的承載力。然而，Ahmed等[14]對木結(jié)構(gòu)建筑RTWCs節(jié)點中多種金屬連接件抗拔性能的研究表明：目前大部分金屬連接件的實際承載力低于安全設(shè)計值，這可能是導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)中RTWCs節(jié)點不能承受極端荷載的原因之一。

Shanmugam等[15]依據(jù)ASTM D1761標(biāo)準(zhǔn)測試了不包括釘連接的3種金屬連接件連接節(jié)點的上拔極限承載力。這3種金屬連接件的破壞形式主要為鋼板撕裂、木材開裂、拔釘或釘子彎曲破壞。William 等[10]在Shanmugam的基礎(chǔ)上對比研究了不同連接方式RTWCs節(jié)點的力學(xué)性能，得出金屬連接件連接節(jié)點的抗拔力學(xué)性能是斜釘連接節(jié)點的3.2倍；并且金屬連接件與斜釘組合連接的節(jié)點抗拔極限承載力等于斜釘連接節(jié)點抗拔極限承載力與金屬連接件連接節(jié)點抗拔極限承載力之和。Sarah等[16]通過一種數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)：由金屬連接件加固后的RTWC不再是風(fēng)荷載下木結(jié)構(gòu)屋蓋最薄弱的結(jié)構(gòu)。以上研究表明金屬連接件加固后RTWCs節(jié)點力學(xué)性能得到了顯著增強(qiáng)，但是目前缺乏對金屬連接件在木結(jié)構(gòu)建筑布置方式方面的研究。

1.2 多軸荷載下RTWCs節(jié)點力學(xué)性能

極端風(fēng)暴天氣下，木結(jié)構(gòu)建筑及其構(gòu)件以及連接節(jié)點同時受到上拔和側(cè)向的荷載，這由風(fēng)暴特性及圍護(hù)建構(gòu)破壞等因素共同作用所致。為更好地理解不同荷載對低矮木結(jié)構(gòu)建筑屋頂與墻體連接節(jié)點的影響，對節(jié)點進(jìn)行同時多軸荷載作用研究。Shanmugam等[15]使用自制加載裝置實現(xiàn)了節(jié)點試件多軸復(fù)合加載，分別以單軸、兩軸組合、三軸組合同時加載的方式進(jìn)行測試，得出在多軸荷載作用下，金屬連接件的實際承載力比安全設(shè)計值更低，并提出多軸作用下的承載力線性統(tǒng)一方程。

上述研究基于實驗室內(nèi)單個RTWCs節(jié)點的加載測試，缺乏與實際風(fēng)荷載下的研究對比。Chowdhury[17]等人進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究，通過多軸測壓元件測試了三軸氣動對RTWCs節(jié)點的影響。由于三軸載荷峰值出現(xiàn)在不同情況下，因此提出用平均力系數(shù)確定側(cè)向載荷與上拔載荷的比值，為模擬三軸載荷下的金屬連接件性能測試提供了一種新的方法。

1.3 結(jié)構(gòu)荷載分擔(dān)

除了針對單個RTWCs節(jié)點連接力學(xué)性能進(jìn)行研究，為確定木框架的影響系數(shù)與荷載分擔(dān)，若干研究已證實荷載分擔(dān)提高了屋頂系統(tǒng)的可靠性。與釘連接相比，金屬連接件連接節(jié)點的荷載分擔(dān)量較小，僅有緊鄰桁架受到顯著影響[18]。David等在此基礎(chǔ)上提出一個公式，說明了高荷載區(qū)域RTWCs的連接剛度變化，引起相對位移，并且將荷載分散到鄰近區(qū)域[19]。Morrison等[20]研究表明：從風(fēng)荷載下釘連接RTWCs的反應(yīng)可得出，荷載分擔(dān)和影響函數(shù)隨風(fēng)荷載時間的變化而變化。

Christine等[21]研究認(rèn)為，垂直荷載路徑的各連接受力均來自相同的風(fēng)荷載，故連接失效在統(tǒng)計上并不獨立。他們將輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻、屋頂覆面層與屋頂-墻體的試驗結(jié)果相結(jié)合，評估龍卷風(fēng)風(fēng)荷載下木結(jié)構(gòu)垂直荷載路徑下整體系統(tǒng)的性能。

基于前人研究成果，建議今后學(xué)者須進(jìn)一步研究并且量化木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的RTWCs處的荷載分擔(dān)，這對設(shè)計、加強(qiáng)及改善關(guān)鍵節(jié)點有指導(dǎo)意義。

2 風(fēng)荷載下影響木結(jié)構(gòu)RTWCs性能的影響因素

Morrison[4]等評估了加拿大安大略省沃恩市19 次龍卷風(fēng)對木結(jié)構(gòu)住宅建筑破壞情況，表明屋頂損壞的主要原因之一是屋頂負(fù)壓增大致使RTWCs節(jié)點損壞。由于實際情況復(fù)雜，除了節(jié)點自身性能薄弱外，屋蓋風(fēng)荷載的大小及分布取決于多種因素，致使木結(jié)構(gòu)屋蓋負(fù)壓增大從而影響RTWCs節(jié)點的連接，如風(fēng)參數(shù)（風(fēng)時、風(fēng)速、風(fēng)向等）、建筑形狀參數(shù)（建筑外形、屋頂外形等）、周圍環(huán)境參數(shù)（周圍地形以及周圍建筑物形狀等）等因素，其中最關(guān)鍵的因素是風(fēng)因素和建筑外形因素。

2.1 風(fēng)荷載因素

風(fēng)荷載具有一系列大小峰值，在峰值處往往會導(dǎo)致RTWCs節(jié)點的損壞[22]。David[19]等研究了在足尺的木框架斜屋頂（四坡）中，斜釘連接屋頂和墻壁對極端風(fēng)荷載的響應(yīng)。在風(fēng)荷載下，分別測試釘連接和受損后采用抗風(fēng)金屬連接件的反應(yīng)，得出在峰值荷載時均會導(dǎo)致頂墻連接節(jié)點連接性能下降，而且在達(dá)到風(fēng)荷載峰值時，抗風(fēng)金屬連接件的受損程度比斜釘連接受損程度時要大，這是因有效風(fēng)面積不同所致。

Guha等[23]研究了風(fēng)暴持續(xù)時間對住宅、木框架、人字形屋頂連接故障的影響機(jī)制。以脈動風(fēng)荷載作用下的頂墻連接系統(tǒng)建立模型，研究頂墻連接節(jié)點失效概率，并且進(jìn)行驗證。結(jié)果表明：對于持續(xù)時間為1～5 h的風(fēng)暴，即使保持風(fēng)壓峰值不變的情況下，較長風(fēng)暴下的結(jié)構(gòu)失效概率增加15%。

2.2 木結(jié)構(gòu)建筑外形

建筑結(jié)構(gòu)或細(xì)節(jié)的差異會導(dǎo)致風(fēng)速的顯著變化，在空氣流動過程中由于建筑物體型發(fā)生突變，進(jìn)而會導(dǎo)致風(fēng)速的變化，對建筑物造成特定程度的破壞，尤其影響屋頂?shù)男阅?。例如，屋檐是最易出現(xiàn)最大風(fēng)速的位置之一。2016 年，Navaratnam等[24]對木結(jié)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行全尺寸試驗，屋蓋邊緣附近的荷載對屋蓋產(chǎn)生了較大的上拔力和位移，分析得出屋蓋在屋檐處易受到上拔荷載影響[25]。Gavanski[26]重點研究了木結(jié)構(gòu)RTWCs在風(fēng)災(zāi)過程中易遭破壞的部位，結(jié)果表明：屋面形狀以及RTWCs的承載力是影響房屋（這些主要開口房屋）失效的主要因素。Haan等[27]在假設(shè)建筑完全封閉的條件下，模擬龍卷風(fēng)荷載，測得建筑屋頂靜壓增高。Gavanski[26]認(rèn)為該結(jié)果由于墻體未設(shè)置洞口，因此不具有真實性，并且當(dāng)建筑物的體積遠(yuǎn)大于建筑物本身時，靜壓所起的作用可以忽略不計。另外，研究證明木結(jié)構(gòu)房屋屋頂破壞與墻體洞口具有高度相關(guān)性。墻體開口處風(fēng)暴使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到損壞，會導(dǎo)致RTWCs承受的荷載嚴(yán)重增加[17]。

木結(jié)構(gòu)連接位置、迎風(fēng)角和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同，力的分量比大小可能會有很大的不同。并且根據(jù)在風(fēng)向角和負(fù)壓兩個條件下，得出風(fēng)荷載的垂直分量會對木結(jié)構(gòu)建筑造成連接損壞，另外側(cè)向分量也是造成連接損壞的重要影響因素[26]。

3 數(shù)值模擬在木結(jié)構(gòu)RTWCs節(jié)點研究中的應(yīng)用

隨著計算機(jī)硬件和商業(yè)數(shù)值模擬計算軟件的發(fā)展與普及，利用數(shù)值模擬技術(shù)成為有效的研究手段。數(shù)值模擬技術(shù)與傳統(tǒng)試驗方法相比，可以大量節(jié)約試驗材料，縮減實驗經(jīng)費，并且具有能夠解決簡單的線性分析及復(fù)雜的非線性工程問題[28-29]的優(yōu)勢。目前，已有大量基于數(shù)值模擬技木的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能測試研究。

在利用數(shù)值模擬評估風(fēng)荷載下木結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的性能方面，Timothy等[30]通過建立有限元模型評估輕型木結(jié)構(gòu)建筑在龍卷風(fēng)災(zāi)害影響下的抗風(fēng)性能，將單個結(jié)構(gòu)性能與整體性能聯(lián)系起來，從而改進(jìn)施工技術(shù)。Satheeskumar等[31]采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析，以確定金屬連接件連接的RTWCs結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和抗拔能力，研究表明：用于固定金屬連接件的釘數(shù)量、位置及失效模式很大程度上決定了金屬連接件的承載能力和破壞模式。

對數(shù)值模擬風(fēng)荷載木結(jié)構(gòu)的建模方法，學(xué)者們也進(jìn)行了一系列研究。Ranjith等[32]探究了輕型木結(jié)構(gòu)屋面系統(tǒng)中典型建模參數(shù)對荷載分布的敏感性，為后續(xù)研究提供了一種簡易的易損性分析方法，研究人員無需對每個連接節(jié)點和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析建模，就可以通過受影響區(qū)域?qū)⑿枨罅Ψ峙涞竭B接節(jié)點。Enajar等[33]對上升風(fēng)荷載作用下山墻-屋蓋結(jié)構(gòu)中屋-墻連接的非線性建模進(jìn)行研究，詳細(xì)介紹了木結(jié)構(gòu)全尺寸試驗的數(shù)值模擬過程，并且采用數(shù)值模型和支流面積法進(jìn)行了負(fù)荷分擔(dān)計算。Navaratnam等[34]進(jìn)行了木結(jié)構(gòu)房屋風(fēng)荷載有限元建模與驗證工作，對建筑以及結(jié)構(gòu)荷載分擔(dān)進(jìn)行了研究，為后續(xù)同類木結(jié)構(gòu)體系建筑的建模、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的評估提供了理論依據(jù)。Jing等[35]提出了新的綜合數(shù)值模擬方法，研究風(fēng)荷載下輕型木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，此種方法能夠適應(yīng)各種材料和結(jié)構(gòu)之間的連接。比較了RTWCs不同的表示方法，并探討了墻釘連接的建模方法。

除了數(shù)值模擬分析木結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能，Mensah等[36]使用輔助數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法預(yù)測輕型木結(jié)構(gòu)風(fēng)振結(jié)構(gòu)行為，在1∶3 輕型框架木結(jié)構(gòu)確定結(jié)構(gòu)影響函數(shù)，進(jìn)行試驗驗證并且同時記錄屋頂?shù)綁Ρ诤蛪Ρ诘交A(chǔ)連接處的表面壓力和結(jié)構(gòu)反應(yīng)。其預(yù)測結(jié)構(gòu)反應(yīng)與實驗室測定反應(yīng)一致。

4 結(jié)語

RTWCs節(jié)點力學(xué)性能直接影響木結(jié)構(gòu)建筑抗風(fēng)性能，基于當(dāng)前研究現(xiàn)狀提出以下幾點建議：

1)在研究RTWCs節(jié)點不同連接方式性能的同時，應(yīng)綜合考慮木材材性，如密度、含水率、紋理方向等因素對其性能的影響，以保證木結(jié)構(gòu)RTWCs節(jié)點連接的實際承載力不低于安全設(shè)計值。

2)探究不同條件下風(fēng)荷載對木結(jié)構(gòu)建筑RTWCs節(jié)點的作用機(jī)制，如不同的建筑形狀、周圍環(huán)境條件等，這有助于為RTWCs節(jié)點連接性能試驗測試方法提供思路，為木結(jié)構(gòu)安全設(shè)計提供有效依據(jù)。

3)闡明木結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的傳遞機(jī)制以及RTWCs節(jié)點性能與整體結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系，具體量化相鄰RTWCs節(jié)點之間以及同一荷載路徑下RTWCs節(jié)點與其他組件之間的荷載分擔(dān)關(guān)系。

4）研究中應(yīng)注重試驗與數(shù)值模擬技術(shù)的結(jié)合，進(jìn)而探究關(guān)于模擬風(fēng)荷載下木結(jié)構(gòu)建筑的數(shù)值建模方法，為木結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)抗風(fēng)性能研究提供可靠的研究途徑。