近斷裂帶高度設(shè)防區(qū)穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑抗震分析

盧蜀峰 何麟

收稿日期：2023-11-10

作者簡介：盧蜀峰（1993—），男，重慶人，本科，工程師，研究方向：市政房屋建筑工程。

摘 要：以實際工程為背景，介紹了在西南區(qū)域近斷裂帶且抗震設(shè)防烈度為9度（0.40g），建筑形式為仿古建筑的結(jié)構(gòu)分析，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計分組為第三組。項目仿古建筑結(jié)構(gòu)形式均為木結(jié)構(gòu)，體系為隔地落柱穿斗式。以項目中某一棟樓的某一獨立單元為代表，對其木結(jié)構(gòu)建筑進行結(jié)構(gòu)分析。

關(guān)鍵詞：仿古建筑；結(jié)構(gòu)分析；斷裂帶

中圖分類號：TS63? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）03-0103-03

0 引言

歷史建筑的自然腐朽以及閑置破敗，使我國古建筑群落一直處于逐漸消減階段。各項政策及文件多次強調(diào)要加強對文物保護單位、傳統(tǒng)建筑、傳統(tǒng)村落、歷史文化名城、村鎮(zhèn)的保護和利用，促進優(yōu)秀傳統(tǒng)建筑文化的繼承和發(fā)展。本項目因歷史悠久，部分房屋結(jié)構(gòu)已受損，急需進行修繕與改造，但項目所處區(qū)域較為特殊，對抗震要求、安全性要求較高。本文采用相關(guān)手段進行數(shù)值模擬，對結(jié)構(gòu)進行理論分析，結(jié)合實際案例，提出針對性解決措施。

1 工程概況

本文內(nèi)所研究對象為本項目某一典型樓棟房屋，該棟房屋平面尺寸12.7 m×13.6 m，由單元1、單元2、單元3和待定單元等4個單元組成。單元1總共1層，屋脊高度為5.480 m；單元2共兩層，第1層高度2.980 m，第2層屋脊高度6.204 m；單元3共兩層，第1層高度2.710 m，第2層屋脊高度5.623 m。本工程所采用的木材均為TC15-A的西部鐵杉，所取典型樓棟房屋如圖1所示。

2 模型建立

因單元1、2、3之間未設(shè)置梁、枋進行拉結(jié)，未設(shè)置斜撐進行聯(lián)系，且單元間的砌體墻、構(gòu)造柱與木柱間采用柔性連接方式，故可認為在單元1、單元2、單元3并未發(fā)生結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系，分別為3個獨立的結(jié)構(gòu)單元，現(xiàn)僅以開間較大的單元3（開間為4.2 m）作為主要對象進行建模分析。

2.1 節(jié)點剛度

本工程木梁柱節(jié)點為榫卯形式，榫頭和卯孔具有一定彈性，具有半剛性連接的特性，可承擔(dān)一定的水平作用力，數(shù)值模擬分析時采用線對象端部釋放來模擬半剛性節(jié)點。

2.2 構(gòu)件剛度

本工程屋面存在Y180木檁和隨檁（隨檁枋）相疊加的情況，木檁和隨檁（隨檁枋）并未牢固連接，兩根梁交接面之間的剪切應(yīng)變無法做到完全約束，故認為木檁和隨檁（隨檁枋）之間僅為剛度疊加關(guān)系。模型分析時，按Y180木檁進行建模，并對Y180木檁剛度進行放大（放大豎向剛度，即繞3軸的剛度），以考慮隨檁（隨檁枋）對木檁的剛度貢獻。截面設(shè)計時，按Y180木檁和隨檁（隨檁枋）等撓度法進行內(nèi)力分配驗算[1]。

3 驗算分析

單元3的計算模型如圖2所示。采用桿單元模擬木結(jié)構(gòu)梁、柱、檁條等構(gòu)件，采用虛面進行豎向荷載導(dǎo)算。

3.1 位移角

風(fēng)荷載和多遇地震作用時，木結(jié)構(gòu)建筑的水平層間位移不宜超過結(jié)構(gòu)層高的1/250。因單元3第2層為坡屋面，規(guī)范對層間位移、層間位移角的規(guī)定無法完全適用于第2層，故第2層的相關(guān)位移指標(biāo)僅供參考。

根據(jù)表1可知，在風(fēng)荷載作用下，單元3滿足1/250的位移角限值要求。在地震工況下，單元3不滿足1/250的位移角限值要求。此外，位移比大于1.2，單元3為不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

本模型計算分析時，并未考慮單元3抱柱枋、裝板或木門窗對X向剛度的有利貢獻?；诖?，故后續(xù)建議對此棟樓采取整體性進行加強，可設(shè)置斜撐等措施。

3.2 受剪承載力之比

樓層最大彈性水平位移或?qū)娱g位移大于該樓層兩端彈性水平位移或?qū)娱g位移平均值的1.2倍，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間抗剪承載力小于相鄰上一樓層的65%。

4 截面計算

模型按《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》規(guī)定的工況組合方式進行荷載組合，選擇受力較大的木柱、木梁、樓芡等構(gòu)件代表進行截面承載力驗算，以單元3木柱A、二層木梁B、木架梁C、二樓樓芡D為代表進行截面計算，如圖3所示。

4.1 非地震工況下

4.1.1木柱A

選取單元3木柱A（截面直徑280 mm，強度TC15-A，高度2.7 m）為代表進行木柱驗算。

最不利工況下，木梁最大內(nèi)力77.65 kN，最大彎矩6.77 kN·m。木柱A在軸壓力和彎矩作用下最大應(yīng)力比小于1.0，滿足要求。

4.1.2木梁B

選取單元3二層木梁2（截面矩形140 mm×350 mm，強度TC15-A，跨度3.6 m）為代表進行驗算。

最不利工況下，木梁最大內(nèi)力17.99 kN，最大彎矩13.02 kN·m。

在彎矩作用下最大應(yīng)力為4.54 MPa，滿足要求?？辜魬?yīng)力為0.55MPa，滿足抗剪承載力要求。

4.1.3木架梁C

選取單元3屋面層木架梁（截面矩形140 mm×280 mm，強度TC15-A，跨度3.6 m，支承有3根童柱）為代表進行驗算。

最不利工況下，木架梁為拉彎構(gòu)件，端部軸力4.81 kN，剪力19.12 kN，彎矩10.79 kN·m。

在拉力和彎矩作用下最大應(yīng)力比為0.41，滿足要求?？辜魬?yīng)力為0.75 MPa，滿足抗剪承載力要求。

4.1.4樓芡D

選取單元3二層樓面樓芡（直徑180 mm，強度TC15-A，跨度4.2 m、間距0.917 m，現(xiàn)場為單樓芡+單層板，未采用雙層板+龍骨樓芡形式）為代表進行樓芡構(gòu)件驗算。

最不利工況下，跨中最大彎矩值9.49 kN·m，端部剪力8.26 kN。

在彎矩作用下最大受彎應(yīng)力為16.58 MPa，滿足要求。最大受剪應(yīng)力為0.43 MPa，滿足抗剪承載力要求。

4.2 地震工況下

當(dāng)木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)不規(guī)則時，應(yīng)進行地震作用計算和內(nèi)力調(diào)整，并應(yīng)對薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施。本工程存在超高、超層、位移比大于1.2等超規(guī)范或不規(guī)則項，故補充地震力驗算。同樣以單元3木柱A、木梁2、木架梁C、樓芡D為代表進行截面計算[2]。

4.2.1木柱A

最不利工況下，跨中端部剪力86.35 kN，最大彎矩值27.95 kN.m。

在軸壓力和彎矩作用下最大應(yīng)力比略大于1.0，滿足要求。

4.2.2木梁B

最不利工況下，木梁最大內(nèi)力19.08 kN，最大彎矩24.21 kN·m。

在彎矩作用下最大應(yīng)力為8.46 MPa，滿足計算要求?？辜魬?yīng)力為0.58 MPa，滿足抗剪承載力要求。

4.2.3木架梁C

最不利工況下，木架梁為拉彎構(gòu)件，軸力9.66 kN，剪力29.53 kN，彎矩18.69 kN·m。

在拉力和彎矩作用下最大應(yīng)力比為0.70，滿足計算要求；木架梁C抗剪應(yīng)力為1.13 MPa，滿足抗剪承載力要求。

4.2.4樓芡D

最不利工況下，跨中最大彎矩值9.49 kN·m，端部剪力8.26 kN。

在彎矩作用下最大受彎應(yīng)力為16.58 MPa，滿足要求。最大受剪應(yīng)力為0.43 MPa，小于滿足抗剪承載力要求。

4.2.3建議

根據(jù)模型計算的內(nèi)力結(jié)果，按規(guī)范相關(guān)規(guī)定進行了構(gòu)件截面驗算，發(fā)現(xiàn)在不考慮地震工況下，單元3木結(jié)構(gòu)各構(gòu)件受力能滿足計算要求，風(fēng)荷載下的位移角滿足規(guī)范要求。在地震工況小震彈性階段下，單元3木結(jié)構(gòu)部分抗側(cè)力構(gòu)件也基本能滿足計算要求，局部部位位移角不滿足規(guī)范規(guī)定的位移角限值。

針對上述結(jié)論，建議本項目主要采取措施為：①通過調(diào)整構(gòu)件尺寸（增大截面）、結(jié)構(gòu)布置（增設(shè)支撐等）減小結(jié)構(gòu)地震工況下的位移角。②通過加強結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性（優(yōu)化高寬比，取消中間一排排架，兩開間進行連接）方式使位移角滿足規(guī)范限值。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合實際工程案例，利用數(shù)值模擬對模型進行理論分析，在設(shè)計階段作了較好技術(shù)支撐。且經(jīng)理論計算，在局部薄弱部位，針對性采取輔助措施對結(jié)構(gòu)進行加強。在特殊地段修建木結(jié)構(gòu)房屋，使結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性得到保證，效果較好，具有推廣意義。

參考文獻

[1] 許丹.穿斗式木結(jié)構(gòu)抗震性能試驗研究及地震易損性分析[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2019.

[2] 郭濤.穿斗式木構(gòu)架抗震性能試驗研究[D].重慶：重慶大學(xué)， 2016.