【论文】轻型木结构抗震性能研究

    摘要:轻型木结构房屋是指用间距较密的规格材和覆面板材料用钉子连接组成结构构件的一种木结构房屋体系,因其建筑综合能耗低、建筑材料环境亲和力强、抗震性能好等突出优点在北美、加拿大等国家广泛应用。轻型木结构建筑具有轻质高强、高次超静定、延性好等特点,具有良好的抗震性能,适合在抗震设防区使用。本文主要介绍了木结构建筑抗震方面的一些特点和不足,以及国内外研究现状。并对木结构建筑抗震性进行了一些展望。
关键字: 轻型木结构;    结构特点;    抗震机理;    抗震性能;
 
Abstract: light wood structure housing refers to a wood structure housing system with a nail connection structural member about the spaced dense material specifications and cladding material, because of its low energy consumption, building a strong environment affinity , good anti-seismic performance and so on ,so it is widely used in North America, Canada and other countries .Light wood structure building has A series of features such as lightweight, highly indeterminate, ductility, and it is suitable for used in seismic zones for its good seismic performance. This paper mainly introduces some characteristics and shortcomings about the wooden structure building aseismic aspect ,as well as the research situation both at home and abroad. And  some prospect about the wooden structure building earthquake resistance. 
Keywords:  light wood structure;    structure characteristics;    seismic mechanism; 
            seismic performance; 
 
    汶川大地震,以遇难人数将近7万的代价至今还让人痛心;通过各种媒体我们可以看到现场很多遇难同胞的实际情况——被压在混凝土房梁下,被压在倒塌的墙体下等等。而同样是日本的大地震总伤亡1万5千人,而且很多都是因为海啸遇难的。究其原因,主要是因为日本的建筑主要以木结构建筑为主。到底哪些因素是影响建筑物抗震性能的呢?从结构设计的角度来看,建筑结构的重量、阻尼、强度、刚度、延性和整体性都是决定建筑物地震反应的因素。
  “地震本身不会伤害人.伤害人的是在震中被破坏的建筑”从抗震角度.建筑结构设计最重要。没有一栋建筑物可以做到完全防震,但是良好的抗震设计会将结构损坏减少到最低限度。实现的途径一方面是赋予建筑足够的强度、刚度和延性以抵御地震作用于建筑上的破坏力,例如增加材料的强度或运用新材料等;另一万面是采用新技木和设备.抵消或减少地震作用于建筑上的破坏力,例如中国传统的榫卯结构或连接件。
  
  
1、木结构建筑的抗震特点
    每种结构都有其独特的特性,例如其刚度而后强度,因而对地震力的反应也不同。地震使一栋建筑物产生水平和垂直震动。水平力又称为侧向力或剪力,它是对抗震设计的真正挑战。木结构建筑本身具有其承受侧向力或者剪力的一些特性。
    木材的物理力学性能取决于其复杂的内部结构,除各自异性外,木材是多孔及非均匀性的材料,木材的强度与刚度随外荷方向是顺纹还是横纹的不同而变化,这也导致了结构的破坏机理的变化。平行或垂直于纤维方向的受拉破坏是脆性的,在地面运动作用下,这种破坏应尽量避免。同理,木材剪切及部分受弯破坏也是脆性的,也应尽量避免。木材弯曲破坏的类型主要取决于材料的压、拉强度比。木柱是延性或脆性主要取决于压应力与弯曲应力的比值。只有垂直于木纤维方向的受压破坏是延性的,可满足抗震设计的要求。另外,木材在短期荷载作用下强度提高,以及较高的强重比,使得木结构在以往地震中显示出较好的抗震性能。
2、建筑抗震特性
    历次震害调查表明,平面及竖向规则的建筑物在地震中有良好的抗震性能,而平面及竖向的不规则导致震害加重,特别是建筑物的几何中心与物理中心不重合时,往往会导致建筑物扭转。结构的竖向连续性也是影响建筑物抗震性能的重要因素之一,当建筑物的强度和刚度在竖向不规则时,将会在竖向出现“薄弱层”,地震引起的能量耗散主要集中在这些薄弱层,严重时可导致薄弱层倒塌。此外,研究和经验还表明,一些“非结构”构件也有助于增强建筑物的侧向抗力。例如,内墙饰面、隔墙以及多种外墙覆层,都有助于增强建筑物的侧向抗力。
    建筑物的动力特性包括建筑物的振型、自振频率或自振周期。这些建筑物的特征参数主要取决于结构材料特性以及连接节点的强度和刚性特性。研究表明,大部分木结构房屋的自振周期在0.1~0.85。因此,木结构不适宜建造在软弱地基土上。
3、木结构框架抗震优势与结构原理
    作为一种结构材料,与其他材料相比,木材的抗震性能明显优于其他材料。木材轻质高强,因而地面加速度在木建筑上所产生的能量没有其他建筑物大。木框架系统的另一个额外优势是其柔韧性优于其他材料,可以吸收并消散能量。大多数的框架由三部分组成,构成墙壁骨架的垂直墙骨;构成楼板的水平搁栅;以及支撑屋顶的椽木或桁架。当墙由斜撑木板或轻质木基板材而形成强覆面板时,它便具有了侧向抵抗力,并进而形成了一个剪力墙系统——轻质、高强且建造效率高。所有部件共同支撑起建筑物,使之可以抵抗重力、风及地震。
木框架结构具有以下几点关键抗震优势:
⑴木材牢而轻——质量较轻是地震中的一项大优势,这意味着作用到房屋上的地震力也较小。
 
⑵木框架结构有许多杆件和钉节点,这意味着有多种荷载路径吸收所施加的地震力。传力路径多的房屋一般被认为在结构上具有多余约束。它们在地震中可以提供额外的安全性。传统的由沉重的框架所支撑的建筑结构因仅靠较少的结构构件和连接传力,设计或施工中的任何缺陷都可能导致相邻的传力路径超载。而典型的木框架建筑是由数以百计的结构构件和数以千计的钉节点连接构成的。这意味着,如果某一个传力路径受到破坏,它所承担的荷载可由邻近的构件或节点予以承担。
⑶木框架结构建筑中的钉节点可以有效地耗散地震所产生的能量。 当突发的荷载产生或地震降临时,许多钉的连接容许木结构建筑弯曲以吸收和消散能量。建筑物的阻尼决定了结构能够吸收及耗散地震地面运动能量的能力。通常结构的阻尼较小时,建筑物的地震反应就强烈。阻尼的大小主要取决于建筑物的用料,连接的型式(在连接表面产生滑移或摩擦)、连接变形(粘滞阻尼)以及其它的一些非结构构件。能量耗散与阻尼有关,地震时大量地震能量作用在结构上,结构能够吸收及耗散地震输入能量的大小反应了结构的抗震性能。在木结构建筑中,其延性及能量耗散是通过钢木连接以及不同构件之间的摩擦这些粘滞阻尼来实现的。
⑷通过非木结构部件如内部装饰、隔墙和多种类型的外部覆面的侧面抗震因素。北美研究结果表明,石膏板在作为墙体覆面板时是可以提高墙体抗侧能力的,这无疑是提高了轻型木结构的安全储备。
4、木框架房屋存在的震害
   ⑴软弱底层——以往地震时的经验表明,软弱底层会使房屋易于受到地震力的破坏。底层采用足够的带撑墙或面板墙是保证传统木框架房屋抵抗地震的基本条件。门窗和车库门等大面积开孔会使墙体面积过小,不足以抵御地震形成的侧向力。因此,除非适当加强底层墙体,否则强度不足的墙体会导致过度变形,最终造成倒塌。震害调查证明,底层是车库的公寓楼在地震时特别容易受损坏。因此,对有软弱层的房屋要特别注意其抗震设计和细部处理。
    ⑵基础的连接——锚栓是用来防止房屋结构脱离基础的。有些旧房在建造时没有使用锚栓将木框架结构与基础连接在一起。经验证明,在地震中这些房屋可能会从基础上滑落。这可以通过在木框架与基础之间增加连接来改进。
    ⑶剪力墙——轻型木结构剪力墙的木骨架为钉连接的机动体系,水平剪力完全由面板承担,剪力墙的抗剪强度较低。国外多次发生底层有较大开间的两层轻型木结构建筑在地震中破坏严重,原因就是剪力墙抗剪强度不足所致。
    ⑷矮墙——矮墙是指某些房屋底层与基础之间的短墙。在地震中,很多建有无支撑矮墙的旧房都受到了结构性损坏。用木基结构面板加固墙体是一种有效的强化墙的方法。
    ⑸烟囱——无筋砌体烟囱在地震中极易毁坏。烟囱坍塌又可能殃及烟囱以下的屋顶和墙体。在地震后的余震中,受损的烟囱也很危险。加固烟囱或采用轻质材料的烟囱,有助于防止在未来的地震中遭受损坏。
 
    ⑹未固定的家具——房屋构件和电器:在地震时,书架等高大的物件会倾倒,滑动或滚动的物件会来回冲撞。沉重、无支撑的隔墙会倒下,连接不当的遮篷和幕墙(如墙砖)会落下而伤及路人。除非有适当支撑,否则家用燃气热水器会很容易翻倒或移位,造成煤气泄露,并且可能引起爆炸。将家具、房屋构件、电器固定起来能有效减少地震的破坏和造成的损失。
5、国内外轻型木结构抗震性能的研究    
    木框架建筑从许多抗震科学研究项目中得到改进。这些抗震研究包括从小到钉子测试大到整栋房屋的足尺地震模拟。由于多种传力路径和“非结构”构件的贡献,所以用数学模型模拟传统木框架建筑的抗震性能比较困难。因此,研究人员一般通过更多地了解材料和组件的特性来更好地预测整栋房屋的抗震性能。通过足尺模型试验,研究人员正在研究整栋房屋的构件如何共同作用以抵抗地震作用这一复杂模型。这一研究既有助于解释传统木建筑的抗震性能,也能为设计人员提供更有效的设计方案。
5.1国外的研究现状
    国外主要从面板钉节点试验研究,对不同的剪力墙的耗能、阻尼等进行研究。其把剪力墙作为一个非弹性模型,进行有限元分析。
    加拿大国家林产工业技术研究院是加拿大最重要的林产研究机构,其抗震研究的重点是对房屋构件进行测试和建模。他们的研究成果已被用来增强加拿大木结构设计规范中的有关抗震条文。加拿大国家林产工业技术研究院及其合作伙伴同时还研究发展计算机模型,用于评估木框架房屋在地震中的性能。此计算机模型可作为一种工具,有效地帮助工程师进行木框架房屋的抗震设计。
    国外调查表明,符合墙体支撑、连接和锚固基本要求的木框架建筑,在地震时可以为居住者带来安全。对小型木框架建筑,建筑规范中的规定为抵抗侧向地震力提供了保证。大型木框架建筑可通过有效的工程设计来抵抗地震力。
5.2国内的研究现状 
    榫卯连接是中国传统木结构最典型的连接方法,榫卯节点不用铁钉,不用钢销,通过能工巧匠的刻凿,就能将梁和柱牢固的连接在一起。这其中蕴含了一个非常重要的抗震思想,就是“以柔克刚”。通过结构在允许范围内的变形和错动来消耗的地震的能量,这样就能保证结构的整体安全。在国内有不少专家学者对榫卯的构造机理,受力特性及其优缺点等进行研究。通过模型进行地震动的振动台试验,着重对模型加固前后的动力放大系数及自震频率、阻尼进行测试并进行分析,反应了节点榫卯连接价格方案是可行的,能达到减震效果,成为木结构抗震加固的有效方法之一。
    谢启芳、吕西林、熊海贝课题组结合国外轻型木结构和我国古建筑木结构的优点,开发了一种轻型定向秸秆板—榫卯连接木骨架剪力墙。该剪力墙将国外轻型木结构木骨架间的钉连接用我国古建筑木结构的榫卯连接代替,从而增加了剪力墙抗剪承载力和刚度。抗震研究结果表明,剪力墙的破坏主要是面板破坏及面板与钉的连接破坏,剪力墙的抗剪强度比墙体模块的要低约10%。
    同济大学与加拿大木业协会合作也进行了一系列地震台模拟震动试验。
    葛鸿鹏、周鹏等按照宋代《营造法式》有关大木作性质与构造要求制作的木构架模型,进行模拟地震动震台试验研究,得出:榫卯连接破坏是导致结构破坏的主要因素之一;为避免榫卯拔出,采用扁钢加固节点,但加固应避免“过犹不及”的情况而起不到加固的作用了;对榫卯节点用钢板条抱箍有效阻止榫卯拔脱而导致的结构坍塌,试验证明这种加固方式有效,而且简单易行;柱根与础石之间因摩擦滑移而耗能和榫卯连接摩擦耗能可大大减小强震时结构的地震反应。斗拱缝隙挤紧、转动和普拍枋滑动,致使屋盖部分的地震动力响应大大减弱,也起到了很好的隔震减震作用。
    姚侃、赵鸿铁、葛鸿鹏通过对典型榫卯连接的力学分析和模型低周反复荷载试验,研究了榫卯的半刚性和刚度退化规律。结果表明, 木结构的榫卯连接刚度随荷载变化而呈非线性变化,刚度在0.3062~23。6054之间变化,研究结果可为木结构古建筑的抗震性能研究和修缮加固提供理论基础。
  徐明刚、邱洪兴通过对五个按照清代工部《工程做法则例》的做法制作的燕尾榫榫卯节点模型在反复荷载作用下的试验研究,得到了各节点的破坏形式、滞回曲线、骨架曲线、变形等性能。试验表明:木结构榫卯节点具有很好的变形能力,最大加载位移为100mm;节点破坏形式为榫头从卯口内拔出即脱榫破坏,榫头和卯口均产生明显的挤压变形。但梁、柱构件没有损坏;各节点的弯矩-转角滞回曲线成“ Z” 字形,验证了燕尾榫榫卯节点具有半刚性的特性。
建筑抗震性的展望
  现代抗震性能的研究成果反映提高结构或构件的抗震性能,防止构件或结构破坏或倒塌,其办法主要有三点:1)用很高的强度来抵抗高的地震作用;2)利用延性耗散地震能量,削平反应谱的峰值,降低地震荷载;3)介于上述二者之间,既提高强度亦提高延性。众所周知用第一个办法是不经济的,而第二个办法仅靠延性耗散能量也是不易做到的,故唯有第三个办法是合理的,即设计有一定的强度,也有一定的延性。例如,在试验中用扁钢加固榫卯节点,等于在榫卯节点处加了一个耗能装置,使木构架的整体刚性有了大幅度的提高,提高强度同时也提高了延性。 
  通过木结构有限元去研究,关于影响面板钉节点性能的主要因素,包括墙面板的材料类型、尺寸大小,环境因素,钉子规格种类、大小,钉连接的边距、端距、钉入角度,墙板方向与墙骨柱顺纹的夹角等,加载方向与墙骨柱顾纹的夹角、加载方式等。通过有限元模型将单片墙体与整体房屋的数值分析结果进行比较,得出抗拉锚固件、上层刚度、上部荷载对整体房屋及单片墙体中木剪力墙受力性能的影响等。这些都是需要继续研究的方向。
  目前国际上尚没有人进行过骨架钉连接的反复荷载试验,而在没有墙角锚栓剪力墙的模拟分析中,必须引入骨架钉连接的恢复力模型。因此这方面试验工作以及合适的恢复力模型是迫切需要的。
  
  
6 结论
  在过去一个世纪中,木框架建筑在北美的应用取得了极大的成功。现在,木框架建筑正引起世界其它各地的兴趣,这中间的原因很多。有些是因为经济收入的不断提高,对舒适有了更高要求;另一些则是因为最近地震所造成的房屋倒塌以及无数的死亡,刺激了对安全房屋的需求。除上述出于抗震原因而建造木框架建筑外,还有许多国家采用木框架建筑是因为人们已经对它做了大量研究,其性能已经得到证实。木框架建筑不仅具有经济性和灵活性,而且更能符合与建筑相关规范的要求。
  现代轻型木结构房屋具有良好的防震性能,最重要的是它能保护居住者的生命,或者说它对生命的影响相对来讲是最小的。轻型木结构在中国的发展虽道路曲折但前途依然光明。
  
参考文献:
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