轻型木结构抗震设计研究进展

刘 朋

(中南林业科技大学土木工程学院，湖南 长沙 410004)

轻型木结构抗震设计研究进展

刘 朋

(中南林业科技大学土木工程学院，湖南 长沙 410004)

在介绍木结构的发展现状的基础上，综述了国内外轻型木结构抗震领域的最新研究进展和成果，尤其是轻型木结构建筑和木剪力墙基于性能的抗震研究，指出基于性能的抗震设计是必然趋势。

轻型木结构，抗震，基于性能，木剪力墙

0 引言

通常认为木结构建筑质量较轻，地震作用较小。尽管如此，历次地震中木结构建筑严重损毁的现象也不鲜见。随着轻型木结构建筑高度(或周期)的增长，传统基于“力”的抗震设计或评估方法偏于不安全。基于对上述问题的深刻反思，近年来国内外一些研究机构和学者开始研究轻型木结构基于性能的抗震设计。

本文以轻型木结构建筑为对象，总结国内外轻型木结构抗震设计的研究进展，并对其研究趋势进行展望。

1 基于性能的抗震理论研究

目前我国对于轻型木结构基于性能的抗震理论研究仍处于初级阶段。 张盛东等人[1]建议了一种能计算无抗倾覆锚固件木结构剪力墙的侧向变形公式。熊海贝等[2]采用了冷弯型钢组合墙体计算模型中的等代拉杆法估计轻型木结构剪力墙的抗侧刚度，并在其非弹性分析阶段引入了埋置作用和摩擦作用。陈松来等人[3]对14个剪力墙试件和2个木楼盖试件进行了单调加载试验，提出了剪力墙或楼盖刚度基于变形的取值方法，分析了剪力墙的长度、开洞、石膏板覆面等因素对其承载力以及刚度的影响。

近年来发达国家对于轻型木结构抗震理论的研究方兴未艾。美国研究报告[4]指出基于性能的抗震设计(Performance-Based Seismic Design,PBSD)应该是突破传统设计方法的局限性，选择性能优良的新的材料，恰当的设计准则、结构体系、隔震减震技术等实现期望的性能目标。2002年，Filiatrault等人[5]通过大量非线性动力时程分析验证了将直接基于位移的设计方法(Direct Displacement Design，DDD)应用于轻型木结构建筑的可行性，并建议了一种预测木剪力墙滞回反应和耗能特性的简化数值模型。2002年Rosowsky D V[6]为木剪力墙开发了一种包含PBSD理念抗震设计方法。2004年Skaggs等人[7]认为隔墙或剪力墙比简支梁复杂得多，建议使用美国木业协会APA推荐的变形计算公式。2005年Lindt[8]开发了一种基于损伤的抗震可靠度模型和一套损伤极限状态标准用于计算结构在一定损伤程度下的可靠指标。2006年Lindt等人[9]研究表明增量动力分析方法(Incremental Dynamic Analysis Method,IDA)可以作为一种轻型木结构损伤预测的手段，并通过试验测得的地震力需求与预测结果吻合良好，最大瞬态位移与预测结果的吻合程度不高。2007年Li Y等人[10]提出地震脆弱模型用来预测轻型框架木结构住宅建设在不同地震震害下的随机反应，完成木结构性能评估。2010年Wang Y等人[11]对DDD方法进行拓展，使之适用于多层轻型木结构建筑基于性能的抗震设计。2010年Lindt等人[12]在前人研究的结构损伤特征的基础上进行调整并采用该方法预测了一栋6层足尺轻型木结构的损伤。2010年Pang W等人[13]采用一种简化DDD方法设计了一栋六层木结构满足损伤控制、生命安全、远场倒塌保护(CP)和近场CP等4项性能期望的木剪力墙并采用ATC推荐的增量动力分析法，对该建筑抗倒塌能力进行了数值验证。2011年Liang H等人基于损伤模型评估了木结构的抗震性能，采用IDA方法标定木剪力墙的损伤模型参数，并建立了损伤指数和实测损伤现象之间的对应关系[14]。2013年 Lindt等人撰文总结了轻型木结构抗震理论的发展历程，分析了当前达到的水平以及仍存在的挑战[15]。就轻型木结构建筑而言，基于性能的抗震理论和方法仍在不断发展和完善的过程中，仍有许多关键技术问题尚未解决或有待达成共识。

2 抗震性能试验研究

轻型木结构建筑进入中国以来，国内对其抗震性能的足尺试验研究极为有限。2006年程海江等人[16]通过单向和反复荷载试验表明作用于横墙上的竖向荷载可显著提高剪力墙的各项力学性能。2007年吕西林等人[17]考虑门洞宽度、结构平面布置等因素，分67种工况对一幢两层木结构房屋的足尺模型进行了振动台试验。2008年熊海贝等人[18]分析了剪力墙刚度、激振程度及扭转等因素对结构自振周期的影响，并将自振周期估算值与试验值进行了比较得出房屋基本周期不仅仅只与房屋的高度有关。2008年陈松来等人[19]通过对一幢轻型木结构房屋进行了试验研究得出非结构构件可显著提高房屋的抗侧力刚度，各片剪力墙与楼盖之间的剪切滑移和楼盖吊顶石膏板对楼盖刚度提高作用可忽略不计。2010年康加华等人[20]通过试验研究了轻型木结构房屋底层墙体的破坏模式及抗剪强度、刚度、延性和耗能等力学指标。2012年谢启芳等人[21]研究了剪力墙在水平单向和低周反复加载下的破坏特征、抗剪强度、滞回性能、延性及耗能等指标，分析了洞口大小、洞口位置及竖向荷载对剪力墙抗震性能的影响，以及剪力墙与墙体模块抗震性能的区别。

另一方面，国外近年来对于轻型木结构抗震性能的试验研究始终紧密结合基于性能的抗震理论。2005年Dean等人[22]基于10组剪力墙的试验研究得出竖向荷载能够提高其水平承载力。2007年Ni C等人[23]通过足尺试验表明：带单斜覆板剪力墙的荷载—位移反应在拉压荷载下呈现出非对称性；带双斜覆板剪力墙的平面内抗剪承载力可提高2倍～3倍。2007年Lindt等人[24]通过一系列足尺振动台试验研究了轻型木结构建筑的动力性能，检验了实测损伤和瞬态层间位移之间的定性关联。2009年NEESWood项目中一幢六层轻型木结构在7.5级地震作用下，仍具有良好的抗震性能[25]。2013年Pei等人[26]的研究表明在不同程度的竖向荷载作用下带水平撑木剪力墙保持稳定的层间位移限值为7%～10%。2014年NEES-Soft项目进行了一系列带薄弱层轻型木结构建筑的足尺试验检验其开发的基于性能抗震改造方法。Lindt等人[27]针对一栋4层(370 m2) 带薄弱层轻型木结构四种加强原结构的刚度和强度方案都进行了足尺震动台试验，并给出了关键性试验结果。

3 结语

虽然国内外学者已经对轻型木结构PBSD做出了大量的研究，也取得了很多重大的研究成果，但由于其力学性能的复杂性以及PBSD的特殊性，目前还没有形成相对统一的研究理论方法，需要进行更多的轻型木结构的足尺振动台试验以获得更多试验数据并将其与有限元设计程序对结构受力性能的预测进行对比。将试验结果运用到目前的分析方法，全面发展PBSD。

[1] 张盛东,Karacabeyli Erol.无抗倾覆锚固件木结构剪力墙侧向变形计算[J].同济大学学报(自然科学版),2008(3):299-303.

[2] 熊海贝,李青纯.木质剪力墙侧移和抗侧刚度的研究[J].结构工程师,2008(3):76-80，86.

[3] 陈松来,樊承谋,王焕定.轻型木结构剪力墙和楼盖的抗侧刚度研究[J].中山大学学报(自然科学版),2011,50(4):42-49.

[4] Structural Engineers Association of California (SEAOC).Vision 2000:A framework for performance-based design[S].Sacramento,California:Structural Engineers Association of California,1995.

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[6] David V.Rosowsky,Bruce R.Ellingwood.Performance-Based Engineering of Wood Frame Housing:Fragility Analysis Methodology[J].Journal of Structural Engineering,2002,128(1):32-38.

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[18] 熊海贝,徐 硕,卢文胜.轻型木结构房屋基本自振周期试验研究[J].同济大学学报(自然科学版),2008，36(4):449-452.

[19] 陈松来,张盛东,王焕定,等.轻型木结构房屋侧向变形机理的现场试验研究[J].同济大学学报(自然科学版),2008(4):453-459.

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[23] Ni C,Karacabeyli E.Performance of Shear Walls with Diagonal or Transverse Lumber Sheathing[J].Journal of Structural Engineering,2007,133(12):1832-1842.

[24] John W.van de Lindt,Hongyan Liu,Shiling Pei.Performance of a Woodframe Structure during Full-Scale Shake-Table Tests:Drift, Damage,and Effect of Partition Wall[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2007,21(1)：23-24.

[25] Lindt J W V E,Pei S,Pryor S E,et al.Experimental Seismic Response of a Full-Scale Six-Story Light-Frame Wood Building，2010,136(10):1262-1272.

[26] Pei S,Lindt J W V E,Wehbe N,et al.Experimental Study of Collapse Limits for Wood Frame Shear Walls.Journal of Structural Engineering，2013，139(9):1489-1497.

[27] Lindt J W V D,Bahmani P,Mochizuki Gary.Experimental Seismic Behavior of a Full-Scale Four-Story Soft-Story Wood-Frame Building with Retrofits.Ⅱ:Shake Table Test Results.Journal of Structural Engineering,2014,E4014003,(12):1-14.

Sutdiesondesignoflightwoodstructures

LiuPeng

(CollegeofCivilEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China)

Based on introducing the development status of wood structure on the progress and the latest research achievements at home and abroad in the field of light wood structures, especially the light wood structure and wood shear wall seismic performance study based on that performance based seismic design is an inevitable trend.

light wood structure, seismic, performance-based, shear wall

1009-6825(2017)29-0058-03

2017-08-08

刘 朋(1990- )，男，在读硕士

TU366.2

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