木结构建筑动力特性的研究进展

*， 司世广， 何宇航， 邹钰莹， 左 腾

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.江苏耀源木业有限公司，江苏 泗阳 223700)

木结构建筑在全球林业资源发达，提倡建筑环保的北美、北欧等地区发展成熟，占建筑类型的比重最高。中国的古木建筑为世界宝贵遗产，然而在其历经千百年使用后，承重木构件不可避免地遭受不同程度的真菌腐朽、虫蛀以及老化等环境因素引起的材性劣化作用，影响整体结构的稳定，削弱结构的安全性。21世纪以来，随着生活水平和经济能力的不断提高，人们对住宅的安全性和舒适度要求也越来越高，而现代木结构建筑以其特有的抗震、绿色环保、保温节能等特点受到人们的青睐[1]。研究表明4～8 Hz低频区域是致使人体不舒适的敏感频率区域(地震波同属于低频波)，而木结构建筑因其构件材质的阻尼比较高，导致木结构建筑的基频低于相同结构形式下的钢筋混凝土建筑，与混凝土结构建筑的动力性能有所差异。因此，在对木结构进行静力学研究的基础上，开展对木结构建筑动力特性的研究工作尤为重要[2]。结构的动力性能包括动力特性和动力响应。动力特性反映结构本身所固有的振动特性，如自振频率、阻尼比及振型；动力响应反映结构受动力作用时的响应，如位移、速度、加速度等。近年来，国内外主要在计算模态分析和试验模态分析两大方面对木结构建筑的动力特性开展相关的理论与试验分析工作，其研究成果较多。鉴于此，本文针对中国古代木结构建筑和现代木结构建筑，阐述了国内外对其开展的计算模态、试验模态及其理论与试验相结合的动力特性研究工作所取得的成果，通过分析并提出进一步做好木结构建筑动力特性研究的主要途径，以期对中国古代木结构建筑的科学保护和现代木结构建筑的优化设计工作提供有益借鉴。

1 计算模态分析的动力特性研究进展

在计算模态分析研究工作中，一方面，我国学者对于中国古代木结构中具体的构件，如斗拱、榫卯节点、侧脚等，以及整体结构做了诸多理论研究，其结果越来越贴合实际。1993年，方东平首先对中国古代木结构建筑的静力与动力性能进行了研究，并进一步对西安北门箭楼建立了有限元分析模型，得到了自振频率。在模拟榫卯连接与斗拱时创造性地引入了半刚性单元，为其后木结构动力分析的有限元模拟开辟了便捷的道路，也为相同类型木结构的研究提供了指导方法[3]。1996年，孙增寿根据木构架古建筑和塔类古建筑的结构特点和震害规律，进一步提出了相应的动力分析模型，以及震害分析和预测方法[4]。另一方面，随着现代木结构的发展，国内外学者重点对轻型木结构建筑、胶合木建筑进行动力性能的理论分析。如，Itani和Cheung在1984年提出了一个有限元模型，在该模型中，面板钉连接采用一对轴线受力的弹簧单元，这个方法被后来的许多木结构墙体有限元模型所采用[5]。2014 年，Bjertns等对挪威一栋14层的木结构建筑进行了有限元分析，其中采用梁柱和支撑来代替所有的墙体和楼盖，研究发现，第二阶振型下第13层的最大加速度稍高于ISO建议的限值，但是仍然在可以接受的范围[6]。

通过上述计算模态分析的动力特性理论研究案例表明，建立木结构建筑有限元模型时，通过对建筑原型或增加其结构的阻尼、刚度参数等方式获得振型和自振频率等动力参数，有助于加强对建筑安全性和舒适性的设计和指导。但在建模时有限元复合结构件的创建、参数设置中选用木材等材料的弹性模量和泊松比常数值等方面还存在技术问题，一定程度上影响了计算结构体自振频率和振型的准确性。

2 试验模态分析的动力特性研究进展

在试验模态分析研究工作中，国内外研究者主要采用环境激励法、人工激励法和动力响应试验法对木结构建筑的动力特性开展相关工作，其研究成果斐然。

2.1 环境激励法

采用环境激励法通过识别建筑结构周围因环境激励引起的振动，而确定其结构的动力特性。1991年，俞茂宏等对西安北门箭楼现场进行了环境激励测试，分析了屋顶在挂瓦前和挂瓦后两种工况下结构的振型及其影响因素。研究结果表明：屋面重量增加将导致结构固有频率的降低，古代木结构建筑不仅屋顶重量大，屋顶刚度也很大，使下部框架保持整体性和稳定性[7]。2018年，杨燕萍等对其进行跟踪测试，获取结构在环境激励下的加速度响应，分析得到结构的动力特性参数，并将测得的结构前两阶模态结果与2009年该结构刚投入使用时测得的动力特性进行比较。其主要结论表明，三栋单体校舍在使用过程中的基频均略有降低，其中一栋渗水较为严重的校舍基频值下降最多，达到15%，且第二阶振型由原横向振动变为扭转振动；实测得到的阻尼比均小于5%[8]。2019年，杨娜等采用环境激励法对一栋地铁线附近的六檩抬梁式木结构进行动力响应现场测试。结果表明，地铁交通是该传统木构环境振动的主要振源，应对南北向高频段(50～90 Hz)振动进行减隔振处理[9]。

2.2 人工激励法

通过识别人为对结构施加的激励源所引起的结构振动，以获取其结构的动力特性被称为人工激励法。1999年，赵钧海等首次对斗拱进行了动力特性测试。采用橡皮锤对模型进行单点脉冲激励，测得其在不同支承条件下的模态频率与模态阻尼比。研究表明：改变支承条件将改变模态频率和模态阻尼比，且随着垫块刚度(边界条件)的增大，模态频率随之增大，模态阻尼比随之减小；所得斗拱模型的模态频率大致为一阶1.87～3.57 Hz，二阶10.87～15.80 Hz；模态阻尼比为一阶0.056～0.108，二阶0.014～0.087；由相似理论得出斗拱原型的模态频率为一阶0.62～1.17 Hz，二阶3.62～5.27 Hz[10]。2019年，周年强等采用瞬态激励方式对一栋竹结构的二层单体小楼进行模态测试，得到了该房屋的各阶自振频率、阻尼、振型等模态参数[11]。

2.3 动力响应试验法

通过振动台试验较为真实地模拟地震对木结构建筑产生的动力作用，从而得到结构的动力响应。2006年，意大利林科院牵头启动了SOFIE项目，在2007 年完成了7 层CLT足尺木建筑的振动台试验，上述试验中发现CLT结构并未出现明显破坏，具有较好的抗震性能[12]。2012年，Iuko TSUWA等采用振动台对日本古代木结构建筑进行动力性能测试，通过采用三种不同形式的墙体来改变墙体的刚度，以此探究墙体刚度对结构在地震作用下的动力响应[13]。2010年，Andre Filiatrault等对一幢两层全尺寸轻型木结构联排别墅进行振动台试验。以测试建筑在不同基底输入强度下的动力性能。试验结果表明：在墙上安装石膏板能明显提高试验建筑的抗震性能，对结构的抗侧刚度有显著影响[14]。2011年，陈国等对一栋基于轻型木结构建造方法建造的足尺2.44 m×3.66 m×2.6 m竹结构模型进行振动台试验和推覆试验，讨论轻型竹结构模型房屋的动力性能。试验结果表明：在0.3 g以下的地震中，模型处于弹性状态；即使经过多次重复地震，模型结构仍然不会发生倒塌，而且破损也很轻微。模型结构在地震波作用下，最大层间位移角小于规范中的限值。试验研究表明，该轻型竹结构房屋能够满足我国建筑抗震设计规范中的8度抗震设防要求[15]。2015年，褚青青等依据一栋典型的云南翁丁古村落佤族干栏式木结构民居，制作原尺寸模型进行振动台试验。通过试验探讨干栏式木结构民居的动力特性和抗震性能。试验结果表明：在设防烈度为8度(0.3 g)的情况下结构只出现局部构件轻微破坏，结构整体基本处于弹性，能够满足抗震设防目标[16]。

通过上述试验模态分析的动力特性测试研究案例表明，实测到木结构建筑结构的自振频率、阻尼比等模态参数，为改善建筑的减隔振和居住舒适度及其优化设计水平作出了很大贡献。但是因篇幅有限等各种原因，这些文献实测结果的精准性缺乏一定的支撑性材料，如缺少测试方法上的验证比较；加速度计的选择和布点设置的合理性等方面交代不清；特别是在振动台抗震等试验中，不能较好地反映被测试对象的制作及固定方式与效果、加速度计的安置、扫频间隔与FFT块大小等参数设置情况等。

3 理论与试验相结合的动力特性研究进展

2007年，程海江[17]在国内首次对轻型木结构进行动力性能研究分析。以振动台试验为研究核心，在钉连接、剪力墙和房屋整体等三个层面利用试验研究和有限元分析两种方法对轻型木结构房屋的抗震性能进行了系统研究。结论表明，有限元分析结果和试验结果较为吻合，能够较准确地模拟结构的动力反应和模态特征，适用于进一步对复杂结构的分析。2010年，李书进等[18]对一栋单层、足尺的木结构房屋进行多种工况的振动台试验研究和分析。考虑传统木结构房屋的建造方式和构造特点，变化结构的平面布置和连接方式，分别研究它们在不同地震和烈度下的动力响应和抗震性能，以及结构的破坏形式和破坏机理，结合有限元分析方法，对木结构房屋的动力性能进行研究和数值模拟，并与试验结果进行对比，两者结果十分接近。2012年，赵鸿铁等[19]采用激振锤人工敲击法、有限元软件模态分析法和振动台试验法计算木结构古建筑结构模型的固有频率，并将三者所得结果进行比较。研究表明：人工敲击法测得振动台试验模型震前的固有频率为2.05 Hz，比地震最大加速度为100 gal震后的固有频率(2.1 Hz)略小；Ansys有限元软件模态分析的结构一阶固有频率为2.23 Hz，略高于人工敲击法的实测结果。2019年，Hafeez等[20]对轻型木结构建筑进行了动力特性试验研究。对41座布置规则或不规则的轻型木结构建筑开展了有限元建模计算与环境激励法的验证试验，主要进行其建筑物的基频比较分析。结果表明，一般的有限元分析方法高估了建筑物的基本自振周期。

理论与试验相结合的动力特性研究案例表明，其两者可相互比较验证，能更为准确地反映木结构建筑动力特性，既可优化理论研究中的结构参数，亦能更便捷地预测其动力性能。当然，诸多研究成果中尚存在对其理论与试验结果相近或不相近的要因分析不明晰等问题，需进一步加强其基础理论性研究。

4 结论与展望

木结构建筑的动力特性与其建筑的设计、制造、安装、检测乃至居住质量密切相关[21-23]。一方面，开展对传统木结构建筑动力性能的基础应用研究，对文化遗产保护与修复工作具有重要意义；另一方面，对现代木结构建筑的结构动力特性研究既关系到整体结构的安全性能，亦与人体舒适度紧密相关。鉴于此，笔者提出进一步做好木结构建筑动力特性研究的5条主要途径。第一，国内有关木结构建筑的设计及施工规范已经落实，但国内外关于木结构建筑动力性能的标准制定还不完善，故应认真做好对木结构建筑结构动力特性标准的制订与修订基础工作。第二，理论研究应与试验研究相结合，能更为准确地反映木结构建筑的动力特性，如采用ANSYS计算模态法与环境激励法、人工激励法和动力响应激励法，共同获得整体结构在动力作用下的响应参数；改变理论研究中结构的模态参数，能更便捷地预测其各阶振型、自振频率和阻尼。第三，在建模过程中，不可忽视木材本身正交各向异性的特点。由于不同木材的力学性能差异较大，同树种木材的力学性能也会受其产地、含水率、使用年限等因素影响呈现差异性。因此，在建立其分析模型时，其基材的力学性能参数应按实输入；在分析模型中，因其节点的刚度影响整体结构的模态参数计算结果，要考虑木结构的节点因介于刚接与铰接之间，其刚度变化较大，故对结构动力性能影响也较大；另外，轻型木结构的剪力墙体形式多变，在有限元分析模型中应引入剪力墙整体单元，将模态试验所得参数代入其中，以便较为真实地反映实际情况。第四，在试验研究进程中，国内学者对中国古代木结构建筑的构件(如斗拱等)及整体结构进行了动力性能的测试，对中国古代木结构建筑进行动力特性测试时，考虑到对文物的保护，多采用环境激励法；而在对轻型木结构建筑、胶合木建筑、CLT建筑的测试中，环境激励法、人工激励法均可采用。第五，由于振动台试验能较为真实地反映地震的动力作用，但由于振动台尺寸、承重能力的限制，需要对结构的缩尺模型进行测试，因此在测试时需注意缩尺效应的影响。