木结构屋顶与墙体连接力学性能的研究进展∗

2020-03-01徐伟涛李源河李英洁姚利宏

林产工业 2020年5期

宋怡徐伟涛李源河李英洁姚利宏

（1.内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，呼和浩特 010018; 2.国家林业和草原局林产工业规划设计院，北京 100010）

近年来，由于木结构建筑的环境友好特性和良好的抗震性能[1-2]，在我国得到大力推广[3]，但是木结构建筑特别是在我国东南沿海一带易遭受风灾损毁。调查表明：屋盖与墙体连接节点(Roof To Wall Connections，RTWCs)是木结构建筑在高风荷载地区最易发生损坏的部位[4]，研究木结构建筑RTWCs力学性能对木结构抗风性能设计具有重要意义。本文主要介绍了国内外有关木结构RTWCs节点荷载作用下力学性能的研究进展，对风荷载下木结构RTWCs力学性能的影响因素，及数值模拟在木结构RTWCs抗风性能研究中的应用等进行综述，以期为我国木结构抗风设计以及古建筑修缮技术与设计提供理论依据。

1 RTWCs节点力学性能研究

以轻型木结构椽条屋架为例，屋顶与墙体的连接是在椽条与墙体上方顶梁板处进行斜向钉连接[5]，若有更高级别的抗风要求，还需使用专用金属连接件连接[6]。RTWCs节点在风荷载下的易损性受到重视，目前主要开展了对RTWCs结构破坏模式和结构荷载传递机制的研究[7-8]。按测试对象分为单个节点的承载力测试研究与木结构系统组件间荷载分担研究，按测试方法分为单轴荷载作用与多轴荷载作用。RTWCs节点力学性能研究集中在单轴荷载作用和多轴荷载作用两方面，主要测试单个或多个节点的极限承载力。单轴荷载是指节点在三个轴向进行单调或者疲劳荷载，主要研究节点的抗拔性能以及侧向极限承载力。多轴荷载是指对节点进行多轴向的单调荷载、疲劳荷载以及模拟风荷载，旨在为节点设计提供更加可靠的理论依据。

1.1 单轴荷载下RTWCs节点力学性能

钉连接是轻型木结构最基本的连接形式，是影响其力学性能的重要因素。采用钉连接方式进行安装相对简单，但是连接节点性能远不足以抵抗风对其产生的上拔力[9]。节点失效模式主要有以下3种：1）钉子同时拔出（例：两钉连接）；2）木材劈裂；3）钉子组合失效——单钉发生变形且先拔出，连动其余钉同时拔出(例：三钉连接)。当钉从顶板中拔出较多、发生弯曲破坏或木材劈裂时，钉连接节点就会丧失抗拔能力。为寻求新的增强方法，学者们对钉连接RTWCs节点的脆弱性进行评估与研究。

上拔力是造成RTWCs节点损坏的主要原因，而水平方向的力同样也会对连接节点产生不同程度的影响，从而降低其抗拔性能。William[10]等根据ASTM D1761-12《木结构中机械紧固件的试验方法》[11]，在三个轴向分别进行荷载，测试了由2只16d钉连接节点的极限承载力和破坏模式。Shanmugam[12]等评估了轻型木结构中屋顶与墙壁之间原位钉连接的实际承载力，研究在单轴上升疲劳荷载下不同数量的钉连接方式的抗拔性能，得出3只16d钉连接的节点抗拔极限强度比2钉连接节点抗拔极限强度平均大30%。利用单轴试验数据建立对数正态分布模型，用于评估现有结构中斜钉连接的连接性能，分析结果表明：这两种斜钉连接方式均抵挡不住极端风荷载下的风压。在风暴频繁发生地区，木结构中使用钉连接的RTWCs节点远不能承受极端风荷载下的风压，因此需采用金属连接件对连接进行加固。不连续的荷载路径被认为是导致屋顶隆起破坏的主要原因之一，金属连接件可以为木结构建筑屋顶与墙体连接处提供一个连续的荷载路径，研究金属连接件的力学性能以及破坏形式可以为后续金属连接件的设计与改进提供理论依据。目前常见的防风金属连接件包括抗拔连接件、旋转抗风拉件和金属拉带（嵌入式）三种。Michael等[13]通过荷载试验表明：这些金属连接器能够明显增强节点在侧向与垂直向上的承载力。然而，Ahmed等[14]对木结构建筑RTWCs节点中多种金属连接件抗拔性能的研究表明：目前大部分金属连接件的实际承载力低于安全设计值，这可能是导致木结构中RTWCs节点不能承受极端荷载的原因之一。

Shanmugam等[15]依据ASTM D1761标准测试了不包括钉连接的3种金属连接件连接节点的上拔极限承载力。这3种金属连接件的破坏形式主要为钢板撕裂、木材开裂、拔钉或钉子弯曲破坏。William 等[10]在Shanmugam的基础上对比研究了不同连接方式RTWCs节点的力学性能，得出金属连接件连接节点的抗拔力学性能是斜钉连接节点的3.2倍；并且金属连接件与斜钉组合连接的节点抗拔极限承载力等于斜钉连接节点抗拔极限承载力与金属连接件连接节点抗拔极限承载力之和。Sarah等[16]通过一种数值模拟分析发现：由金属连接件加固后的RTWC不再是风荷载下木结构屋盖最薄弱的结构。以上研究表明金属连接件加固后RTWCs节点力学性能得到了显著增强，但是目前缺乏对金属连接件在木结构建筑布置方式方面的研究。

1.2 多轴荷载下RTWCs节点力学性能

极端风暴天气下，木结构建筑及其构件以及连接节点同时受到上拔和侧向的荷载，这由风暴特性及围护建构破坏等因素共同作用所致。为更好地理解不同荷载对低矮木结构建筑屋顶与墙体连接节点的影响，对节点进行同时多轴荷载作用研究。Shanmugam等[15]使用自制加载装置实现了节点试件多轴复合加载，分别以单轴、两轴组合、三轴组合同时加载的方式进行测试，得出在多轴荷载作用下，金属连接件的实际承载力比安全设计值更低，并提出多轴作用下的承载力线性统一方程。

上述研究基于实验室内单个RTWCs节点的加载测试，缺乏与实际风荷载下的研究对比。Chowdhury[17]等人进行了风洞试验研究，通过多轴测压元件测试了三轴气动对RTWCs节点的影响。由于三轴载荷峰值出现在不同情况下，因此提出用平均力系数确定侧向载荷与上拔载荷的比值，为模拟三轴载荷下的金属连接件性能测试提供了一种新的方法。

1.3 结构荷载分担

除了针对单个RTWCs节点连接力学性能进行研究，为确定木框架的影响系数与荷载分担，若干研究已证实荷载分担提高了屋顶系统的可靠性。与钉连接相比，金属连接件连接节点的荷载分担量较小，仅有紧邻桁架受到显著影响[18]。David等在此基础上提出一个公式，说明了高荷载区域RTWCs的连接刚度变化，引起相对位移，并且将荷载分散到邻近区域[19]。Morrison等[20]研究表明：从风荷载下钉连接RTWCs的反应可得出，荷载分担和影响函数随风荷载时间的变化而变化。

Christine等[21]研究认为，垂直荷载路径的各连接受力均来自相同的风荷载，故连接失效在统计上并不独立。他们将轻型木结构剪力墙、屋顶覆面层与屋顶-墙体的试验结果相结合，评估龙卷风风荷载下木结构垂直荷载路径下整体系统的性能。

基于前人研究成果，建议今后学者须进一步研究并且量化木结构系统中的RTWCs处的荷载分担，这对设计、加强及改善关键节点有指导意义。

2 风荷载下影响木结构RTWCs性能的影响因素

Morrison[4]等评估了加拿大安大略省沃恩市19 次龙卷风对木结构住宅建筑破坏情况，表明屋顶损坏的主要原因之一是屋顶负压增大致使RTWCs节点损坏。由于实际情况复杂，除了节点自身性能薄弱外，屋盖风荷载的大小及分布取决于多种因素，致使木结构屋盖负压增大从而影响RTWCs节点的连接，如风参数（风时、风速、风向等）、建筑形状参数（建筑外形、屋顶外形等）、周围环境参数（周围地形以及周围建筑物形状等）等因素，其中最关键的因素是风因素和建筑外形因素。

2.1 风荷载因素

风荷载具有一系列大小峰值，在峰值处往往会导致RTWCs节点的损坏[22]。David[19]等研究了在足尺的木框架斜屋顶（四坡）中，斜钉连接屋顶和墙壁对极端风荷载的响应。在风荷载下，分别测试钉连接和受损后采用抗风金属连接件的反应，得出在峰值荷载时均会导致顶墙连接节点连接性能下降，而且在达到风荷载峰值时，抗风金属连接件的受损程度比斜钉连接受损程度时要大，这是因有效风面积不同所致。

Guha等[23]研究了风暴持续时间对住宅、木框架、人字形屋顶连接故障的影响机制。以脉动风荷载作用下的顶墙连接系统建立模型，研究顶墙连接节点失效概率，并且进行验证。结果表明：对于持续时间为1～5 h的风暴，即使保持风压峰值不变的情况下，较长风暴下的结构失效概率增加15%。

2.2 木结构建筑外形

建筑结构或细节的差异会导致风速的显著变化，在空气流动过程中由于建筑物体型发生突变，进而会导致风速的变化，对建筑物造成特定程度的破坏，尤其影响屋顶的性能。例如，屋檐是最易出现最大风速的位置之一。2016 年，Navaratnam等[24]对木结构部分结构进行全尺寸试验，屋盖边缘附近的荷载对屋盖产生了较大的上拔力和位移，分析得出屋盖在屋檐处易受到上拔荷载影响[25]。Gavanski[26]重点研究了木结构RTWCs在风灾过程中易遭破坏的部位，结果表明：屋面形状以及RTWCs的承载力是影响房屋（这些主要开口房屋）失效的主要因素。Haan等[27]在假设建筑完全封闭的条件下，模拟龙卷风荷载，测得建筑屋顶静压增高。Gavanski[26]认为该结果由于墙体未设置洞口，因此不具有真实性，并且当建筑物的体积远大于建筑物本身时，静压所起的作用可以忽略不计。另外，研究证明木结构房屋屋顶破坏与墙体洞口具有高度相关性。墙体开口处风暴使得围护结构受到损坏，会导致RTWCs承受的荷载严重增加[17]。

木结构连接位置、迎风角和建筑围护结构的不同，力的分量比大小可能会有很大的不同。并且根据在风向角和负压两个条件下，得出风荷载的垂直分量会对木结构建筑造成连接损坏，另外侧向分量也是造成连接损坏的重要影响因素[26]。

3 数值模拟在木结构RTWCs节点研究中的应用

随着计算机硬件和商业数值模拟计算软件的发展与普及，利用数值模拟技术成为有效的研究手段。数值模拟技术与传统试验方法相比，可以大量节约试验材料，缩减实验经费，并且具有能够解决简单的线性分析及复杂的非线性工程问题[28-29]的优势。目前，已有大量基于数值模拟技木的结构抗风性能测试研究。

在利用数值模拟评估风荷载下木结构及其构件的性能方面，Timothy等[30]通过建立有限元模型评估轻型木结构建筑在龙卷风灾害影响下的抗风性能，将单个结构性能与整体性能联系起来，从而改进施工技术。Satheeskumar等[31]采用ABAQUS软件进行有限元分析，以确定金属连接件连接的RTWCs结构的响应和抗拔能力，研究表明：用于固定金属连接件的钉数量、位置及失效模式很大程度上决定了金属连接件的承载能力和破坏模式。

对数值模拟风荷载木结构的建模方法，学者们也进行了一系列研究。Ranjith等[32]探究了轻型木结构屋面系统中典型建模参数对荷载分布的敏感性，为后续研究提供了一种简易的易损性分析方法，研究人员无需对每个连接节点和结构进行分析建模，就可以通过受影响区域将需求力分配到连接节点。Enajar等[33]对上升风荷载作用下山墙-屋盖结构中屋-墙连接的非线性建模进行研究，详细介绍了木结构全尺寸试验的数值模拟过程，并且采用数值模型和支流面积法进行了负荷分担计算。Navaratnam等[34]进行了木结构房屋风荷载有限元建模与验证工作，对建筑以及结构荷载分担进行了研究，为后续同类木结构体系建筑的建模、结构抗风性能的评估提供了理论依据。Jing等[35]提出了新的综合数值模拟方法，研究风荷载下轻型木结构的结构响应，此种方法能够适应各种材料和结构之间的连接。比较了RTWCs不同的表示方法，并探讨了墙钉连接的建模方法。

除了数值模拟分析木结构抗风性能，Mensah等[36]使用辅助数据库设计方法预测轻型木结构风振结构行为，在1∶3 轻型框架木结构确定结构影响函数，进行试验验证并且同时记录屋顶到墙壁和墙壁到基础连接处的表面压力和结构反应。其预测结构反应与实验室测定反应一致。