周愛(ài)萍，黃東升

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

我國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)民宅建造亟需解決2個(gè)基本問(wèn)題:一是房屋建造缺乏技術(shù)支持，結(jié)構(gòu)安全性得不到保障［1］;二是黏土磚和混凝土建造房屋造成大量礦物資源與能源的消耗、環(huán)境污染.采用木結(jié)構(gòu)建筑既可以實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民住宅的標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化建造，又能夠?qū)崿F(xiàn)建筑材料的無(wú)污染、低能耗生產(chǎn)以及原材料資源的可再生利用.由于我國(guó)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑采用原木材料，梁柱為榫卯連接，此構(gòu)造嚴(yán)重削弱了木構(gòu)件的牢固性，該節(jié)點(diǎn)通過(guò)摩擦力傳遞荷載，因而連接強(qiáng)度低，延性差，木材利用率低［2－3］.北美輕型木結(jié)構(gòu)采用密排龍骨加高強(qiáng)面板的墻承載體系［4－10］，消耗木材多，造價(jià)高，不適合我國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)民宅建設(shè).

針對(duì)上述問(wèn)題，作者設(shè)計(jì)了具有恰當(dāng)剛度與較大延性的木框架結(jié)構(gòu)專用消能節(jié)點(diǎn)(發(fā)明專利號(hào):ZL 200810242536.9)，使木梁、柱連接成具有抗側(cè)剛度的框架體系，梁、柱均為規(guī)格木材組合而成，該成果分別在廣東省清遠(yuǎn)市、青海省玉樹(shù)州建造的兩層木結(jié)構(gòu)示范民宅中得到成功應(yīng)用，并同時(shí)做了與示范工程完全相同的3個(gè)足尺節(jié)點(diǎn)擬靜力低周反復(fù)荷載試驗(yàn).

本研究通過(guò)對(duì)其中一幢示范工程民宅在基本荷載組合作用下的承載力和剛度的驗(yàn)算，同時(shí)對(duì)罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性進(jìn)行分析，研究帶消能節(jié)點(diǎn)的木框架結(jié)構(gòu)的抗震性能.

1 消能節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造試驗(yàn)與結(jié)果

圖1為節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及其與梁柱連接、節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)加載示意圖.為使木框架節(jié)點(diǎn)具有足夠的抗側(cè)剛度、延性和耗能能力，作者設(shè)計(jì)了用Q235鋼制成的木框架專用消能節(jié)點(diǎn)，如圖1a所示;柱套內(nèi)的橫隔板用以承受柱的軸向力，如圖1b所示;節(jié)點(diǎn)與梁柱的連接構(gòu)造見(jiàn)圖1c，柱套將框架的上、下柱連接成整體，確保柱在節(jié)點(diǎn)處的可靠連接，梁連接鋼板由上下2片鋼板與柱套連接，梁從側(cè)面放入節(jié)點(diǎn)內(nèi)，用U形卡與節(jié)點(diǎn)緊固.

圖1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及其與梁柱連接、節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)加載示意圖

該構(gòu)造具有如下優(yōu)點(diǎn):節(jié)點(diǎn)將木梁、柱連接成具有抗側(cè)剛度的框架結(jié)構(gòu)體系，木梁與柱套間需要有5～10 mm空隙，安裝容差能力強(qiáng)，且不需要墻體承載，節(jié)省材料，降低造價(jià);強(qiáng)震作用下，可通過(guò)節(jié)點(diǎn)鋼材彈塑性變形消耗能量，避免木材脆性破壞，提高結(jié)構(gòu)的延性與安全性;可在工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝，避免鎮(zhèn)(鄉(xiāng))村居民自建住宅無(wú)技術(shù)支持、無(wú)抗震設(shè)防的情況.通過(guò)3個(gè)足尺擬靜力節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，其變形主要集中在節(jié)點(diǎn)上，鋼板達(dá)到屈服強(qiáng)度;消能節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)達(dá)到5左右，等效阻尼比分別達(dá)19.7%，22.3%(因第1個(gè)試驗(yàn)不理想，數(shù)據(jù)采用其余2個(gè)試驗(yàn))，可見(jiàn)節(jié)點(diǎn)有良好的耗能能力與延性.圖2為分別有、無(wú)消能節(jié)點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)頂層的加速度響應(yīng).由圖2可知，消能節(jié)點(diǎn)能顯著減小結(jié)構(gòu)加速度度響應(yīng).

圖2 頂層加速度響應(yīng)

2 示范建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

課題組在廣東省清遠(yuǎn)市與青海省玉樹(shù)州分別設(shè)計(jì)建造了2幢具有上述節(jié)點(diǎn)的裝配式木框架結(jié)構(gòu)示范工程民宅.圖3為清遠(yuǎn)市A幢示范工程住宅的底層平面圖，建筑功能上滿足五口之家兩代人居住，采用2層獨(dú)立式建筑，建筑面積為170 m2.圖4為該建筑的結(jié)構(gòu)布置圖.圖5為柱與梁的截面圖.

圖3 示范民宅建筑底層平面圖

圖4 示范民宅結(jié)構(gòu)布置圖

圖5 柱與梁組合截面圖

木梁、木柱為該結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，由38 mm×184 mm、38 mm×140 mm的規(guī)格木材通過(guò)釘連接，工廠預(yù)制.在樓面主次梁間布置間距為600 mm的木擱柵，其上鋪設(shè)15 mm厚的OSB結(jié)構(gòu)板材;在屋面主次梁中布置木檁條，其上鋪設(shè)12 mm厚的OSB結(jié)構(gòu)板材，在OSB板上鋪設(shè)防水卷材、瀝青瓦做好屋面防水工程;在外墻木柱間布置間距1000 mm的木龍骨，外側(cè)覆9 mm厚的OSB結(jié)構(gòu)板材，內(nèi)側(cè)覆12 mm厚的石膏板，達(dá)到防火目的，外墻只作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可以用秸稈板等生物質(zhì)材料取代OSB板，墻中填充保溫棉，達(dá)到保溫隔音效果.基礎(chǔ)采用混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，并采取了防白蟻、防潮、防腐等措施［9－10］.

3 結(jié)構(gòu)的靜力分析

3.1 構(gòu)件驗(yàn)算

3.1.1 材料

木構(gòu)件采用加拿大進(jìn)口SPF規(guī)格木材，板材均為進(jìn)口OSB結(jié)構(gòu)板材.根據(jù)GB50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.1，4.2.2條，采用表4.2.1－1中針葉樹(shù)種木材適用的強(qiáng)度等級(jí)，選擇強(qiáng)度等級(jí)TC15B.根據(jù)GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)，鋼材選用Q235，焊接均采用角焊縫，金屬件表面要求進(jìn)行防銹處理.

3.1.2 梁柱驗(yàn)算

該工程采用通用有限元分析程序SAP2000進(jìn)行模型和內(nèi)力計(jì)算，確定構(gòu)件截面.根據(jù)SAP2000的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，按照規(guī)范的要求進(jìn)行截面驗(yàn)算.主梁與柱均為兩端固接的桿系構(gòu)件，次梁、格柵構(gòu)件采用釘連接，均為兩端鉸接的桿系構(gòu)件.根據(jù)GB50005—2003第5.2條驗(yàn)算梁柱，表1給出了各種規(guī)格梁抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值.結(jié)構(gòu)分析表明:所有框架梁的最大彎矩和剪力設(shè)計(jì)值均小于表1給出的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，即框架梁的抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度滿足要求.按照GB50005—2003第5.2條逐個(gè)驗(yàn)算底層柱的承載能力.

表1 A幢建筑梁截面承載力驗(yàn)算

3.2 頻遇地震作用驗(yàn)算

地震作用分析采用SAP2000，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1 g，水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.12，基本風(fēng)壓 ω0=0.55 kN·m－2，特征周期 0.45 s，抗震設(shè)防類別為丙類建筑.樓面與屋面恒載分別取1.0 kN·m－2，活荷載分別取 2.0，1.5 kN·m－2.順紋彈性模量EL=10.0×106kN·m－2，橫紋彈性模ET=0.1EL，橫紋剪切模量 GLR=0.075EL，泊松比 υ=0.25.重力荷載代表值Geq取恒載加上0.5活載.模態(tài)分析采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行，按GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算了此情況下的地震影響系數(shù)曲線，輸入x和y方向的地震加速度，振型組合采用CQC法，方向組合采用SRSS法.通過(guò)計(jì)算可知:前 3 階的周期 T1=0.772 s，T2=0.749 s，T3=0.559 s;前3階振型的x和y方向累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)分別為98%，98%和99%;第1，2階振型為沿水平方向的振動(dòng)，第3階振型為整體的扭轉(zhuǎn)變形.

4 罕遇地震作用下的彈塑性分析

4.1 塑性鉸

試驗(yàn)證明:上述帶消能節(jié)點(diǎn)木框架的彈塑性變形主要集中在節(jié)點(diǎn)上，表明可以在節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置塑性鉸來(lái)模擬結(jié)構(gòu)的彈塑性變形.由于梁的軸力很小，故忽略不計(jì)，采用彎矩－轉(zhuǎn)角塑性鉸來(lái)模擬節(jié)點(diǎn)的非線性轉(zhuǎn)動(dòng)，塑性鉸的彎矩－轉(zhuǎn)角曲線如圖6所示.圖6中，Me，My分別表示塑性鉸的比例極限彎矩和屈服彎矩，θe，θy和θu分別為塑性鉸的比例轉(zhuǎn)角、屈服轉(zhuǎn)角和破壞極限轉(zhuǎn)角.根據(jù)節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果確定塑性鉸的參數(shù)(見(jiàn)表2).

表2 塑性鉸參數(shù)

圖6 塑性鉸的彎矩－轉(zhuǎn)角曲線

4.2 彈塑性分析

用SAP2000建模計(jì)算，以ELCRENTRO波作為地面運(yùn)動(dòng)輸入，輸入峰值加速度為220 cm·s－2，時(shí)間步長(zhǎng)為0.02 s，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)10 s，結(jié)構(gòu)阻尼比取5%.圖7為結(jié)構(gòu)的塑性鉸圖.表3為x和y方向的樓層最大位移.結(jié)果表明:罕遇地震作用下，樓層的側(cè)移基本上集中在底層，x和y方向的最大彈塑性側(cè)向位移角分別達(dá)到1/52和1/82，而二層以上的最大彈塑性側(cè)向位移角很小.由圖7、表3可看出，罕遇地震作用下，節(jié)點(diǎn)都進(jìn)入了彈塑性工作階段，結(jié)構(gòu)的最大彈塑性角位移小于1/50，滿足 GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.5條的要求.

圖7 結(jié)構(gòu)上的塑性鉸

表3 x和y方向的樓層最大位移

5 結(jié)論

1)提出了一種帶軟鋼消能節(jié)點(diǎn)的木框架結(jié)構(gòu)體系，消能節(jié)點(diǎn)將木組合梁、木組合柱連接成具有抗側(cè)剛度的框架結(jié)構(gòu).與我國(guó)傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)體系相比，帶消能節(jié)點(diǎn)的木框架結(jié)構(gòu)不需要榫卯連接，連接不削弱木構(gòu)件，因而具有更高的承載力與延性;和北美輕型木結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)體系不需要密排木龍骨加高強(qiáng)度面板的剪力墻提供抗側(cè)剛度.結(jié)構(gòu)布置靈活且造價(jià)低，可工廠預(yù)制、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，安裝容差性強(qiáng)，技術(shù)要求低，適合在我國(guó)廣大村鎮(zhèn)民居中推廣應(yīng)用.

2)示范工程民宅的結(jié)構(gòu)分析與節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)表明:消能節(jié)點(diǎn)有良好的延性與耗能能力，能顯著減小結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng);考慮頻遇地震作用參與的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用時(shí)，結(jié)構(gòu)的水平向變形、梁的豎向變形，均可以滿足GB50011—2010的相關(guān)要求.罕遇地震作用下，框架梁上都出現(xiàn)了塑性鉸，結(jié)構(gòu)的最大彈塑性角位移小于1/50，滿足我國(guó)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.5條的要求，表明帶消能減震節(jié)點(diǎn)的木框架結(jié)構(gòu)，能達(dá)到我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范所要求的抗震設(shè)防性能目標(biāo).

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