(成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 四川 成都 610106)

多層輕型木結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)抗震性能之比較

雍軍

(成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院四川成都610106)

本文通過(guò)有限元分析軟件SAP2000建立建筑結(jié)構(gòu)有限元模型，通過(guò)計(jì)算分析比較多層輕型木結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)多層鋼框架結(jié)構(gòu)，得出了多層輕型木結(jié)構(gòu)整體抗震性能更優(yōu)的結(jié)論，同時(shí)對(duì)該輕型木結(jié)構(gòu)組合墻體的抗剪性能進(jìn)行了分析，根據(jù)墻體覆面板和龍骨共同承擔(dān)水平荷載的特性，建議在抗震設(shè)計(jì)中，將結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)計(jì)成兩道防線共同抵御地震作用。

多層輕型木結(jié)構(gòu)；組合墻體；抗震性能；有限元模型

一、前言

在近年來(lái)的數(shù)次地震中，地震災(zāi)區(qū)低層建筑(1～3層)受損特別嚴(yán)重，因此傳統(tǒng)的低層建筑結(jié)構(gòu)體系(主要是砌體結(jié)構(gòu)與部分框架結(jié)構(gòu))在地震高發(fā)區(qū)廣泛應(yīng)用的合理性需要做進(jìn)一步研究。近年來(lái)多層輕型木結(jié)構(gòu)在低層住宅中發(fā)展十分迅速，其結(jié)構(gòu)體系受力特點(diǎn)為由輕型木龍骨(SPF規(guī)格材)和覆面墻板形成的組合墻體共同承受水平荷載作用，因此其抵抗地震作用的力學(xué)性能比傳統(tǒng)低層建筑結(jié)構(gòu)體系更趨合理。我國(guó)絕大部分地區(qū)都有抗震設(shè)防的要求，特別是近年來(lái)全國(guó)很多地區(qū)地震頻發(fā)，因此探討該結(jié)構(gòu)體系在地震區(qū)低層建筑中的廣泛應(yīng)用及災(zāi)后重建均具有積極意義。本文通過(guò)8度地區(qū)一棟三層聯(lián)體別墅為例，用SAP2000建立結(jié)構(gòu)有限元模型，通過(guò)與傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)體系計(jì)算分析來(lái)比較兩種結(jié)構(gòu)體系的整體抗震性能的差異。

二、有限元模型

(一)鋼框架

為了使兩種結(jié)構(gòu)總質(zhì)量差別不大以便于比較，本文采用鋼框架結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面形式主要有H型、工字型、L型等，本文主要采用H型H350×350×10×16、工字型工300×200×6×8、H型H100×100×6×8(鋼材采用Q345)用于框架梁柱、屋架弦桿，樓面板、屋面板分別采用混凝土疊合板和壓型鋼板，墻體采用空心磚隔墻。該結(jié)構(gòu)體系水平和豎向荷載均由框架梁柱承受。用SAP2000建立有限元模型如圖1(a),模型中的框架梁柱、屋架弦桿用桿單元模擬，樓面板、屋面板用薄殼單元(Shell-thin)模擬。

(二)輕型木結(jié)構(gòu)

輕型木結(jié)構(gòu)受力龍骨采用SPF規(guī)格材和定向木片板(OSB板)，本文主要采用40×90、40×140、40×190等尺寸的SPF規(guī)格材用于墻體龍骨、樓蓋梁、屋架弦桿。墻體覆面板材采用9mm厚OSB板，樓面板材采用15mm厚OSB板，屋面板材采用11mm厚OSB板。該結(jié)構(gòu)體系水平荷載由墻體龍骨和墻體覆面板組成的組合墻體共同承受，豎向荷載由墻體龍骨、樓蓋梁承受，不考慮墻體覆面板承受豎向荷載。用SAP2000建立有限元模型如圖1(b)，模型中的墻體龍骨、樓蓋梁、屋架弦桿用桿單元模擬，墻體覆面板、樓面板、屋面板用薄殼單元(Shell-thin)模擬，墻體龍骨與墻體覆面板間采用邊束縛，不考慮單元之間滑移。

圖1 有限元模型

三、抗震性能分析

(一)樓層內(nèi)力分析

本案例計(jì)算在常遇地震作用下結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)力及水平位移，抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，水平地震影響系數(shù)最大值αmax為0.16，場(chǎng)地類別二類，設(shè)計(jì)地震分組第三組，特征周期Tg為0.45s，地震作用方向?yàn)閄向。表1為兩種模型樓層內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，由表中數(shù)據(jù)知，在X向地震作用下，兩種結(jié)構(gòu)在X向產(chǎn)生的剪力Fx、彎矩My相差較小，而繞Z向產(chǎn)生的整體扭矩Mz輕型木結(jié)構(gòu)明顯小于鋼框架結(jié)構(gòu)，顯示出其較好的結(jié)構(gòu)整體抗扭力學(xué)性能。

表1 樓層內(nèi)力比較

(二)樓層位移及層間位移分析

表2為采用反應(yīng)譜法兩種模型樓層位移及層間位移計(jì)算結(jié)果。可知輕型木結(jié)構(gòu)樓層位移顯著小于鋼框架結(jié)構(gòu)，前者樓層層間位移也遠(yuǎn)小于后者且前者樓層層間位移變化幅度小于后者，因此輕型木結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)于鋼框架結(jié)構(gòu)。由有限元模型計(jì)算分析可知，墻體覆面板(OSB板)的蒙皮效應(yīng)顯著提高了結(jié)構(gòu)體系的整體抗震性能。

表2 樓層水平位移(mm)

(三)輕型木結(jié)構(gòu)樓層剪力分配

輕型木結(jié)構(gòu)水平地震作用由墻體龍骨和覆面板共同承擔(dān)，表3為A軸線墻體龍骨和覆面(OSB板)剪力分配情況?？芍?，墻體覆面板(OSB板)承擔(dān)了絕大部分的剪力，占90%以上，墻體龍骨承擔(dān)很小的剪力。

表3 A軸線剪力分配(KN)

三、結(jié)語(yǔ)與展望

(1)地震區(qū)低層住宅輕型木結(jié)構(gòu)因?yàn)閴w覆面板和龍骨共同承擔(dān)地震剪力且墻體覆面板的蒙皮效應(yīng)能夠得到有效發(fā)揮，所以該類型建筑結(jié)構(gòu)整體抗震性能要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)低層鋼框架結(jié)構(gòu)以及混凝土框架結(jié)構(gòu)，更優(yōu)于磚砌體結(jié)構(gòu)。

(2)墻體覆面板因?yàn)槌袚?dān)大部分地震剪力，所以其力學(xué)性能對(duì)整體結(jié)構(gòu)體系而言就顯得十分重要。在設(shè)計(jì)中可以根據(jù)地震設(shè)防烈度大小、地震剪力大小合理選擇OSB板、帶肋鋼板、石膏板等作為覆面板材料。類似高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)，罕遇地震作用下應(yīng)把墻體覆面板設(shè)計(jì)成抵御地震作用的第一道防線，當(dāng)覆面板開(kāi)裂面內(nèi)剛度降低后墻體龍骨所受剪力將顯著增加，故可將墻體龍骨設(shè)計(jì)成抵御地震作用的第二道防線，調(diào)整龍骨剪力設(shè)計(jì)值使之大于其計(jì)算值。

[1]多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T51226-2017)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2017.

[2]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011-2010)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]曹芳，董龍彬，祁香文.輕型木結(jié)構(gòu)在震后房屋重建工程中的應(yīng)用探究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，2：109-111

[4]李碩，何敏娟.輕型木樓蓋抗水平力研究進(jìn)展[J].結(jié)構(gòu)工程師，2010，6：176-180

[5]陸偉東，鄧大利，居興鵬等.中國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑分布及其震害[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，8：464-469

雍軍(1977-)，男，從事建筑結(jié)構(gòu)抗震工作，成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院。