李源河 徐偉濤 李 超 宋 怡 姚利宏

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，呼和浩特 010018；2.國(guó)家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100010）

臺(tái)風(fēng)是一種熱帶氣旋，氣象學(xué)上將熱帶洋面上逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)（赤道以南為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)），中心附近最大風(fēng)速達(dá)到6級(jí)（10.8 m/s）或以上的大氣渦旋，統(tǒng)稱為熱帶氣旋（Tropical cyclones）[1]。氣象學(xué)規(guī)定，中心風(fēng)力在12～13級(jí)（即32.7～41.4 m/s）的熱帶氣旋稱為臺(tái)風(fēng)；中心風(fēng)力在14～15級(jí)（41.5～50.9 m/s）的稱為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)；中心風(fēng)力≥16級(jí)（≥51.0 m/s）的稱為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。我國(guó)是受臺(tái)風(fēng)影響最大的國(guó)家之一，嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害主要集中在7～9月，我國(guó)東南沿海地區(qū)及內(nèi)陸地區(qū)每年因臺(tái)風(fēng)遭受重大損失。近年隨著經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展及國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，輕型木結(jié)構(gòu)作為必不可少的建筑結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)需求增長(zhǎng),并且潛力巨大的發(fā)展態(tài)勢(shì)。輕型木結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最易于在臺(tái)風(fēng)中發(fā)生風(fēng)致?lián)p壞，因此對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)作用下的破壞與損失進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，對(duì)于提高木結(jié)構(gòu)建筑抗風(fēng)質(zhì)量、防風(fēng)減災(zāi)等具有重要意義。本文以輕型木結(jié)構(gòu)建筑臺(tái)風(fēng)荷載響應(yīng)為切入點(diǎn)，從理論到方法、驗(yàn)證、分析對(duì)國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的相關(guān)研究進(jìn)行介紹。

1 臺(tái)風(fēng)對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑作用的分析與計(jì)算

輕型木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，荷載路徑是需重點(diǎn)考慮的因素，不適當(dāng)?shù)暮奢d路徑是導(dǎo)致風(fēng)振破壞的主要原因之一[2]。Shanmugam等[3]用極限抗拔能力、初始剛度和峰值荷載下的垂直位移三個(gè)連接參數(shù)分析輕型木結(jié)構(gòu)的荷載響應(yīng)。宋芳芳[4]通過(guò)對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)后調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料和結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象特點(diǎn)的分析總結(jié)，將臺(tái)風(fēng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用分為直接作用在結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的風(fēng)壓力和間接作用產(chǎn)生的風(fēng)致殘骸導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)的損傷。準(zhǔn)確計(jì)算臺(tái)風(fēng)作用下的荷載和結(jié)構(gòu)所受沖擊力是預(yù)測(cè)和評(píng)估木結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)中破壞程度的必要條件。臺(tái)風(fēng)作用下的荷載路徑和結(jié)構(gòu)行為非常復(fù)雜，因此必須經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化才能應(yīng)用于工程，簡(jiǎn)化的要素必須最大程度地反映臺(tái)風(fēng)荷載特性。Datin等[5]介紹了以數(shù)據(jù)庫(kù)輔助設(shè)計(jì)(DAD：database-assisted design)的方法分析結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)荷載作用，但該方法要求了解所研究結(jié)構(gòu)中特定響應(yīng)的影響系數(shù)，這些系數(shù)需從風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模型中獲得。宋芳芳根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷原因?qū)⑴_(tái)風(fēng)的作用簡(jiǎn)化為三個(gè)方面： 1）臺(tái)風(fēng)作用于結(jié)構(gòu)外表面的外風(fēng)壓； 2）結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)破損之后內(nèi)部顯著增大的內(nèi)壓； 3）風(fēng)致殘骸導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的因素[4]。

1.1 臺(tái)風(fēng)致外風(fēng)壓

木結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)需先計(jì)算結(jié)構(gòu)外表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及基本風(fēng)壓。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中關(guān)于垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定，主要受力結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算采用公式（1）[6]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算采用公式（2）[6]。

式中：ωk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；

βz——高度Z處的風(fēng)振系數(shù)；

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

ωo——基本風(fēng)壓，kN/m2。

式中：βgz——高度Z處的陣風(fēng)系數(shù)；

μsl——風(fēng)荷載局部體型系數(shù)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算，以使結(jié)構(gòu)在使用期限內(nèi)滿足預(yù)定功能的風(fēng)荷載要求；對(duì)臺(tái)風(fēng)致結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)則是為了計(jì)算實(shí)際的風(fēng)荷載，從而得到結(jié)構(gòu)真實(shí)響應(yīng)，二者計(jì)算的目的有本質(zhì)不同。宋芳芳據(jù)此將臺(tái)風(fēng)作用下外風(fēng)壓的計(jì)算方法調(diào)整為公式（3）和（4）[4]。

式中：ωE——外風(fēng)壓,kN/m2；

CPE——外風(fēng)壓壓力系數(shù)；

ρ——空氣密度,kN/m3；

ν——結(jié)構(gòu)屋面平均高度處的峰值陣風(fēng)風(fēng)速,m/s；

——10 min平均風(fēng)速,m/s；

γgust——峰值陣風(fēng)風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速之間的陣風(fēng)因子。

1.2 臺(tái)風(fēng)致內(nèi)壓

據(jù)國(guó)內(nèi)外臺(tái)風(fēng)災(zāi)后調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，結(jié)構(gòu)表面破損后風(fēng)致內(nèi)壓和外風(fēng)壓是導(dǎo)致屋蓋、墻體或結(jié)構(gòu)整體性倒塌的主要原因。宋芳芳對(duì)于臺(tái)風(fēng)流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)階段時(shí)，洞口分布位置、數(shù)量變化、風(fēng)向角等因素對(duì)內(nèi)壓分布的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。利用軟件Gambit建立幾何模型并進(jìn)行近80萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格劃分，再將與原模型相似的邊界條件以及計(jì)算需要的各種參數(shù)輸入Fluent軟件，進(jìn)行2 000次循環(huán)迭代的數(shù)值模擬方法，對(duì)模型進(jìn)行了單一主洞口、多洞口和不同風(fēng)向角工況數(shù)值模擬，認(rèn)為內(nèi)壓在結(jié)構(gòu)內(nèi)部各表面近似均勻分布，最終得出風(fēng)致內(nèi)壓的簡(jiǎn)化計(jì)算公式（5）[4]。

式中：CPI——風(fēng)致內(nèi)壓系數(shù)；

CPE——洞口處外風(fēng)壓系數(shù)；

n——結(jié)構(gòu)外表面洞口數(shù)量。

1.3 臺(tái)風(fēng)致殘骸作用

臺(tái)風(fēng)中飛行的殘骸穿透圍護(hù)結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致內(nèi)壓瞬間增大，然后使屋面、側(cè)墻和背風(fēng)墻面等負(fù)風(fēng)壓區(qū)風(fēng)壓增倍，進(jìn)而使圍護(hù)構(gòu)件繼續(xù)失效產(chǎn)生更多殘骸而形成破壞連鎖反應(yīng)。對(duì)風(fēng)致殘骸致使圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的研究主要為臺(tái)風(fēng)致殘骸危險(xiǎn)性分析、殘骸運(yùn)動(dòng)軌跡分析和圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖擊承載力分析。

2 輕型木結(jié)構(gòu)臺(tái)風(fēng)致荷載響應(yīng)研究

在美國(guó)，高層建筑的風(fēng)場(chǎng)分析和設(shè)計(jì)往往是通過(guò)大量的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究實(shí)現(xiàn)，相對(duì)而言，對(duì)低層建筑在風(fēng)場(chǎng)作用下的性能研究相對(duì)滯后[7]。由于經(jīng)濟(jì)原因，很少有關(guān)于低層木結(jié)構(gòu)建筑的詳細(xì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，而且不同屋頂形狀、屋頂類型和屋頂坡度都會(huì)影響空氣湍流的分離、再附著和湍流的形成，因此對(duì)不同類型輕型木結(jié)構(gòu)建筑風(fēng)致荷載響應(yīng)的預(yù)測(cè)結(jié)果存在很大差異。復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)相互作用和時(shí)間、空間上的風(fēng)荷載顯著差異性，使得建立低層建筑實(shí)際的風(fēng)致荷載響應(yīng)預(yù)測(cè)具有很大的挑戰(zhàn)性。

研究輕型木結(jié)構(gòu)臺(tái)風(fēng)致荷載響應(yīng)的一般方法是：首先建立一定比例尺寸模型（最好是全尺寸模型），并在風(fēng)墻實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，加載內(nèi)壓和外壓時(shí)空變化的時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，獲得物理模型在不同風(fēng)速和風(fēng)向角下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；然后建立三維有限元數(shù)值模型，加載與物理實(shí)驗(yàn)相同的內(nèi)壓和外壓時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，以獲取結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的響應(yīng)預(yù)測(cè)；比較風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證數(shù)值模型，驗(yàn)證后的數(shù)值模型框架隨后被用于分析各種建模技術(shù)的影響(圖1)。

圖1 研究輕型木結(jié)構(gòu)臺(tái)風(fēng)致荷載響應(yīng)的一般方法Fig.1 The general method of typhoon-induced load response of light timber buildings

2.1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可追溯到Case等[8]在邊界風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室(BLWTL)中對(duì)1/100的木結(jié)構(gòu)建筑模型進(jìn)行不同風(fēng)向角外壓下木結(jié)構(gòu)所承受的局部壓力和結(jié)構(gòu)荷載的比較實(shí)驗(yàn)。Parackal等[9]對(duì)選定的1/50比例的一層和二層木結(jié)構(gòu)住宅做了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)頂板上的峰值負(fù)壓出現(xiàn)在頂板邊緣和脊線處，主要是由流動(dòng)分離或渦形成所致，并發(fā)現(xiàn)房屋多個(gè)迎風(fēng)方向產(chǎn)生了高壓住力（hold-down forces）。Satheeskumar等[10]做了全尺寸的木結(jié)構(gòu)荷載實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)木結(jié)構(gòu)建筑的屋頂與墻體的垂直荷載分擔(dān)取決于連接處的剛度和桁架的位置。Jing等[11]為了驗(yàn)證低層木結(jié)構(gòu)建筑數(shù)字建模方法，探索其在超強(qiáng)風(fēng)事件中的失效模式和漸進(jìn)破壞，按照實(shí)際建筑1/4的比例構(gòu)建模型，在風(fēng)墻實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了模型中圍護(hù)結(jié)構(gòu)、框架構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的風(fēng)致荷載響應(yīng)。

有名的佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)風(fēng)墻實(shí)驗(yàn)，其設(shè)備(圖2)產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)寬6 m，高4.3 m，可滿足小型建筑的大尺寸或全尺寸模型的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試。測(cè)試選用的低層輕型木結(jié)構(gòu)建筑為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NIST）空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)通用模型，該模型平面為矩形，按照實(shí)際建筑1/4的比例建構(gòu)后，平面長(zhǎng)3.57 m，寬2.29 m，雙坡屋頂?shù)钠露葹?4°，屋檐高度按比例縮至0.91 m。模型長(zhǎng)邊側(cè)面一個(gè)0.3 m×0.525 m的門用以模擬開口破裂時(shí)洞口的狀況，以評(píng)估風(fēng)致內(nèi)壓的影響。云杉（spruce）和冷杉（fir）2#木材分別被用于墻骨柱（wallstud）和屋頂桁架（rooftruss）構(gòu)件，11mm厚定向結(jié)構(gòu)刨花板（OSB）被用作墻體和屋頂覆層材料，模型框架之間、框架與覆層的連接均采用釘子、颶風(fēng)連接帶（hurricanetie）等金屬構(gòu)件(圖3)。

圖2 佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)的風(fēng)墻實(shí)驗(yàn)設(shè)備[11]Fig.2 Wall of Wind (WOW) facility side at Florida International University (FIU)

圖3 佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)風(fēng)墻實(shí)驗(yàn)物理模型[11]Fig.3 Building model used in WOW experiment at FIU

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸舶惭b了352個(gè)外壓旋塞和4個(gè)內(nèi)壓旋塞用于測(cè)量空氣動(dòng)力壓力的時(shí)程變化。分別用安裝于與結(jié)構(gòu)表面剛性連接的木材之上的線性位移傳感器（LVDTs）和拉繩位移傳感器（CelescoSP-2stringpots）測(cè)量屋頂覆層的位移和所有室內(nèi)框架屋頂與墻體連接處（RTWCs）的向上位移。風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)由直徑6.35 mm的聚氨酯壓力管和型號(hào)為DSA4000，ZOC 33 Scanivalve的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在520 Hz采樣率基礎(chǔ)上采集，之后通過(guò)實(shí)驗(yàn)預(yù)估的壓力管系統(tǒng)的傳遞函數(shù)對(duì)壓力管引起的畸變效應(yīng)進(jìn)行修正，并以100 Hz的頻率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波。實(shí)驗(yàn)獨(dú)創(chuàng)性地測(cè)試了風(fēng)致內(nèi)壓和風(fēng)致外壓下覆層撓度和屋頂與墻體連接部分（RTWCs）撓度的數(shù)值變化，具有重要的參考價(jià)值，為數(shù)值模型可以容納多種材料和結(jié)構(gòu)連接的力學(xué)荷載變形特性提供了可參考的物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且其實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備選用對(duì)于研究臺(tái)風(fēng)致木結(jié)構(gòu)荷載響應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有借鑒和參考意義。

2.2 輕型木結(jié)構(gòu)建筑風(fēng)致效應(yīng)數(shù)值模型

輕型木結(jié)構(gòu)中木框架剪力墻是主要受力構(gòu)件，一般由墻骨柱、頂梁板和底梁板、門窗洞口上的過(guò)梁以及覆面板通過(guò)釘連接而成，其側(cè)向力主要由覆面板承受，然后通過(guò)釘子傳遞至木框架[12]。利用ANSYS有限元建模軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)建筑進(jìn)行數(shù)值建模，結(jié)構(gòu)的每個(gè)構(gòu)件都可以直接由ANSYS的內(nèi)置單元表示。風(fēng)荷載作用于結(jié)構(gòu)表面由渦流結(jié)構(gòu)與建筑幾何形狀之間的相互作用決定，并且風(fēng)荷載傳遞的荷載路徑是由結(jié)構(gòu)構(gòu)造通過(guò)個(gè)體構(gòu)件的相對(duì)剛度和位置來(lái)控制的。

Martin[13]、Pfretzschner等[14]對(duì)模型進(jìn)行了如下三個(gè)級(jí)別的對(duì)比響應(yīng)驗(yàn)證：1）二維單體桁架的撓度及三維桁架構(gòu)件的荷載和撓度分擔(dān)；2）二維剪力墻內(nèi)平面墻體系統(tǒng)剛度與釘距的相互關(guān)系；3）三維完整建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的影響功能。為了在數(shù)值模型中不構(gòu)建覆板釘?shù)哪Ｐ鸵詼p少計(jì)算量，但同時(shí)又能確保數(shù)值模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到覆板釘在實(shí)際風(fēng)荷載下對(duì)結(jié)構(gòu)荷載路徑的影響，他們采用了兩種建模技巧：1）假設(shè)覆層的連續(xù)性；2）調(diào)整覆層的剪切模量使覆板釘?shù)挠绊懕挥?jì)算在墻體和屋頂內(nèi)部。然而，模型的預(yù)測(cè)能力僅局限于橫向和豎向荷載路徑的彈性范圍內(nèi)，并且不能捕捉風(fēng)荷載情況下內(nèi)部組件連接處等關(guān)鍵部位的力學(xué)行為。Asiz等[15]的模型通過(guò)非線性鏈接元素可以反映所有構(gòu)件間連接處連接件的受力情況，包括地基上的地腳螺栓，覆層與框架連接的釘子，以及屋頂桁架與墻體連接處經(jīng)過(guò)特殊處理的框架與框架連接的釘子。Pan等[16]將幾何非線性納入了建模分析中，并嘗試使用屋頂?shù)囊黄舶鍡l識(shí)別7種失效模式來(lái)模擬漸進(jìn)失效問題。失效模式包含覆層與桁架連接（STTCs）的拔出、拉穿和荷載滑移3種模式；并提出軸向應(yīng)力、剪切力、彎曲應(yīng)力和位移閾值4種覆層受力模式。

Zisis等[17]使用大量全尺寸實(shí)驗(yàn)設(shè)施和其他特殊的設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)整個(gè)輕型木結(jié)構(gòu)建筑在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)態(tài)影響進(jìn)行研究。利用安裝于框架、屋頂和基礎(chǔ)上的測(cè)力元件，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)衰減(structural attenuation)這一現(xiàn)象，并將此納入加拿大國(guó)家建筑規(guī)范。Jacklin等[18]建模時(shí)將屋頂結(jié)構(gòu)與頂板相連，假設(shè)RTWCs下的墻體對(duì)變形的影響可忽略不計(jì)，并推論墻體構(gòu)件在施加巨大荷載情況下幾乎不會(huì)發(fā)生軸向變形。 He等[19]回顧和討論了以上所有低層木結(jié)構(gòu)建筑風(fēng)荷載數(shù)值模型的不足，提出關(guān)于每個(gè)組件的有限元建模方法。謝文博等[20]研究了木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與建筑舒適度耦合性能，對(duì)其進(jìn)行有限元振動(dòng)模型計(jì)算、模態(tài)試驗(yàn)及振型和舒適度分析，得出樓蓋結(jié)構(gòu)的基頻模擬值與測(cè)試值相對(duì)誤差為4.852%。Jing等提供了一種數(shù)值模型的建模方法，可以幫助確定低層輕型木結(jié)構(gòu)建筑在風(fēng)荷載作用下貫穿線性到非線性范圍的實(shí)際荷載路徑和荷載分擔(dān)。綜上所述，低層輕型木結(jié)構(gòu)建筑風(fēng)性能數(shù)值模型所面臨的挑戰(zhàn)是，既要保持非線性模型的高分辨率，又要在整個(gè)建筑尺寸內(nèi)施加動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載，并且缺乏基于大尺寸或者全尺寸實(shí)際模型在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試結(jié)果與對(duì)數(shù)值模型整個(gè)失效過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 數(shù)值模型的加載及驗(yàn)證

2.3.1 數(shù)值模型的加載

數(shù)值模型的加載基于等效面積原則。物理模型中如果采用高密度的測(cè)壓孔可以獲得理想的加載分辨率，即有限元模型的加載網(wǎng)格直接由物理模型的測(cè)壓孔數(shù)量決定。通常有兩種典型的風(fēng)荷載分布，即各風(fēng)荷載工況的時(shí)間均值和吹向建筑結(jié)構(gòu)屋頂?shù)钠胀L(fēng)向角下的時(shí)程荷載，如90°。Qin等[21]介紹了數(shù)值模型風(fēng)吸力負(fù)載(wind up lift load)加載的計(jì)算公式，詳細(xì)介紹了耿貝爾分布(Gumbel distribution)在求解外風(fēng)壓系數(shù)上的應(yīng)用和有無(wú)開口兩種情況下的內(nèi)風(fēng)壓系數(shù)加載計(jì)算公式。Guha等[22]研究了加載時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間從1 h增加到5 h時(shí)，結(jié)構(gòu)的失效增加了15%。Henderson等[23]對(duì)全尺寸的屋頂進(jìn)行加載波動(dòng)變化的風(fēng)壓實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：屋頂-墻體對(duì)于相對(duì)較小的拔出力，即連接可以恢復(fù)到原來(lái)的位置時(shí)，影響結(jié)構(gòu)恢復(fù)變形的系數(shù)只在峰值期間改變；對(duì)于較大的、永久性拔出，影響系數(shù)為永久性改變。

2.3.2 驗(yàn)證

Jing等的驗(yàn)證方法分為兩步：首先進(jìn)行物理模型和數(shù)值模型的平均時(shí)間響應(yīng)比較，利用線性位移傳感器測(cè)量的屋頂覆層位移值，與拉繩位移傳感器測(cè)量的所有室內(nèi)框架屋頂與墻體連接處向上位移值作為真實(shí)的結(jié)構(gòu)行為，并與數(shù)值模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較。然后，進(jìn)行物理模型和數(shù)值模型的時(shí)間歷程中的驗(yàn)證比較(validation in time-history domain)，比較測(cè)量值和預(yù)測(cè)值在不同時(shí)間點(diǎn)下覆層撓度值的差異，分析撓度最大值和最小值以及波動(dòng)樣式的差異。Stevenson等[24]指出，對(duì)木材結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確分析就必須考慮木材的各向異性特性、連接件的復(fù)雜行為和許多可能發(fā)生的破壞模式。研究采用力包絡(luò)法(Verification of force envelope method)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，在不同類型的建筑中使用一致的方法比較獲得每個(gè)單元上可能的最大負(fù)載影響，根據(jù)相對(duì)的線性需求容量比(demand-to-capacity ratios)來(lái)確定可能失效的單元，以確定所有脆弱單元來(lái)揭示之前未考慮過(guò)的關(guān)鍵條件。Maloney等[25]的有限元模型驗(yàn)證范圍從單個(gè)組件擴(kuò)展到整個(gè)建筑物以增加驗(yàn)證的準(zhǔn)確性，對(duì)建筑整體的驗(yàn)證采用有限元模型進(jìn)行靜力側(cè)向推覆分析和從有限元模型中提取特征值兩種方法。

2.4 建模方法對(duì)結(jié)構(gòu)行為的影響分析

輕型木結(jié)構(gòu)建筑有限元建模方法對(duì)結(jié)構(gòu)行為的影響分析主要分為三方面：1）框架連接建模對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)荷載分擔(dān)的影響。Jing等人為了區(qū)分RTWC建模方法之間的區(qū)別，對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的馮米塞斯應(yīng)力分布(the Von Mises stress distribution)的7種案例在同一風(fēng)況下進(jìn)行比較，旨在涵蓋所有RTWC建模的可能方式，這些建模方式根據(jù)自由度（DOF）的處理進(jìn)行分類。2）屋頂覆層緊固能力對(duì)覆層失效的影響。釘在木結(jié)構(gòu)中主要用于傳遞剪力、抵抗拔力，在長(zhǎng)期載荷作用下連接節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生多種形式的破壞。Dao等[26]通過(guò)對(duì)比一個(gè)軸向釘模型和軸向彎曲釘在每個(gè)釘連接處的覆層位移來(lái)確定不同釘模型的效果。輕型木結(jié)構(gòu)建筑在低風(fēng)速情況下不考慮覆板釘?shù)男D(zhuǎn)能力會(huì)高估覆板的反應(yīng)，在高風(fēng)速事件例如發(fā)生臺(tái)風(fēng)，覆板釘?shù)男D(zhuǎn)能力產(chǎn)生的影響將變得顯著，在覆層失效預(yù)測(cè)中尤其不可忽略[27-33]。3）基礎(chǔ)連接對(duì)結(jié)構(gòu)行為的影響[34-37]。當(dāng)基礎(chǔ)連接變得更加密集時(shí)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主要抗風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的變形不大。比較而言，基礎(chǔ)連接密度對(duì)梁和墻骨柱的影響更大，因?yàn)樗鼈冎g的連接是封閉的，但梁卻是風(fēng)荷載下最不易損壞的構(gòu)件。

3 結(jié)語(yǔ)

目前輕型木結(jié)構(gòu)臺(tái)風(fēng)致荷載響應(yīng)的一般研究方法是建立有限元數(shù)值模型，并且在一個(gè)大尺寸建筑模型實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。采用的建模方法可以模擬連接件及整個(gè)結(jié)構(gòu)的非線性行為，并且對(duì)基于線性的相應(yīng)部分的性能預(yù)測(cè)也有幫助。研究表明：直接使用有限元軟件內(nèi)置單元作為一種實(shí)用技術(shù)是可行的。數(shù)值模型的驗(yàn)證可通過(guò)比較在時(shí)空變化的真實(shí)荷載下經(jīng)數(shù)值模型分析和物理實(shí)驗(yàn)方法獲得的屋頂覆層和RTWCs撓度實(shí)現(xiàn)。然后在驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究模型對(duì)結(jié)構(gòu)某些特定部分如RTWCs、基礎(chǔ)緊固件、墻骨柱連接和STTCs的影響。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步研究并量化結(jié)構(gòu)部件的力學(xué)性能，特別是連接處的力學(xué)性能。

在實(shí)際應(yīng)用中，限制連接件建模的主要瓶頸是缺乏一個(gè)具有各種類型木材和木材連接件非線性材料特性的詳盡資料庫(kù)。木材組件強(qiáng)度由木材纖維絲角、結(jié)晶度、紋孔及木材化學(xué)組分決定，因此研究中關(guān)注木材緊固件和木材連接件的延性，可以更為有效地利用木材組件（如框架和覆層）的強(qiáng)度，而不會(huì)使木材組件力學(xué)性能超出線性范圍。今后該領(lǐng)域的研究需注重對(duì)各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如覆板、框架構(gòu)件）和連接件（如覆板釘、颶風(fēng)連接帶）的風(fēng)性能力學(xué)試驗(yàn)，以獲得反映木材構(gòu)件材料特性和連接點(diǎn)之間關(guān)系的荷載-位移曲線，以及連接件在高波動(dòng)風(fēng)荷載作用下的滯回曲線。了解材料性能對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接件抗風(fēng)性能的限制，有助于建立從木材材性到結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的微觀到宏觀的研究機(jī)制，從而促進(jìn)對(duì)木結(jié)構(gòu)臺(tái)風(fēng)荷載響應(yīng)更深層次的研究。