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干货!多高层木结构抗震性能研究与设计方法综述

干货!多高层木结构抗震性能研究与设计方法综述

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概述


木材由于具有资源易于再生、绿色环保、保温隔热性好等优点,与可持续发展的目标相互协调,其在建筑业中的应用发展越来越受到重视。此外,随着近十年来材料技术的发展,诸如正交胶合木(cross laminated timber, 简称CLT)等新型工程木产品的诞生使得建造多高层木结构建筑成为可能。为了建筑业的可持续发展,也为了解决大城市人口密度不断增长的问题,木材不能局限于以往三层及三层以下的低矮建筑,近些年,多高层木结构建筑取得了快速发展。


基于上述背景,本文首先枚举了一批全球新建的典型多高层木结构建筑,以期通过具体建筑案例分析来洞悉当前多高层木结构建筑的发展趋势,然后总结了当前多高层木结构建筑常用的结构体系类型及存在的相关问题;基于上述在节点及结构体系两个层面的问题,对多高层木结构建筑开展了一系列试验和理论研究,揭示了部分结构体系的抗震机理;最后,概括了适用于多高层木结构建筑的抗震设计方法。


1  多高层木结构建筑发展概况


1.1 典型建筑案例介绍


自2008年建起第一幢木结构CLT高层后,世界各国纷纷响应这个理念,各地建起了一些示范建筑。最早于2009年,伦敦建成了一幢名为“Stadthaus”的9层公寓式建筑(图1)[1],该建筑底层为混凝土剪力墙结构,上部8层的墙板、楼板、包括电梯和楼梯井道均采用CLT板建造。该工程中,绝大多数构件经工厂预制后现场拼装而成,施工周期仅9周,且施工误差仅为混凝土结构的一半。此外,施工过程绿色环保,碳排放少,所用建材本身兼有碳贮存功能。2012年,墨尔本建成了一幢名为“Forte”的10层公寓式建筑(图2)[2],该建筑同样采用了底层混凝土框架-上部楼层CLT剪力墙的上下组合结构体系。“Forte”的施工周期约10个月,与同体积的混凝土或钢结构建筑相比,其在保温隔热方面能够节约25%的能源,且兼有抗震性能优良的特点。


图1 英国9层公寓式建筑“Stadthaus”


图2 墨尔本10层公寓式建筑“Forte”


2015年,挪威卑尔根建成了一幢名为“Treet”的14层木结构建筑(图3),该建筑总高52.8 m,采用了胶合木梁柱框架-CLT剪力墙的结构体系,其中胶合木构件尺寸较大,以满足其炭化速率达到耐火极限要求,并且基于防火考虑,金属连接件、钢板和销轴等均未置于木构件表面。“Treet”的主要竖向和水平荷载由设有斜撑的胶合木梁柱框架承担,并且为了控制振型和防火,其中的两个楼面和屋面采用了混凝土楼板。


图3 挪威14层“Treet”


2016年在加拿大英属哥伦比亚大学建成了一幢高达53m的18层木混合建筑(图4)[3],该建筑底层采用混凝土结构,上部17层采用了胶合木柱结合CLT楼板的结构体系形式,CLT楼板支承于柱网尺寸为2.85 m×4.0 m胶合木柱上,柱的上下端与CLT楼板间近似于铰接连接,出于增加结构体系整体抗侧刚度的考虑,沿结构的底层至顶层设有竖向连续的两个混凝土核心筒。为了保证结构整体的抗火性能,采用石膏板覆盖住CLT楼板和胶合木柱表面。


(a)外立面                                (b)内部结构

图4 加拿大18层木混合建筑


上述已建成的木及木混合结构建筑对当前多高层木结构建筑的研究及工程建设起到了一定的示范和激励作用,受其影响,尚有多幢多高层木结构建筑目前处于建造、设计或规划中。如奥地利维也纳正在建造一幢名为“HOHO维也纳大厦”的24层木混合(采用混凝土核心筒)建筑,目前已接近于竣工状态,法国和美国分别在规划35层和42层的木结构建筑,英国伦敦更是提出了建造高度达300m的30层木结构建筑的设想。


1.2 结构体系类型


通过上述多高层木结构建筑案例的枚举,可以看出,未来的多高层木及木混结构建筑将朝着建筑更高、结构体系更复杂多样的方向发展。常用的多高层木及木混结构建筑的结构体系类型包括:轻型木结构体系、木框架支撑结构体系、木框架剪力墙结构体系、CLT剪力墙结构体系、上下组合木结构体系、混凝土核心筒木结构体系以及木剪力墙-钢框架混合结构体系等。


轻型木结构体系是由断面较小的规格材均匀密布连接组成的一种结构形式,轻木结构体系具有经济、安全、结构布置灵活的特点。在木框架支撑结构体系中,木梁柱作为主要竖向承重构件,斜向支撑作为主要抗侧力构件;在地震区采用该种结构类型的木结构建筑在造价方面较为经济,且可以较好地协调框架和支撑的受力,使木结构建筑同时具有较大的侧向刚度和良好的抗震性能。木框架剪力墙结构体系主要通过梁柱构件竖向承重,通过剪力墙来承担侧向荷载,其中,剪力墙可为轻木或CLT剪力墙;该结构类型可充分发挥剪力墙体系抗侧性能较好和框架结构空间布置灵活的优势,且当剪力墙布置较密而形成筒体时,也可形成木框架-木核心筒结构形式。CLT剪力墙结构体系由CLT墙板承担侧向荷载,具有抗侧刚度大,装配化程度高、耐火及保温性能好等优点。在上下组合木结构体系中,下部采用钢筋混凝土结构或钢结构,上部采用纯木结构体系,如轻木-混凝土上下组合、CLT剪力墙-混凝土上下组合、木框架剪力墙-混凝土上下组合等。在混凝土核心筒木结构体系中,主要抗侧力构件为混凝土核心筒,竖向承重构件采用木框架、木框架支撑或CLT剪力墙。木剪力墙-钢框架混合结构体系主要的竖向荷载由钢框架承担,而所受水平力由钢框架和木剪力墙共同承担。


1.3 问题分析


虽然当前针对多高层木结构建筑的科学研究处于蓬勃发展的阶段,各国工程建设也正方兴未艾,然而,仍存在一些技术难题有待进一步深入研究,比如:(1)梁柱节点刚度问题:由于安装需要与施工偏差,木构件上的螺栓孔直径大于螺栓直径,胶合木梁柱节点的初始刚度较低。(2)木框架梁柱结构体系的抗侧性能问题:因木材较低的横纹抗拉强度,侧向力作用下的梁柱节点区易出现螺栓孔周横向受拉裂缝及劈裂缝,且节点本身转动刚度较小、耗能能力不足,该结构体系的抗侧能力较有限;为了提高结构体系整体的抗侧刚度,有必要借助于在原有木框架结构中设置斜向支撑或剪力墙的措施,或改用木剪力墙-钢框架混合结构体系。针对这些问题,国内学者展开了大量的研究;下面从节点、体系和设计方法层面,介绍近年部分在多高层木结构抗震方面的研究成果。


2  多高层木结构抗震性能研究


在地震中,节点是整个多高层木结构建筑中最容易破坏的部位,且节点性能对结构体系诸如层间位移角等地震动力响应的影响至关重要。此外,不同种类的构件通过节点连接成了体系多样的结构,在结构体系经历地震作用时,构件与节点间、构件与构件间的内力传递机制及协同受力机制直接决定了多高层木结构的抗震性能。下面将分别从节点性能研究和结构体系性能研究两方面来阐述多高层木结构抗震性能研究概况。


2.1 节点性能


为了提高传统螺栓连接梁柱节点的初始转动刚度,国内学者相继研究了预应力套管螺栓连接梁柱节点、基于紧固件和FRP强化的螺栓连接梁柱节点、通过隅撑加强的螺栓连接梁柱节点、螺钉连接胶合木梁柱节点。下面将分类阐述。


2.1.1 预应力套管螺栓连接节点


预应力套管螺栓连接梁柱节点(图6)由木构件、钢板、套管、高强螺栓、螺母和垫片组成。组装时将套管从钢板两侧塞入木孔,组装完成后对高强螺栓施加预应力,高强螺栓的预紧力通过螺母传给垫片,当外力使木构件相对钢板产生运动趋势时,垫片、钢板、钢管之间的预压力将会在三者的接触面上产生摩擦力;属于通过改善连接区域的销轴性能,从而使其力学性能获得提升的一类梁柱节点形式。研究表明:预应力套管螺栓连接梁柱节点安装便利,且通过摩擦力克服了孔洞间隙造成的不利影响;该节点在高强螺栓出现显著预应力损失前能够提供较饱满的滞回曲线和很好的耗能能力;随着转动变形增大,套管与钢板间静摩擦力被克服,螺栓预应力损失提高,滞回曲线“捏拢”现象趋于明显[4]。


图6 预应力套管螺栓连接梁柱节点


2.1.2 基于紧固件和FRP强化的节点


通过在连接区域贯穿光圆螺杆、自攻螺钉等紧固件或包裹FRP布,限制了木材在横纹拉力下的过早开裂,进而强化了连接区域木材的性能,达到提高螺栓连接梁柱节点力学性能的目的。


对于经光圆螺杆加强(图7)螺栓连接梁柱节点,研究表明:经光圆螺杆加强的节点强度显著提高,裂缝发展速度和裂缝宽度均低于传统节点[5];对于经自攻螺钉加强(图7)螺栓连接梁柱节点,研究表明:其主要发生销槽承压破坏和螺栓弯曲破坏,且自攻螺钉越多,螺钉直径和间距越大,节点区域裂缝发展地越缓慢,破坏瞬间裂缝宽度也越小[6]-[8]。


图7 光圆螺杆或自攻螺钉加强螺栓连接梁柱节点


通过采用FRP包裹节点区域木构件,可以起到限值裂缝发展的目的。通过对节点拟静力加载,试验结果表明:FRP 可避免或延缓木梁的受拉脆性破坏,充分利用了木材的抗压强度,并降低木材缺陷对其受弯性能的影响[9]-[10]。此外,相较于无FRP强化的螺栓连接梁柱节点,在1层FRP布和2层FRP布包裹的加强方式下,螺栓连接梁柱节点的抗弯承载力分别提升14%和18%,其变形能力也有所改善[11]。


2.1.3 隅撑加强节点


相较于斜撑,隅撑对建筑空间的影响较小。基于试验研究了隅撑加强的螺栓连接梁柱节点(图8)的力学性能,研究表明:该类节点拥有较好的延性和变形能力,经隅撑加强后,节点的初始转动刚度显著提高[12]。


图8 隅撑加强螺栓连接梁柱节点


2.1.4 螺钉连接胶合木梁柱节点


在螺栓连接中,正常加工精度下的螺栓孔直径应当较螺栓直径大0.5~1 mm,因此,基于螺栓连接的梁柱连接节点不可避免地存在一定的初始安装间隙,节点初始转动刚度较小。考虑到基于自攻螺钉加强后,螺钉表面可以与木材紧密贴合,基于试验测试了自攻螺钉加强的螺栓连接梁柱节点的力学性能(图9)。研究表明:加载过程中,节点经历了弹性,受压区木材压溃,压溃区木材压实三个阶段;节点屈服前,不存在低初始刚度阶段;节点延性较好。


图9 自攻螺钉加强螺栓连接梁柱节点


2.2 结构体系性能


在多高层木结构建筑的体系方面,国内学者系统地研究了木框架剪力墙结构体系、木剪力墙-钢框架混合结构体系和预应力CLT剪力墙结构体系的抗震性能。


2.2.1 木框架-剪力墙结构


对于木框架剪力墙结构体系,其剪力墙可选轻木剪力墙和CLT剪力墙两种方案。对于胶合木框架-轻木剪力墙结构,试验结果表明:胶合木框架-轻木剪力墙的破坏模式以面板钉连接的破坏为主,其弹性抗侧刚度可视为胶合木框架和木剪力墙的弹性抗侧刚度之和[13]。对于胶合木框架-CLT剪力墙结构,经试验发现,该类混合结构除了具有安装便捷特点外,还具有承载力高、抗侧刚度大、延性好等优点[14]。除了通过采用内填剪力墙外,还可以通过添加斜撑来提高木框架的抗侧力性能,基于木框架-支撑墙体的往复加载试验,系统地测试了交叉支撑、人字撑和隅撑对胶合木框架抗侧力性能的提升效果。结果表明:经交叉支撑、人字撑加强后,墙体的抗侧刚度良好,但延性较差;而胶合木框架-隅撑结构体系除了具有理想的抗侧刚度外,还兼有较理想的延性[15]。


2.2.2 木剪力墙-钢框架混合结构


对于木剪力墙-钢框架混合结构体系,先后依次开展了针对木剪力墙-钢框架混合墙体的拟静力试验、针对该类钢木混合结构体系的震动台试验(图10)[16]-[18]。结果表明:结构延性较好,钢框架和木剪力墙具有较好的协同工作性能;结构抗震性能良好,在经历高达8度的罕遇地震后基本完好,并表现出良好的变形和承载能力。


图10 木剪力墙-钢框架混合结构体系


2.2.3 预应力CLT剪力墙结构


为了避免传统CLT剪力墙的节点区域过早发生集中破坏,提高对CLT板高抗压强度的利用,提出了自复位CLT剪力墙的概念,测试了预应力CLT剪力墙(图11)的抗侧力性能[19]。结果表明:相较于传统CLT剪力墙,预应力CLT剪力墙的抗侧刚度和承载力均显著提高,且加载结束后无明显破坏发生;在对墙体试件侧向加载的过程中,楼板与上下层CLT墙板间始终紧密贴合;耗能件能够一定程度上提高墙体的延性及耗能能力。


图11 预应力CLT剪力墙抗侧力试验


3  多高层木结构抗震设计方法


传统的基于承载力的抗震设计法和基于位移的抗震设计法存在着设计性能目标单一的问题。鉴于此,针对多高层木结构建筑,提出了采用基于性能的抗震设计方法[20],与传统抗震设计方法相比,基于性能的抗震设计主要针对构件变形、结构位移、材料应变等多目标。目前,将基于性能的抗震设计理念运用到结构设计中的途径主要有两种:基于性能的承载力设计法和基于性能的位移设计法。在基于性能的承载力设计法中,首先基于设计目标水准地震反应谱进行强度设计,再进行结构变形验算,结构性能水平要有多水准明确的量化,且应在多级地震水准作用下,对结构性能进行验算;在基于性能的位移设计法中,直接以设计目标水准地震作用对应的结构位移响应为设计性能目标。基于性能的位移设计法更简便,且无需知道与结构体系相关的诸多承载力安全调整系数。


基于木剪力墙-钢框架混合结构体系相关试验结果,有学者提出了基于位移的抗震设计法[21](图12),并基于该设计流程设计了多幢层数不同的木剪力墙-钢框架混合结构建筑,建立其结构计算模型,经校对,结构抗震性能与设计性能目标相吻合,且小震、中震、大震下的界限位移角建议取0.6 %,1.5%,2.4%。此外,Sun等[22]基于直接位移抗震设计法设计了8层、12层和16层的预应力CLT剪力墙结构建筑,建议了小震、中震、大震下的界限位移角分别为0.7 %,1.4 %,2.2 %。


图12 直接位移抗震设计法


4  结论


大量的研究和工程实践都证明了多高层木结构建筑的可行性和经济性,通过上述从实际工程案例和理论研究现状方面的阐述,得到相关结论:在国外,多高层木结构建筑已经进入快速发展阶段;在国内,对于多高层木结构建筑,在其抗震性能分析及设计方法研究方面已有一定的理论积淀。尽管如此,在当前多高层木结构建筑的研究过程中,仍然存在一些关键的科学或技术问题亟待解决,可以概括为:(1)在材料方面,性能优越且满足高层木建筑对其力学性能需求的工程木的种类较有限;(2)现有的防火的措施一定程度上制约了当前木结构建筑朝着更高的方向发展,亟需开发更高效的防火技术;(3)对于多高层木建筑的结构体系类型,在木结构与钢及混凝土结构间的组合形式上还有更多发展的空间。



(责任编辑:奚雅青)



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[责任编辑:Susan]

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