輕型木結構抗震設計研究進展

劉 朋

(中南林業科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410004)

輕型木結構抗震設計研究進展

劉 朋

(中南林業科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410004)

在介紹木結構的發展現狀的基礎上，綜述了國內外輕型木結構抗震領域的最新研究進展和成果，尤其是輕型木結構建筑和木剪力墻基于性能的抗震研究，指出基于性能的抗震設計是必然趨勢。

輕型木結構，抗震，基于性能，木剪力墻

0 引言

通常認為木結構建筑質量較輕，地震作用較小。盡管如此，歷次地震中木結構建筑嚴重損毀的現象也不鮮見。隨著輕型木結構建筑高度(或周期)的增長，傳統基于“力”的抗震設計或評估方法偏于不安全。基于對上述問題的深刻反思，近年來國內外一些研究機構和學者開始研究輕型木結構基于性能的抗震設計。

本文以輕型木結構建筑為對象，總結國內外輕型木結構抗震設計的研究進展，并對其研究趨勢進行展望。

1 基于性能的抗震理論研究

目前我國對于輕型木結構基于性能的抗震理論研究仍處于初級階段。 張盛東等人[1]建議了一種能計算無抗傾覆錨固件木結構剪力墻的側向變形公式。熊海貝等[2]采用了冷彎型鋼組合墻體計算模型中的等代拉桿法估計輕型木結構剪力墻的抗側剛度，并在其非彈性分析階段引入了埋置作用和摩擦作用。陳松來等人[3]對14個剪力墻試件和2個木樓蓋試件進行了單調加載試驗，提出了剪力墻或樓蓋剛度基于變形的取值方法，分析了剪力墻的長度、開洞、石膏板覆面等因素對其承載力以及剛度的影響。

近年來發達國家對于輕型木結構抗震理論的研究方興未艾。美國研究報告[4]指出基于性能的抗震設計(Performance-Based Seismic Design,PBSD)應該是突破傳統設計方法的局限性，選擇性能優良的新的材料，恰當的設計準則、結構體系、隔震減震技術等實現期望的性能目標。2002年，Filiatrault等人[5]通過大量非線性動力時程分析驗證了將直接基于位移的設計方法(Direct Displacement Design，DDD)應用于輕型木結構建筑的可行性，并建議了一種預測木剪力墻滯回反應和耗能特性的簡化數值模型。2002年Rosowsky D V[6]為木剪力墻開發了一種包含PBSD理念抗震設計方法。2004年Skaggs等人[7]認為隔墻或剪力墻比簡支梁復雜得多，建議使用美國木業協會APA推薦的變形計算公式。2005年Lindt[8]開發了一種基于損傷的抗震可靠度模型和一套損傷極限狀態標準用于計算結構在一定損傷程度下的可靠指標。2006年Lindt等人[9]研究表明增量動力分析方法(Incremental Dynamic Analysis Method,IDA)可以作為一種輕型木結構損傷預測的手段，并通過試驗測得的地震力需求與預測結果吻合良好，最大瞬態位移與預測結果的吻合程度不高。2007年Li Y等人[10]提出地震脆弱模型用來預測輕型框架木結構住宅建設在不同地震震害下的隨機反應，完成木結構性能評估。2010年Wang Y等人[11]對DDD方法進行拓展，使之適用于多層輕型木結構建筑基于性能的抗震設計。2010年Lindt等人[12]在前人研究的結構損傷特征的基礎上進行調整并采用該方法預測了一棟6層足尺輕型木結構的損傷。2010年Pang W等人[13]采用一種簡化DDD方法設計了一棟六層木結構滿足損傷控制、生命安全、遠場倒塌保護(CP)和近場CP等4項性能期望的木剪力墻并采用ATC推薦的增量動力分析法，對該建筑抗倒塌能力進行了數值驗證。2011年Liang H等人基于損傷模型評估了木結構的抗震性能，采用IDA方法標定木剪力墻的損傷模型參數，并建立了損傷指數和實測損傷現象之間的對應關系[14]。2013年 Lindt等人撰文總結了輕型木結構抗震理論的發展歷程，分析了當前達到的水平以及仍存在的挑戰[15]。就輕型木結構建筑而言，基于性能的抗震理論和方法仍在不斷發展和完善的過程中，仍有許多關鍵技術問題尚未解決或有待達成共識。

2 抗震性能試驗研究

輕型木結構建筑進入中國以來，國內對其抗震性能的足尺試驗研究極為有限。2006年程海江等人[16]通過單向和反復荷載試驗表明作用于橫墻上的豎向荷載可顯著提高剪力墻的各項力學性能。2007年呂西林等人[17]考慮門洞寬度、結構平面布置等因素，分67種工況對一幢兩層木結構房屋的足尺模型進行了振動臺試驗。2008年熊海貝等人[18]分析了剪力墻剛度、激振程度及扭轉等因素對結構自振周期的影響，并將自振周期估算值與試驗值進行了比較得出房屋基本周期不僅僅只與房屋的高度有關。2008年陳松來等人[19]通過對一幢輕型木結構房屋進行了試驗研究得出非結構構件可顯著提高房屋的抗側力剛度，各片剪力墻與樓蓋之間的剪切滑移和樓蓋吊頂石膏板對樓蓋剛度提高作用可忽略不計。2010年康加華等人[20]通過試驗研究了輕型木結構房屋底層墻體的破壞模式及抗剪強度、剛度、延性和耗能等力學指標。2012年謝啟芳等人[21]研究了剪力墻在水平單向和低周反復加載下的破壞特征、抗剪強度、滯回性能、延性及耗能等指標，分析了洞口大小、洞口位置及豎向荷載對剪力墻抗震性能的影響，以及剪力墻與墻體模塊抗震性能的區別。

另一方面，國外近年來對于輕型木結構抗震性能的試驗研究始終緊密結合基于性能的抗震理論。2005年Dean等人[22]基于10組剪力墻的試驗研究得出豎向荷載能夠提高其水平承載力。2007年Ni C等人[23]通過足尺試驗表明：帶單斜覆板剪力墻的荷載—位移反應在拉壓荷載下呈現出非對稱性；帶雙斜覆板剪力墻的平面內抗剪承載力可提高2倍～3倍。2007年Lindt等人[24]通過一系列足尺振動臺試驗研究了輕型木結構建筑的動力性能，檢驗了實測損傷和瞬態層間位移之間的定性關聯。2009年NEESWood項目中一幢六層輕型木結構在7.5級地震作用下，仍具有良好的抗震性能[25]。2013年Pei等人[26]的研究表明在不同程度的豎向荷載作用下帶水平撐木剪力墻保持穩定的層間位移限值為7%～10%。2014年NEES-Soft項目進行了一系列帶薄弱層輕型木結構建筑的足尺試驗檢驗其開發的基于性能抗震改造方法。Lindt等人[27]針對一棟4層(370 m2) 帶薄弱層輕型木結構四種加強原結構的剛度和強度方案都進行了足尺震動臺試驗，并給出了關鍵性試驗結果。

3 結語

雖然國內外學者已經對輕型木結構PBSD做出了大量的研究，也取得了很多重大的研究成果，但由于其力學性能的復雜性以及PBSD的特殊性，目前還沒有形成相對統一的研究理論方法，需要進行更多的輕型木結構的足尺振動臺試驗以獲得更多試驗數據并將其與有限元設計程序對結構受力性能的預測進行對比。將試驗結果運用到目前的分析方法，全面發展PBSD。

[1] 張盛東,Karacabeyli Erol.無抗傾覆錨固件木結構剪力墻側向變形計算[J].同濟大學學報(自然科學版),2008(3):299-303.

[2] 熊海貝,李青純.木質剪力墻側移和抗側剛度的研究[J].結構工程師,2008(3):76-80，86.

[3] 陳松來,樊承謀,王煥定.輕型木結構剪力墻和樓蓋的抗側剛度研究[J].中山大學學報(自然科學版),2011,50(4):42-49.

[4] Structural Engineers Association of California (SEAOC).Vision 2000:A framework for performance-based design[S].Sacramento,California:Structural Engineers Association of California,1995.

[5] Filiatrault A,Folz B.Performance-Based Seismic Design of Wood Framed Buildings.Journal of Structural Engineering，2002，128(7):39-47.

[6] David V.Rosowsky,Bruce R.Ellingwood.Performance-Based Engineering of Wood Frame Housing:Fragility Analysis Methodology[J].Journal of Structural Engineering,2002,128(1):32-38.

[7] Skaggs T D,Martin Z A.Estimating Wood Structural Panel Diaphragm and Shear Wall Deflection.Practice Periodical on Structural Design and Construction,2004,9(3):136-141.

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[10] Li Y,Ellingwood B R.Reliability of woodframe residential construction subjected to earthquakes[J].Structural Safety,2007,29(4):294-307.

[11] Wang Y,Rosowsky D V,Pang W.Design of Engineered Wood-Frame Structures.Journal of Structural Engineering,2010,136(8):978-988.

[12] Lindt J W V E,Pei S,Pryor S E,et al.Experimental Seismic Response of a Full-Scale Six-Story Light-Frame Wood Building，2010,136(10):1262-1272.

[13] Pang W C，Rosowsky D V，Pei S，Lindt J W V D.Simplified Direct Displacement Design of Six-Story Woodframe Building and Pretest Seismic Performance Assessment.Journal of Structural Engineering，2010，136(7):813-825.

[14] Hao Liang,Yi-Kwei Wen,Greg C.Foliente. Damage Modeling and Damage Limit State Criterion for Wood-Frame Buildings Subjected to Seismic Loads[J].Journal of Structural Engineering,2011,137(1)：62-64.

[15] Lindt J W V D，Rosowsky D V,Pang W,etc..Performance-Based Seismic Design of Midrise Woodframe Buildings.Journal of Structural Engineering，2013，139(8):1294-1302.

[16] 程海江,倪 春,呂西林.有翼緣和豎向荷載的帶洞口木框架剪力墻的試驗研究[J].土木工程學報,2006,39(12):33-40.

[17] 呂西林,程海江,盧文勝，等.兩層輕型木結構足尺房屋模型模擬地震振動臺試驗研究[J].土木工程學報,2007,40(10):41-49.

[18] 熊海貝,徐 碩,盧文勝.輕型木結構房屋基本自振周期試驗研究[J].同濟大學學報(自然科學版),2008，36(4):449-452.

[19] 陳松來,張盛東,王煥定,等.輕型木結構房屋側向變形機理的現場試驗研究[J].同濟大學學報(自然科學版),2008(4):453-459.

[20] 康加華,熊海貝,呂西林.輕型木結構房屋足尺模型低周反復加載試驗研究[J].土木工程學報,2010,43(11):71-78.

[21] 謝啟芳,呂西林,熊海貝.輕型定向秸稈板—榫卯連接木骨架剪力墻抗震性能試驗研究[J].地震工程與工程振動,2012,32(4)：159-165.

[22] Dean P K,Shenton H W.Experimental Investigation of the Effect of Vertical Load on the Capacity of Wood Shear Walls[J].Journal of Structural Engineering,2005,131(7):1104-1113.

[23] Ni C,Karacabeyli E.Performance of Shear Walls with Diagonal or Transverse Lumber Sheathing[J].Journal of Structural Engineering,2007,133(12):1832-1842.

[24] John W.van de Lindt,Hongyan Liu,Shiling Pei.Performance of a Woodframe Structure during Full-Scale Shake-Table Tests:Drift, Damage,and Effect of Partition Wall[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2007,21(1)：23-24.

[25] Lindt J W V E,Pei S,Pryor S E,et al.Experimental Seismic Response of a Full-Scale Six-Story Light-Frame Wood Building，2010,136(10):1262-1272.

[26] Pei S,Lindt J W V E,Wehbe N,et al.Experimental Study of Collapse Limits for Wood Frame Shear Walls.Journal of Structural Engineering，2013，139(9):1489-1497.

[27] Lindt J W V D,Bahmani P,Mochizuki Gary.Experimental Seismic Behavior of a Full-Scale Four-Story Soft-Story Wood-Frame Building with Retrofits.Ⅱ:Shake Table Test Results.Journal of Structural Engineering,2014,E4014003,(12):1-14.

Sutdiesondesignoflightwoodstructures

LiuPeng

(CollegeofCivilEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China)

Based on introducing the development status of wood structure on the progress and the latest research achievements at home and abroad in the field of light wood structures, especially the light wood structure and wood shear wall seismic performance study based on that performance based seismic design is an inevitable trend.

light wood structure, seismic, performance-based, shear wall

1009-6825(2017)29-0058-03

2017-08-08

劉 朋(1990- )，男，在讀碩士

TU366.2

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