多層輕型木結構與框架結構抗震性能之比較

(成都大學建筑與土木工程學院 四川 成都 610106)

多層輕型木結構與框架結構抗震性能之比較

雍軍

(成都大學建筑與土木工程學院四川成都610106)

本文通過有限元分析軟件SAP2000建立建筑結構有限元模型，通過計算分析比較多層輕型木結構與傳統多層鋼框架結構，得出了多層輕型木結構整體抗震性能更優的結論，同時對該輕型木結構組合墻體的抗剪性能進行了分析，根據墻體覆面板和龍骨共同承擔水平荷載的特性，建議在抗震設計中，將結構抗側力構件設計成兩道防線共同抵御地震作用。

多層輕型木結構；組合墻體；抗震性能；有限元模型

一、前言

在近年來的數次地震中，地震災區低層建筑(1～3層)受損特別嚴重，因此傳統的低層建筑結構體系(主要是砌體結構與部分框架結構)在地震高發區廣泛應用的合理性需要做進一步研究。近年來多層輕型木結構在低層住宅中發展十分迅速，其結構體系受力特點為由輕型木龍骨(SPF規格材)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性能比傳統低層建筑結構體系更趨合理。我國絕大部分地區都有抗震設防的要求，特別是近年來全國很多地區地震頻發，因此探討該結構體系在地震區低層建筑中的廣泛應用及災后重建均具有積極意義。本文通過8度地區一棟三層聯體別墅為例，用SAP2000建立結構有限元模型，通過與傳統框架結構體系計算分析來比較兩種結構體系的整體抗震性能的差異。

二、有限元模型

(一)鋼框架

為了使兩種結構總質量差別不大以便于比較，本文采用鋼框架結構。傳統鋼框架結構構件截面形式主要有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。該結構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)輕型木結構

輕型木結構受力龍骨采用SPF規格材和定向木片板(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。該結構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)樓層內力分析

本案例計算在常遇地震作用下結構模型的內力及水平位移，抗震設防烈度為8度(0.2g)，水平地震影響系數最大值αmax為0.16，場地類別二類，設計地震分組第三組，特征周期Tg為0.45s，地震作用方向為X向。表1為兩種模型樓層內力計算結果，由表中數據知，在X向地震作用下，兩種結構在X向產生的剪力Fx、彎矩My相差較小，而繞Z向產生的整體扭矩Mz輕型木結構明顯小于鋼框架結構，顯示出其較好的結構整體抗扭力學性能。

表1 樓層內力比較

(二)樓層位移及層間位移分析

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

表2 樓層水平位移(mm)

(三)輕型木結構樓層剪力分配

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

表3 A軸線剪力分配(KN)

三、結語與展望

(1)地震區低層住宅輕型木結構因為墻體覆面板和龍骨共同承擔地震剪力且墻體覆面板的蒙皮效應能夠得到有效發揮，所以該類型建筑結構整體抗震性能要明顯優于傳統低層鋼框架結構以及混凝土框架結構，更優于磚砌體結構。

(2)墻體覆面板因為承擔大部分地震剪力，所以其力學性能對整體結構體系而言就顯得十分重要。在設計中可以根據地震設防烈度大小、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構，罕遇地震作用下應把墻體覆面板設計成抵御地震作用的第一道防線，當覆面板開裂面內剛度降低后墻體龍骨所受剪力將顯著增加，故可將墻體龍骨設計成抵御地震作用的第二道防線，調整龍骨剪力設計值使之大于其計算值。

[1]多高層木結構建筑技術標準(GB/T51226-2017)[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[2]建筑抗震設計規范(GB 50011-2010)[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]曹芳，董龍彬，祁香文.輕型木結構在震后房屋重建工程中的應用探究[J].長江大學學報，2012，2：109-111

[4]李碩，何敏娟.輕型木樓蓋抗水平力研究進展[J].結構工程師，2010，6：176-180

[5]陸偉東，鄧大利，居興鵬等.中國木結構建筑分布及其震害[J].西安建筑科技大學學報，2011，8：464-469

雍軍(1977-)，男，從事建筑結構抗震工作，成都大學建筑與土木工程學院。