黔東南吊腳樓抗震性能數值試驗研究

袁玉寶 杜世光

（貴陽人文科技學院）

黔東南吊腳樓是以木結構為主的建筑。典型木結構吊腳樓歷經百年滄桑，仍屹立不倒[1]。實踐證明木結構吊腳樓的榫卯節點在地震來臨時會出現一定的錯動，表現“大位移，小內力”的特點[2]，有很好的減震效果。許多專家學者對木結構抗震做出了大量研究[3-7]。但關于吊腳樓榫卯節點聯結的緊密程度、以及屋頂質量的大小對減震效果的影響研究不多，這也是本研究的重點。

1 試驗設計

1.1 吊腳樓木材物理力學性質

黔東南吊腳樓木材采用杉木，杉木物理力學性能參數[8]如表1所示。L向表示杉木縱向，R向表示杉木徑向，T向表示杉木弦向。

表1 杉木的物理力學性能

1.2 吊腳樓模型的建立

吊腳樓的梁與柱采用榫卯聯接，柱直徑300mm，柱高 3500mm，梁高 300mm，梁寬 150mm，榫頭 100mm。在柱頂設置大質量塊代替大屋頂。

考慮榫卯節點的接觸緊密度，建立3個吊腳樓有限元模型，榫卯節點間隙分別為1mm、0mm、-1mm（浸入）。考慮屋頂的質量大小，建立3個吊腳樓有限元模型，大質量塊的質量分別為2t、4t、6t。梁柱采用solid185實體單元。梁柱間接觸采用Target170單元和Contact174單元。Target170單元表示目標面，Contact174單元表示接觸面。因模型雙軸對稱，為節省計算時長，建立1/4有限元模型，如圖1所示。

圖1 吊腳樓1/4有限元模型

2 模態分析

通過模態分析，得吊腳樓自振頻率如表2、表3。

表2 不同榫卯節點間隙的吊腳樓自振頻率

表3 不同屋頂質量的吊腳樓自振頻率

將表2和表3中數據繪制成圖2和圖3。

圖2 自振頻率-階數關系曲線（節點間隙）

圖3 自振頻率-階數關系曲線（屋頂質量）

由表2、表3可知，1mm榫卯節點間隙的吊腳樓自振頻率小于0mm及-1mm節點間隙的吊腳樓自振頻率。屋頂質量越大，自振頻率越低。

3 動力時程分析

3.1 榫卯節點間隙的影響

在吊腳樓底部分別施加El Centro波、Tianjin波、Taft波，設加速度峰值為125cm/s2，持續時間10s，時間間隔0.02s。在El Centro波作用下1mm和0mm節點間隙的吊腳樓柱腳和屋頂加速度時程曲線如圖4和圖5。

圖4 加速度時程曲線（1mm間隙）

圖5 加速度時程曲線（0mm間隙）

將不同地震波作用下，不同榫卯節點間隙的吊腳樓柱腳和屋頂的動力響應列于表4。

由表4可知，1mm榫卯節點間隙的吊腳樓在地震波作用下柱腳有動力放大現象，放大系數均值1.17；屋頂動力有減弱現象，放大系數均值為0.73。0mm及-1mm榫卯節點間隙的吊腳樓在地震波作用下柱腳動力沒有放大現象，屋頂動力略有減弱，放大系數均值為0.9。

表4 不同榫卯節點間隙的吊腳樓動力響應 （cm/s2）

3.2 大屋頂質量的影響

屋頂質量分別為2t、4t、6t。在吊腳樓底部施加El Centro波，其余條件同3.1。El Centro波作用下，不同質量大屋頂的吊腳樓柱腳和屋頂的動力響應列于表5。

由表5知，吊腳樓在地震波作用下柱腳位置有動力放大現象，屋頂動力有減弱現象，動力響應隨著屋頂質量的增大而減小；大屋頂有很好的減震效果。當屋頂質量達到6t時，可減震50%。

表5 不同質量大屋頂的吊腳樓動力響應（cm/s2）

4 結論

⑴有間隙的榫卯節點吊腳樓的自振頻率低于無間隙榫卯節點的吊腳樓。屋頂質量越大，自振頻率越低。

⑵在地震波作用下，無間隙的榫卯節點減震效果不明顯，有間隙的榫卯節點減震效果明顯。

⑶在一定范圍內，屋頂質量越大，減震效果越好。