木結(jié)構(gòu)建筑的抗震機(jī)能研究

人類所面臨的各種天然災(zāi)難中，地動是破壞力最大的至今仍無法明確預(yù)測的天然災(zāi)難。地動不只導(dǎo)致大量的建筑倒塌，而且引起社會恐慌及人的精力和身材停滯。據(jù)統(tǒng)計，全球每年死于地動災(zāi)難的人數(shù)達(dá)數(shù)萬人，導(dǎo)致的產(chǎn)業(yè)喪失達(dá)數(shù)千億美元?？梢灾v，地動的危險普及環(huán)球。木布局室第建筑廣泛使用的美國、加拿大、日本和新西蘭，都存在高烈度的地動災(zāi)區(qū)，就連地動發(fā)生幾率遠(yuǎn)低于其它國度的澳大利亞，近50年內(nèi)也有遭遇大地動的經(jīng)歷[1]由于地動這種天然征象的不可預(yù)報性，工程師們唯一可做的工作便是設(shè)計建造能抗震的布局。過去的幾十年里，工程師和科學(xué)家們不停地觀察、研究、調(diào)查震害，并逐步清楚了影響布局抗震機(jī)能的主要身分，從而引導(dǎo)今后的設(shè)計和建造，減少地動喪失。多次震災(zāi)調(diào)查表明，木框架建筑重量輕，吸能本領(lǐng)強(qiáng)，具有良好的抗震機(jī)能[2]從北美和環(huán)球的歷次強(qiáng)烈地動中得到履歷表明，精心建造的木框架衡宇能夠給居住者帶來安全[2~4]

1木框架建筑的抗震機(jī)能

木布局的地動回聲比較復(fù)雜，包括多種相互影響的還需進(jìn)一步研究與驗證的身分，地動發(fā)生時空中運動三要素（空中運動加速率、速率和位移）涉及到布局時可能引起逾越布局所能承受的內(nèi)力和位移。以往的地動調(diào)查表明，除了空中運動特性外，還有下述一些身分影響著木布局建筑的抗震機(jī)能[1]

1.1木料特性

木料的物理力學(xué)機(jī)能取決于其復(fù)雜的內(nèi)部布局，除各自異性外，木料是多孔及非均勻性的質(zhì)料，木料的強(qiáng)度與剛度隨外荷標(biāo)的目標(biāo)是順紋照舊橫紋的不同而變化，這也導(dǎo)致了布局的破壞機(jī)理的變化。平行或垂直于纖維標(biāo)的目標(biāo)的受拉破壞是脆性的空中運動感化下，這種破壞應(yīng)盡量避免。同理，木料剪切及部門受彎破壞也是脆性的也應(yīng)盡量避免。木料彎曲破壞的范例主要取決于質(zhì)料的壓、拉強(qiáng)度比。木柱是延性或脆性主要取決于壓應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的比值。只有垂直于木纖維標(biāo)的目標(biāo)的受壓破壞是延性的可滿足抗震設(shè)計的要求。另外，木料在短時候荷載感化下強(qiáng)度提高，以及較高的強(qiáng)重比，使得木布局在以往地動中顯示出較好的抗震機(jī)能。

1.2建筑及布局法則性

歷次震害調(diào)查表明，平面及豎向法則的建筑物在地動中有良好的抗震機(jī)能，而平面及豎向的不法則導(dǎo)致震害加重，特別是建筑物的多少中心與物理中心不重合時，往往會導(dǎo)致建筑物扭轉(zhuǎn)。布局的豎向連續(xù)性也是影響建筑物抗震機(jī)能的重要身分之一，當(dāng)建筑物的強(qiáng)度和剛度在豎向不法則時，將會在豎向出現(xiàn)“單薄層”地動引起的能量耗散主要集中在這些單薄層，嚴(yán)重時可導(dǎo)致單薄層倒塌。此外，研究和履歷還表明，一些“非布局”構(gòu)件也有助于增強(qiáng)建筑物的側(cè)向抗力。例如，內(nèi)墻飾面、隔墻以及多種外墻覆層，都有助于增強(qiáng)建筑物的側(cè)向抗力。

1.3建筑物的動力特性

建筑物的動力特性包括建筑物的振型、自振頻率或自振周期。這些建筑物的特性參數(shù)主要取決于布局質(zhì)料特性以及連接節(jié)點的強(qiáng)度和剛性特性。研究標(biāo)明輕型木結(jié)構(gòu)，大部門木布局衡宇的自振周期在0.1~0.85因此，木布局不適宜建造在軟弱地基土上。

1.4建筑物的變形特性

影響建筑物抗震機(jī)能的另外一個重要參數(shù)是建筑物在地動感化下的變形特性，變形巨細(xì)集中體現(xiàn)了建筑物的側(cè)向剛度、強(qiáng)度和延性。這些參數(shù)相互影響，相互感化，決定了建筑物的動力機(jī)能以及連接機(jī)能。

1.5多余約束

傳力路徑多的衡宇一般被認(rèn)為在布局上具有多余約束。地動中可以提供額外的平安性。保守的由沉重的框架所支撐的建筑布局因僅靠較少的布局構(gòu)件和連接傳力，設(shè)計或施工中的任何缺點都可能導(dǎo)致相鄰的傳力路徑超載。而典范的木框架建筑是由數(shù)以百計的布局構(gòu)件和數(shù)以千計的釘節(jié)點連接構(gòu)成的這意味著，如果某一個傳力路徑受到破壞，所承擔(dān)的荷載可由鄰近的構(gòu)件或節(jié)點予以承當(dāng)。

1.6阻尼及能量耗散

建筑物的阻尼決定了布局能夠吸收及耗散地動空中運動能量的身手，通常布局的阻尼小時，建筑物的地動反應(yīng)就強(qiáng)烈。阻尼的巨細(xì)主要取決于建筑物的用料，連接的型式（連接外貌發(fā)生滑移或摩擦）連接變形（粘滯阻尼）以及其它一些非布局構(gòu)件。能量耗散與阻尼有關(guān)，地動時大量地動能量感化在布局上，布局能夠吸收及耗散地動輸入能量的巨細(xì)反應(yīng)了布局的抗震機(jī)能。木布局建筑中，其延性及能量耗散是通過鋼木連接以及不同構(gòu)件之間的摩擦這些粘滯阻尼來實現(xiàn)的

2木框架建筑地動震害調(diào)查[1]

1964年發(fā)生在美國阿拉斯加州威廉王子灣的大地動，北美有史以來最強(qiáng)烈的地動之一（里氏8.4級）盡管震級極高，死亡人數(shù)只有131人，并且其中的122人是死于地動引起的海嘯。而1999年發(fā)生在土耳其的里氏7.4級的地動卻奪去了1.5萬人的性命。阿拉斯加大學(xué)地球物理研究所對1964年地動中的低死亡率有如下的解釋：該次地動中有131人死亡，其中在阿拉斯加州有115人，俄勒岡州和加州有16人死亡。強(qiáng)震所造成的低死亡率主如果因為當(dāng)?shù)厣X密度低，地動發(fā)生的時候較好（當(dāng)天是沐日）以及多數(shù)衡宇所使用的建筑質(zhì)料是木料。

美國加州，公立黌舍的建筑80%為木框架建筑。1994年北嶺地動中校園建筑遭毀壞的環(huán)境可概述如下：受地動影響的黌舍數(shù)目多，絕大部門在地動中保存良好。造成黌舍關(guān)閉的地動破壞絕大部門屬非布局性破壞，即便是布局性破壞，也是可以修復(fù)的一類，并不構(gòu)成性命威脅。因為很多校舍都是低層木框架布局。無論建造的年月遠(yuǎn)近，這種布局都具有很好的抗震機(jī)能。

調(diào)查表明，木框架建筑在地動中造成的職員死亡極低。所調(diào)查地域中的大多數(shù)衡宇都是按激進(jìn)要領(lǐng)建造，而不是由工程師特別設(shè)計的強(qiáng)烈地動中，絕大多數(shù)木框架衡宇完好無損，有些有不同水平的外貌和布局損傷（表1大多數(shù)木框架衡宇遜色的抗震機(jī)能，維護(hù)了性命平安。木框架建筑良好的抗震表示，建立在木布局建筑系統(tǒng)的幾個特性之上的1典范的木框架衡宇其面板和飾面釘接在大量木擱柵、墻骨柱之上，從而為地動力提供了附加的傳力路徑。這類衡宇具有無數(shù)的小連接點，而非少數(shù)的幾個要害的連接點。因此，一旦某一連接點超載，其超載部門的荷載可由相鄰的連接點分擔(dān)。2木料具有較高的強(qiáng)重比，因而木布局一般比其它范例的布局重量輕。3木框架系統(tǒng)采用釘接節(jié)點，因而使布局系統(tǒng)有很好的柔性，因此能夠在地動中吸收和耗散能量。4經(jīng)工程設(shè)計建造的木框架建筑，其布局用面板（膠合板或定向刨花板）與墻骨柱、擱柵共同構(gòu)成剪力墻和樓（屋）蓋橫隔，組成了有效的抗側(cè)向力的建筑組件。保守的木框架室第具備抗震的一些基本要素，而且木框架建筑自身也在不停演變。新型的木基建筑質(zhì)料的引入，科學(xué)研究所帶來的更好的細(xì)部設(shè)計，以及從過去地動中吸取的履歷教導(dǎo)，為未來建造更優(yōu)質(zhì)的衡宇提供了保證。

盡管從整體上講，地動時木框架衡宇較為平安。但通過地動震害調(diào)查，照舊發(fā)現(xiàn)了一些木框架衡宇存在震害。

2.1軟弱底層

以往地動時的履歷表明，軟弱底層會使衡宇易于受到地動力的破壞。底層采用足夠的帶撐墻或面板墻是保證激進(jìn)木框架衡宇抵抗地動的基本前提。門窗和車庫門等大面積開孔會使墻體面積過小，缺乏以抵御地動形成的側(cè)向力。因此，除非適當(dāng)加強(qiáng)底層墻體，否則強(qiáng)度缺乏的墻體會導(dǎo)致過度變形，最終造成倒塌。震害調(diào)查證明，底層是車庫的公寓樓在地動時特別容易受損壞。因此，對有軟弱層的衡宇要特別注意其抗震設(shè)計和細(xì)部處理。

2.2根本的連接

錨栓是用來防止衡宇布局脫離根本的有些舊房在建造時沒有使用錨栓將木框架布局與根本連接在一起。履歷證明，地動中這些衡宇可能會從根本上滑落。這可以通過在木框架與根本之間增加連接來改進(jìn)。

2.3矮墻

矮墻是指某些衡宇底層與根本之間的短墻。地動中，很多建有無支撐矮墻的舊房都受到布局性損壞。用木基布局面板加固墻體是一種有效的強(qiáng)化墻的要領(lǐng)。

2.4煙囪

無筋砌體煙囪在地動中極易毀壞。煙囪坍塌又可能殃及煙囪以下的屋頂和墻體。地動后的余震中，受損的煙囪也很危險。加固煙囪或采用輕質(zhì)質(zhì)料的煙囪，有助于防止在未來的地動中遭受損壞。

3.5未固定的家具

衡宇構(gòu)件和電器：地動時，書架等高大的物件會傾倒，滑動或滾動的物件會來回沖撞。繁重、無支撐的隔墻會倒下，連接不當(dāng)?shù)恼谂窈湍粔Γㄈ鐗Υu）會落下而傷及路人。除非有適當(dāng)支撐，否則家用燃?xì)鉄崴鲿苋菀追够蛞莆?，造成煤氣泄露，并且可能引起爆炸。將家具、衡宇?gòu)件、電器固定起來能有效減少地動的破壞和造成的喪失。

3木框架建筑抗震研究

木框架建筑從許多抗震科學(xué)研究項目中得到改進(jìn)。這些抗震研究包括從小到釘子測試大到整棟衡宇的足尺地動模擬[5,6]由于多種傳力路徑和“非布局”構(gòu)件的孝敬，所以用數(shù)學(xué)模子模擬激進(jìn)木框架建筑的抗震機(jī)能比較困難。因此，研究職員一般通過更多地了解質(zhì)料和組件的特性來更好地預(yù)測整棟衡宇的抗震機(jī)能。通過足尺模子試驗，研究職員正在研究整棟衡宇的構(gòu)件如何共同感化以抵抗地動感化這一復(fù)雜模子。這一研究既有助于解釋激進(jìn)木建筑的抗震機(jī)能，也能為設(shè)計職員提供更有效的設(shè)計計劃[7~11]

加拿大國度林產(chǎn)工業(yè)技能研究院（FORINTEK[12]加拿大最重要的林產(chǎn)研究機(jī)構(gòu)，其抗震研究的重點是對衡宇構(gòu)件進(jìn)行測試和建模。研究結(jié)果已被用來增強(qiáng)加拿大木布局設(shè)計規(guī)范中的有關(guān)抗震條則。加拿大國度林產(chǎn)工業(yè)技能研究院及其合作伙伴同時還研究發(fā)展計算機(jī)模子，用于評估木框架衡宇在地動中的機(jī)能。此計算機(jī)模子可作為一種東西，有效地協(xié)助工程師進(jìn)行木框架衡宇的抗震設(shè)計。對足尺木框架衡宇的測試早在1965年便已開始。從那時起，天下各地的研究機(jī)構(gòu)相繼進(jìn)行了各種足尺試驗。近期的試驗包括使用“振動臺”來真實地模擬現(xiàn)實的地動效應(yīng)。

1988年成立的地動工程研究大學(xué)聯(lián)合會(CUREE[13]一個非營利組織，旨在推進(jìn)地動工程的研究、講授與實施。該項目由美國聯(lián)邦緊急事件管理署（FEMA 資助，項目?？钣杉又菥o急事件州長辦公室管理。其中美國加州的CUREE項目特別引人關(guān)注。加拿大的不列顛哥倫比亞大學(xué)（UBC也開展了相關(guān)的研究項目。CUREE-加州理工學(xué)院的木框架項目由5個部門組成：測試與分析、現(xiàn)場調(diào)查、建筑規(guī)范與尺度、經(jīng)濟(jì)身分、講授與研究。

該項目包括對足尺衡宇進(jìn)行模擬不同地動烈度的振動臺試驗，共進(jìn)行了3項不同振動臺試驗：簡化足尺雙層獨立室第試驗（加州大學(xué)圣迭戈分校）足尺多層公寓樓（樓下建有車庫）試驗（加州大學(xué)伯克利分校）以及簡化箱型木框架衡宇模子試驗（不列顛哥倫比亞大學(xué)）2層衡宇的試驗包括了分別模擬激進(jìn)框架衡宇和經(jīng)工程設(shè)計的衡宇。有些衡宇建造時沒有飾面（毛墻）有些則涂有粉飾灰泥。所有衡宇都經(jīng)歷了至少0.5g峰值空中加速率，有些經(jīng)工程設(shè)計的衡宇更經(jīng)歷了0.89g峰值空中加速。對試驗結(jié)果進(jìn)行評估后得到以下結(jié)論：

1所有試驗項目中，所有有飾面（例如：粉飾灰泥）衡宇均未達(dá)到接近倒塌”狀況。

2CUREE項目中，所有沒有飾面（毛墻）兩層衡宇均未達(dá)到接近倒塌”狀況。

3CUREE項目中，一棟三層的毛墻、樓下帶車庫”衡宇達(dá)到接近倒塌”狀況。

4試驗結(jié)果與以前對木框架建筑抗震機(jī)能所做的調(diào)查非常相符。

5衡宇變形隨墻體開孔水平的增加而增加。

6激進(jìn)衡宇的變形大于相應(yīng)經(jīng)工程設(shè)計的衡宇的變形。

7外墻涂有粉飾灰泥、內(nèi)墻加上石膏板后，衡宇的變形大大減少，從而大大減輕了對布局的損壞。

加州大學(xué)圣迭戈和伯克利分校開展的CUREE試驗、以及不列顛哥倫比亞大學(xué)和加拿大國度林產(chǎn)工業(yè)技能研究院進(jìn)行的試驗，發(fā)生了很多有現(xiàn)實應(yīng)用意義的結(jié)果，可以應(yīng)用在木框架衡宇的抗震設(shè)計上。天下各地對木框架建筑的研究意味著人們對地動如何影響木布局、以及對如何設(shè)計更好的抗震布局有了更進(jìn)一步的解。

4結(jié)論

輕質(zhì)和吸能本領(lǐng)強(qiáng)是木框架的內(nèi)涵特性，這使得木框架成為地動區(qū)首選的衡宇系統(tǒng)。調(diào)查表明，符合墻體支撐、連接和錨固基本要求的木框架建筑，地動時可以為居住者帶來安全。對小型木框架建筑，建筑規(guī)范中的規(guī)定為抵抗側(cè)向地動力提供了保證。大型木框架建筑可通過有效的工程設(shè)計來抵抗地動力。過去20年來，人們一直在對木框架建筑進(jìn)行調(diào)整間距研究，以便更好地掌握和提高其抗震機(jī)能。對北美地動中衡宇機(jī)能的考察也使得木框架建筑收益良多。研究項目標(biāo)試驗結(jié)果也與以前地動實地考察的發(fā)現(xiàn)相當(dāng)一致。與木框架建筑相關(guān)的建筑規(guī)范和設(shè)計尺度也在不停更新，以反映最新的地動實地觀察結(jié)果和研究結(jié)果[10]

木框架建筑是一種久經(jīng)證實的建筑要領(lǐng)，對居住在天下上地動危險區(qū)的人們木框架建筑能夠在強(qiáng)烈的地動中為人們帶來平安。過去一個世紀(jì)中，木框架建筑在北美的應(yīng)用取患了極大的勝利?，F(xiàn)在木框架建筑正引起天下其它各地的樂趣，這中間的緣故原由很多。有些是因為經(jīng)濟(jì)收入的不停提高，對舒適有了更高要求。另一些則是因為最近地動所造成的衡宇倒塌以及無數(shù)的死亡，安慰了對安全衡宇的需求。除上述出于抗震緣故原由而建造木框架建筑外，還有許多國度采用木框架建筑是因為人們已經(jīng)對它做了大量研究，其機(jī)能已經(jīng)得到證實。木框架建筑不只具有經(jīng)濟(jì)性和靈活性，而且更能符合與建筑相關(guān)規(guī)范的要求。

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