周爱萍;黄东升
【摘 要】以Q235钢制作的消能节点,将规格木材组合成的梁、柱连接成具有较大抗侧刚度的延性框架体系.该结构不使用我国传统木结构的榫卯连接,节点不削弱木构件,故具有更高的承载力；不需要北美轻型木结构体系中的墙体提供抗侧刚度,因而结构布置灵活,且节省材料.对采用该节点的木框架结构示范工程进行了结构分析和足尺节点的拟静力试验.结果表明:节点通过钢板的塑性变形消耗能量,具有良好的耗能能力；在考虑频遇地震作用参与的荷载标准组合作用时,结构的变形能满足现行建筑抗震设计规范的相关要求；在罕遇地震作用时,框架的弹塑性变形集中在消能节点上,层间相对弹塑性角位移小于1/50,达到我国现行规范抗震设防的目标.%The wood beams and columns were connected into moment frame system with large lateral stiffness and ductility by the energy dissipation joints of Q235 steel. Compared to traditional Chinese wooden structures, the proposed structure has higher loading capacity because no mortise-tenon connection is needed to joint columns and beams without weakened section of wooden members. Compared to the timber structures commonly used i n North America, the buildings with the proposed structure are easier to be partitioned and are more economical without wooden shear wall to offer lateral stiffness. The structural a-nalysis of a demo house with the system and the pseudo-static experiments for full scale joints were conducted. The results show that the joints have good capability to consume input energy by steel plastic deformation. The structure deflection can fulfill the requirements of the current code for seismic building design when the normal load combinations with frequency earthquake action were taken into account. Subjected to rare earthquake action, the plastic structure deformations are restricted in the joints with story drift less than 1/50 which is the criteria requirement of the code. The wooden frame with energy dissipation joints can meet the seismic fortification criterion of Chinese code.
【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(034)001
【总页数】5页(P81-85)
【关键词】木框架结构;消能节点;装配式木结构;拟静力试验;结构抗震
【作 者】周爱萍;黄东升
【作者单位】南京林业大学土木工程学院,江苏南京210037;南京林业大学土木工程学院,江苏南京210037
【正文语种】中 文
【中图分类】TU375
我国乡镇民宅建造亟需解决2个基本问题:一是房屋建造缺乏技术支持，结构安全性得不到保障［1］;二是黏土砖和混凝土建造房屋造成大量矿物资源与能源的消耗、环境污染.采用木结构建筑既可以实现乡镇居民住宅的标准化、工厂化建造，又能够实现建筑材料的无污染、低能耗生产以及原材料资源的可再生利用.由于我国传统木结构建筑采用原木材料，梁柱为榫卯连接，此构造严重削弱了木构件的牢固性，该节点通过摩擦力传递荷载，因而连接强度低，延性差，木材利用率低［2－3］.北美轻型木结构采用密排龙骨加高强面板的墙承载体系［4－10］，消耗木材多，造价高，不适合我国乡镇民宅建设.
针对上述问题，作者设计了具有恰当刚度与较大延性的木框架结构专用消能节点(发明专利号:
ZL 200810242536.9)，使木梁、柱连接成具有抗侧刚度的框架体系，梁、柱均为规格木材组合而成，该成果分别在广东省清远市、青海省玉树州建造的两层木结构示范民宅中得到成功应用，并同时做了与示范工程完全相同的3个足尺节点拟静力低周反复荷载试验.
本研究通过对其中一幢示范工程民宅在基本荷载组合作用下的承载力和刚度的验算，同时对罕遇地震作用下的动力弹塑性进行分析，研究带消能节点的木框架结构的抗震性能.
1 消能节点的构造试验与结果
图1为节点构造及其与梁柱连接、节点试验加载示意图.为使木框架节点具有足够的抗侧刚度、延性和耗能能力，作者设计了用Q235钢制成的木框架专用消能节点，如图1a所示;柱套内的横隔板用以承受柱的轴向力，如图1b所示;节点与梁柱的连接构造见图1c，柱套将框架的上、下柱连接成整体，确保柱在节点处的可靠连接，梁连接钢板由上下2片钢板与柱套连接，梁从侧面放入节点内，用U形卡与节点紧固.
图1 节点构造及其与梁柱连接、节点试验加载示意图
该构造具有如下优点:节点将木梁、柱连接成具有抗侧刚度的框架结构体系，木梁与柱套间需
要有5～10 mm空隙，安装容差能力强，且不需要墙体承载，节省材料，降低造价;强震作用下，可通过节点钢材弹塑性变形消耗能量，避免木材脆性破坏，提高结构的延性与安全性;可在工厂生产，现场安装，避免镇(乡)村居民自建住宅无技术支持、无抗震设防的情况.通过3个足尺拟静力节点试验，结果表明:结构破坏时，其变形主要集中在节点上，钢板达到屈服强度;消能节点的位移延性系数达到5左右，等效阻尼比分别达19.7%，22.3%(因第1个试验不理想，数据采用其余2个试验)，可见节点有良好的耗能能力与延性.图2为分别有、无消能节点时，结构顶层的加速度响应.由图2可知，消能节点能显著减小结构加速度度响应.
图2 顶层加速度响应
2 示范建筑结构设计
课题组在广东省清远市与青海省玉树州分别设计建造了2幢具有上述节点的装配式木框架结构示范工程民宅.图3为清远市A幢示范工程住宅的底层平面图，建筑功能上满足五口之家两代人居住，采用2层独立式建筑，建筑面积为170 m2.图4为该建筑的结构布置图.图5为柱与梁的截面图.
图3 示范民宅建筑底层平面图
图4 示范民宅结构布置图
图5 柱与梁组合截面图
木梁、木柱为该结构的主要承重构件，由38 mm×184 mm、38 mm×140 mm的规格木材通过钉连接，工厂预制.在楼面主次梁间布置间距为600 mm的木搁栅，其上铺设15 mm厚的OSB结构板材;在屋面主次梁中布置木檩条，其上铺设12 mm厚的OSB结构板材，在OSB板上铺设防水卷材、沥青瓦做好屋面防水工程;在外墙木柱间布置间距1000 mm的木龙骨，外侧覆9 mm厚的OSB结构板材，内侧覆12 mm厚的石膏板，达到防火目的，外墙只作围护结构，可以用秸秆板等生物质材料取代OSB板，墙中填充保温棉，达到保温隔音效果.基础采用混凝土独立基础，并采取了防白蚁、防潮、防腐等措施［9－10］.
3 结构的静力分析
3.1 构件验算
3.1.1 材料
木构件采用加拿大进口SPF规格木材，板材均为进口OSB结构板材.根据GB50005—2003《木结构设计规范》第4.2.1，4.2.2条，采用表4.2.1－1中针叶树种木材适用的强度等级，选择强度等级TC15B.根据GB50017—2003《钢结构设计规范》的标准，钢材选用Q235，焊接均采用角焊缝，金属件表面要求进行防锈处理.
3.1.2 梁柱验算
该工程采用通用有限元分析程序SAP2000进行模型和内力计算，确定构件截面.根据SAP2000的内力计算结果，按照规范的要求进行截面验算.主梁与柱均为两端固接的杆系构件，次梁、格栅构件采用钉连接，均为两端铰接的杆系构件.根据GB50005—2003第5.2条验算梁柱，表1给出了各种规格梁抗弯强度和抗剪强度设计值.结构分析表明:所有框架梁的最大弯矩和剪力设计值均小于表1给出的强度设计值，即框架梁的抗弯强度、抗剪强度满足要求.按照GB50005—2003第5.2条逐个验算底层柱的承载能力.
表1 A幢建筑梁截面承载力验算梁截面类型梁宽/mm梁高/mm抗弯强度设计值/(kN·m)抗剪强度设计值/kN 1 76 140 3.23 10.642 114 184 8.36 20.983 152 184 11.15 27.974 76 184 5.57 13.985 76 89 1.30 6.76
3.2 频遇地震作用验算
地震作用分析采用SAP2000，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第1组，设计基本地震加速度为0.1 g，水平地震影响系数最大值αmax=0.12，基本风压 ω0=0.55 kN·m－2，特征周期 0.45 s，抗震设防类别为丙类建筑.楼面与屋面恒载分别取1.0 kN·m－2，活荷载分别取 2.0，1.5 kN·m－2.顺纹弹性模量EL=10.0×106kN·m－2，横纹弹性模ET=0.1EL，横纹剪切模量 GLR=0.075EL，泊松比 υ=0.25.重力荷载代表值Geq取恒载加上0.5活载.模态分析采用振型分解反应谱法进行，按GB50011—2010《建筑抗震设计规范》计算了此情况下的地震影响系数曲线，输入x和y方向的地震加速度，振型组合采用CQC法，方向组合采用SRSS法.通过计算可知:前 3 阶的周期 T1=0.772 s，T2=0.749 s，T3=0.559 s;前3阶振型的x和y方向累计质量参与系数分别为98%，98%和99%;第1，2阶振型为沿水平方向的振动，第3阶振型为整体的扭转变形.
4 罕遇地震作用下的弹塑性分析
4.1 塑性铰
试验证明:上述带消能节点木框架的弹塑性变形主要集中在节点上，表明可以在节点区设置塑性铰来模拟结构的弹塑性变形.由于梁的轴力很小，故忽略不计，采用弯矩－转角塑性铰来模拟节点的非线性转动，塑性铰的弯矩－转角曲线如图6所示.图6中，Me，My分别表示塑性铰的比例极限弯矩和屈服弯矩，θe，θy和θu分别为塑性铰的比例转角、屈服转角和破坏极限转角.根据节点的拟静力试验与有限元分析结果确定塑性铰的参数(见表2).
表2 塑性铰参数梁截面Me/My/θe/rad θy/rad θu /rad(kN·m)(kN·m)114 mm ×184 mm 4.0 6.0 0.008 0.002 0.0876 mm ×140 mm 2.0 4.0 0.002 0.004 0.06
图6 塑性铰的弯矩－转角曲线
4.2 弹塑性分析
用SAP2000建模计算，以ELCRENTRO波作为地面运动输入，输入峰值加速度为220 cm·s－2，时间步长为0.02 s，计算时长10 s，结构阻尼比取5%.图7为结构的塑性铰图.表3为x和y方向的楼层最大位移.结果表明:罕遇地震作用下，楼层的侧移基本上集中在底层，x和y方向的最大弹塑性侧向位移角分别达到1/52和1/82，而二层以上的最大弹塑性侧向位移角很小.由
图7、表3可看出，罕遇地震作用下，节点都进入了弹塑性工作阶段，结构的最大弹塑性角位移小于1/50，满足 GB50011—2010《建筑抗震设计规范》第5.5条的要求.
图7 结构上的塑性铰
表3 x和y方向的楼层最大位移61.83 32.13 1/2180 1/21806.0 m标高 61.30 31.58 1/1095 1/11073.0 m标高方向最大角位移屋脊标高标 高 x方向最大位移/mm y方向最大位移/mm x方向最大角位移 y 58.56 34.84 1/52 1/82
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