摘要：根據(jù)國(guó)內(nèi)外的有關(guān)文獻(xiàn)資料，本文研究了影響木結(jié)構(gòu)抗震的主要因素，針對(duì)框架式木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了適合室內(nèi)進(jìn)行的試驗(yàn)方案，同時(shí)對(duì)對(duì)稱性結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的抗震性能做了比較研究。
　　關(guān)鍵詞：對(duì)稱木結(jié)構(gòu)；震動(dòng)試驗(yàn)；抗震性能
　　
　　木結(jié)構(gòu)建筑是自然、舒適、可循環(huán)利用的綠色建筑，木結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能比較好，尤其是具有對(duì)稱性的木結(jié)構(gòu)，當(dāng)房屋處于震動(dòng)狀態(tài)時(shí)，對(duì)稱性有利于木結(jié)構(gòu)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和完整性，對(duì)瞬間沖擊荷載和周期性疲勞破壞具有良好的延展性，對(duì)稱性結(jié)構(gòu)漸變的屈服過(guò)程可以減輕地震對(duì)建筑物的破壞，因此如何利用好對(duì)稱性在木結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中具有重要的意義。
　　1.對(duì)稱性結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)中的意義
　　對(duì)稱性對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的抗震非常重要，對(duì)稱性包括建筑平面的對(duì)稱、質(zhì)量分布的對(duì)稱、結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度的對(duì)稱三個(gè)方面。最佳的方案是使建筑平面形心、質(zhì)量中心、抗側(cè)移剛度中心在平面上位于同一點(diǎn)上，豎向位于同一鉛垂線上，簡(jiǎn)稱“三心重合”，建筑平面對(duì)稱在古代和現(xiàn)代建筑中被廣泛的采用，見(jiàn)圖1.1和圖1.2。建筑平面形狀雙軸對(duì)稱是最理想的，但有時(shí)局限于設(shè)計(jì)的要求也只能一個(gè)軸對(duì)稱，有時(shí)甚至沒(méi)有對(duì)稱軸。建筑平面對(duì)稱并不能完全保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在建筑平面對(duì)稱和結(jié)構(gòu)剛度均勻分布的情況下，如果建筑物質(zhì)量分布有較大偏心，當(dāng)遇到震動(dòng)作用時(shí)，由震動(dòng)產(chǎn)生的慣性力將對(duì)結(jié)構(gòu)中心產(chǎn)生扭矩，引起建筑物的扭轉(zhuǎn)破壞，這里也涉及到側(cè)移剛度的對(duì)稱，即使建筑平面是對(duì)稱的，在對(duì)稱的建筑外形中進(jìn)行了不對(duì)稱的建筑結(jié)構(gòu)布置，結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度中心明顯的與建筑平面形心和建筑質(zhì)量中心偏離，造成結(jié)構(gòu)剛度不對(duì)稱而發(fā)生破壞。
　　 
　　圖1.1中國(guó)對(duì)稱木結(jié)構(gòu)古建筑平面圖 圖1.2現(xiàn)代對(duì)稱性結(jié)構(gòu)建筑平面圖
　　2.對(duì)稱性結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)中的基本原理和要求
　　地球上每年發(fā)生地震次數(shù)在三十萬(wàn)個(gè)左右，大多數(shù)地震強(qiáng)度較小，基本不會(huì)對(duì)我們的建筑物造成破害，但是較大強(qiáng)度的地震如果發(fā)生在人口稠密的區(qū)域，就會(huì)造成較大的破壞和人員傷亡，據(jù)估計(jì)全世界每年平均有近兩萬(wàn)人在地震中喪身，由于地震這種自然現(xiàn)象的不可預(yù)報(bào)性，工程師們唯一可做的事情就是設(shè)計(jì)建造能抗震的結(jié)構(gòu)，在過(guò)去的幾百年里，工程師和科學(xué)家們不斷地觀察研究地震災(zāi)害，并逐步清楚了影響結(jié)構(gòu)抗震性能的主要因素，在選擇材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中首先考慮地震的影響，木結(jié)構(gòu)建筑重量輕，吸收能力強(qiáng)，具有良好的抗震性能，在古代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛采用，并且木結(jié)構(gòu)的抗震性能也在歷次強(qiáng)烈地震中得到了驗(yàn)證，因此，精心建造的木結(jié)構(gòu)建筑能夠給人們帶來(lái)安全感。
　　木結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該在設(shè)計(jì)的開(kāi)始階段，如果設(shè)計(jì)初期沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的抗震性能，只是一味的追求總體外形美觀是錯(cuò)誤的，木結(jié)構(gòu)抗震總的原則是平面設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能的對(duì)稱，如圓形、矩形、正方、十字型形等對(duì)稱結(jié)構(gòu)，若采用T型、L型結(jié)構(gòu)，翼緣長(zhǎng)度與主體結(jié)構(gòu)盡可能保持長(zhǎng)度上的相等，如果翼緣長(zhǎng)度過(guò)短應(yīng)該通過(guò)擴(kuò)充的連接使其與主體結(jié)構(gòu)分開(kāi)，保證主體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求平面對(duì)稱的同時(shí)，高度上的對(duì)稱也是必須考慮的，高度上的對(duì)稱保證了豎直方向荷載與結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和抗矩的形心一致，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中高度方向的突變從抗震觀點(diǎn)看是不可取的，但建筑結(jié)構(gòu)中垂直方向的不規(guī)則也是常見(jiàn)的，結(jié)構(gòu)外形的突變會(huì)引起強(qiáng)度和剛度的不連續(xù)，在震動(dòng)過(guò)程中突變處的剛度會(huì)急劇降低，發(fā)生較大的側(cè)移并導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的失效，因此設(shè)計(jì)中必要的突變應(yīng)盡可能的與結(jié)構(gòu)的尺寸成比例的變化，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度沿著高度方向變化的曲線盡可能是平緩光滑的，避免結(jié)構(gòu)形心偏移產(chǎn)生較大的剪力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)。
　　3.對(duì)稱結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)及抗震分析
　　本試驗(yàn)遵照現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)出尺寸相同的單層單跨木柱木框架模型，模型跨度為700mm，木柱高度為800mm，木屋架的高度為400mm，木材料選用松木，截面尺寸為40×60mm，結(jié)構(gòu)整體連接采用榫接，并按照抗震規(guī)程要求在屋架與柱的連接處設(shè)置斜撐，數(shù)據(jù)采集選用DY－8－16動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，載荷施加采用GZCS－2型加載試驗(yàn)機(jī)，設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計(jì)地震分組為二組，設(shè)計(jì)場(chǎng)地為Ⅰ類場(chǎng)地，第一組重力荷載代表值G=200kN，均勻施加，結(jié)構(gòu)線剛度，阻尼比為0.05，h=0.5m。第一階段試驗(yàn)單向加載，當(dāng)單方向施加水平線載荷K1＝200KN/m時(shí)，模擬結(jié)構(gòu)承受水平方向的地震力，結(jié)構(gòu)發(fā)生水平方向上的震動(dòng)，隨著震動(dòng)的發(fā)生固定柱腳發(fā)生相對(duì)位移，結(jié)構(gòu)在水平推力的作用下有開(kāi)裂的趨勢(shì)，數(shù)據(jù)采集儀器顯示出往復(fù)式滯回曲線，重復(fù)加載滯回曲線呈現(xiàn)典型的梭形，由此可見(jiàn)對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的塑性變形能力很強(qiáng)，能夠很好的吸收地震能量具有良好的抗震性能。第二組試驗(yàn)采用非對(duì)稱載荷，荷載代表值仍為G=200kN，模擬非對(duì)稱結(jié)構(gòu)重復(fù)上述試驗(yàn)，隨著水平荷載的增加，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的滯回曲線的形狀呈現(xiàn)出反S形，并且結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的位移，比較而言非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的滯回曲線形狀不規(guī)則，有較大的峰值，由此也說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的延性和地震能量吸收能力比較差。
　　第二階段試驗(yàn)施加雙向載荷，第一組結(jié)構(gòu)仍然均布施加重力載荷，當(dāng)K1方向施加水平力出現(xiàn)位移后，從另一個(gè)方向施加線載荷K2，K2載荷大小通過(guò)K1位移進(jìn)行控制，當(dāng)K1加載至150KN時(shí)位移達(dá)到2mm左右，一側(cè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭曲用于抵抗水平作用力，此時(shí)施加K2至20KN時(shí)，K1加載方向位移沒(méi)有增加，繼續(xù)均勻增加K2值到80KN時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)縫隙，K1加載方向位移達(dá)到4mm，此時(shí)觀察K2滯回曲線所包圍的面積變小，可以看出整體剛度較K1滯回曲線變化不大，塑性變形也很小，K1卸載后結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段。第二組試驗(yàn)采用非對(duì)稱重力載荷模擬非對(duì)稱結(jié)構(gòu)重復(fù)上述試驗(yàn)，結(jié)果當(dāng)K2值加至30KN時(shí)，K1加載方向位移達(dá)到6mm，繼續(xù)均勻增加K2值到80KN時(shí)，結(jié)構(gòu)幾乎解體，K2滯回曲線呈反S曲線型，且水平荷載為零時(shí)，結(jié)構(gòu)的位移不再回零，發(fā)生較大的殘余變形，由于初始施加重力載荷使頂部有較大的偏心矩作用，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性變化，這種非線性變化也是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主導(dǎo)因素。
　　4.結(jié)論
　　通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)和滯回曲線比較研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)稱性結(jié)構(gòu)能夠明顯改變木結(jié)構(gòu)的抗震性能。由于對(duì)稱性結(jié)構(gòu)增加了框架的抗彎剛度，使得結(jié)構(gòu)抵抗水平地震力有了十幾倍的增長(zhǎng)，并且當(dāng)另一個(gè)方向同時(shí)發(fā)生震動(dòng)時(shí)，對(duì)稱性結(jié)構(gòu)能夠緩解最大側(cè)向位移，而非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)則不具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，比較而言對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
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