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干货!多高层木构造抗震性能研讨与设计办法综述
转自公众号：建筑构造
摘
要
由于城市人口密度增加和全球气候变化等要素，在城市开发过程中，建筑行业应当沿着绿色建筑的方向开展。多高层木构造建筑既能满足城市密集人口的住房需求，又具有建造用材可再生、施工过程绿色环保等优点，是将来城市开展的主旋律之一。系统梳理了近些年多高层木构造建筑的开展概略、引见了常用的构造体系类别及存在的相关问题;从节点及构造体系两个层面，细致论述了近些年在多高层木构造建筑抗震性能方面获得的一系列研讨成果;概括了适用于多高层木构造建筑的抗震设计办法。本文针对多高层木构造建筑，从实践工程案例和理论研讨现状两方面展开了系统的论述，以期促进国内多高层木构造建筑的开展。
[关键词]多高层木建筑;构造体系;节点性能;构造整体性能;设计办法
0 概述
木材由于具有资源易于再生、绿色环保、保温隔热性好等优点，与可持续开展的目的互相谐和，其在建筑业中的应用开展越来越遭到注重。此外，随着近十年来资料技术的开展，诸如正交胶合木(cross laminated timber, 简称CLT)等新型工程木产品的降生使得建造多高层木构造建筑成为可能。为了建筑业的可持续开展，也为理解决大城市人口密度不时增长的问题，木材不能局限于以往三层及三层以下的低矮建筑，近些年，多高层木构造建筑获得了快速开展。
基于上述背景，本文首先枚举了一批全球新建的典型多高层木构造建筑，以期经过详细建筑案例剖析来洞悉当前多高层木构造建筑的开展趋向，然后总结了当前多高层木构造建筑常用的构造体系类型及存在的相关问题;基于上述在节点及构造体系两个层面的问题，对多高层木构造建筑展开了一系列实验和理论研讨，提醒了局部构造体系的抗震机理;最后，概括了适用于多高层木构造建筑的抗震设计办法。
1 多高层木构造建筑开展概略
1.1 典型建筑案例引见
自2008年建起第一幢木构造CLT高层后，世界各国纷繁响应这个理念，各地建起了一些示范建筑。最早于2009年，伦敦建成了一幢名为“Stadthaus”的9层公寓式建筑(图1)[1]，该建筑底层为混凝土剪力墙构造，上部8层的墙板、楼板、包括电梯和楼梯井道均采用CLT板建造。该工程中，绝大多数构件经工厂预制后现场拼装而成，施工周期仅9周，且施工误差仅为混凝土构造的一半。此外，施工过程绿色环保，碳排放少，所用建材自身兼有碳储存功用。2012年，墨尔本建成了一幢名为“Forte”的10层公寓式建筑(图2)[2]，该建筑同样采用了底层混凝土框架-上部楼层CLT剪力墙的上下组合构造体系。“Forte”的施工周期约10个月，与同体积的混凝土或钢构造建筑相比，其在保温隔热方面可以节约25%的能源，且兼有抗震性能优秀的特性。
图1 英国9层公寓式建筑“Stadthaus”
图2 墨尔本10层公寓式建筑“Forte”
2015年，挪威卑尔根建成了一幢名为“Treet”的14层木构造建筑(图3)，该建筑总高52.8 m，采用了胶合木梁柱框架-CLT剪力墙的构造体系，其中胶合木构件尺寸较大，以满足其炭化速率到达耐火极限请求，并且基于防火思索，金属衔接件、钢板和销轴等均未置于木构件外表。“Treet”的主要竖向和程度荷载由设有斜撑的胶合木梁柱框架承当，并且为了控制振型和防火，其中的两个楼面和屋面采用了混凝土楼板。
图3 挪威14层“Treet”
2016年在加拿大英属哥伦比亚大学建成了一幢高达53m的18层木混合建筑(图4)[3]，该建筑底层采用混凝土构造，上部17层采用了胶合木柱分离CLT楼板的构造体系方式，CLT楼板支承于柱网尺寸为2.85 m×4.0 m胶合木柱上，柱的上下端与CLT楼板间近似于铰接衔接，出于增加构造体系整体抗侧刚度的思索，沿构造的底层至顶层设有竖向连续的两个混凝土中心筒。为了保证构造整体的抗火性能，采用石膏板掩盖住CLT楼板和胶合木柱外表。
(a)外立面(b)内部构造
图4 加拿大18层木混合建筑
上述已建成的木及木混合构造建筑对当前多高层木构造建筑的研讨及工程建立起到了一定的示范和鼓励作用，受其影响，尚有多幢多高层木构造建筑目前处于建造、设计或规划中。如奥天时维也纳正在建造一幢名为“HOHO维也纳大厦”的24层木混合(采用混凝土中心筒)建筑，目前已接近于完工状态，法国和美国分别在规划35层和42层的木构造建筑，英国伦敦更是提出了建造高度达300m的30层木构造建筑的想象。
1.2 构造体系类型
经过上述多高层木构造建筑案例的枚举，能够看出，将来的多高层木及木混构造建筑将朝着建筑更高、构造体系更复杂多样的方向开展。常用的多高层木及木混构造建筑的构造体系类型包括：轻型木构造体系、木框架支撑构造体系、木框架剪力墙构造体系、CLT剪力墙构造体系、上下组合木构造体系、混凝土中心筒木构造体系以及木剪力墙-钢框架混合构造体系等。
轻型木构造体系是由断面较小的规格材平均密布衔接组成的一种构造方式，轻木构造体系具有经济、平安、构造布置灵敏的特性。在木框架支撑构造体系中，木梁柱作为主要竖向承重构件，斜向支撑作为主要抗侧力构件;在地震区采用该种构造类型的木构造建筑在造价方面较为经济，且能够较好地谐和框架和支撑的受力，使木构造建筑同时具有较大的侧向刚度和良好的抗震性能。木框架剪力墙构造体系主要经过梁柱构件竖向承重，经过剪力墙来承当侧向荷载，其中，剪力墙可为轻木或CLT剪力墙;该构造类型可充沛发挥剪力墙体系抗侧性能较好和框架构造空间布置灵敏的优势，且当剪力墙布置较密而构成筒体时，也可构成木框架-木中心筒构造方式。CLT剪力墙构造体系由CLT墙板承当侧向荷载，具有抗侧刚度大，装配化水平高、耐火及保温性能好等优点。在上下组合木构造体系中，下部采用钢筋混凝土构造或钢构造，上部采用纯木构造体系，如轻木-混凝土上下组合、CLT剪力墙-混凝土上下组合、木框架剪力墙-混凝土上下组合等。在混凝土中心筒木构造体系中，主要抗侧力构件为混凝土中心筒，竖向承重构件采用木框架、木框架支撑或CLT剪力墙。木剪力墙-钢框架混合构造体系主要的竖向荷载由钢框架承当，而所受程度力由钢框架和木剪力墙共同承当。
1.3 问题剖析
固然当前针对多高层木构造建筑的科学研讨处于蓬勃开展的阶段，各国工程建立也正方兴未艾，但是，仍存在一些技术难题有待进一步深化研讨，比方：(1)梁柱节点刚度问题：由于装置需求与施工偏向，木构件上的螺栓孔直径大于螺栓直径，胶合木梁柱节点的初始刚度较低。(2)木框架梁柱构造体系的抗侧性能问题：因木材较低的横纹抗拉强度，侧向力作用下的梁柱节点区易呈现螺栓孔周横向受拉裂痕及劈裂痕，且节点自身转动刚度较小、耗能才能缺乏，该构造体系的抗侧才能较有限;为了进步构造体系整体的抗侧刚度，有必要借助于在原有木框架构造中设置斜向支撑或剪力墙的措施，或改用木剪力墙-钢框架混合构造体系。针对这些问题，国内学者展开了大量的研讨;下面从节点、体系和设计办法层面，引见近年局部在多高层木构造抗震方面的研讨成果。
2 多高层木构造抗震性能研讨
在地震中，节点是整个多高层木构造建筑中最容易毁坏的部位，且节点性能对构造体系诸如层间位移角等地震动力响应的影响至关重要。此外，不同品种的构件经过节点衔接成了体系多样的构造，在构造体系阅历地震作用时，构件与节点间、构件与构件间的内力传送机制及协同受力机制直接决议了多高层木构造的抗震性能。下面将分别从节点性能研讨和构造体系性能研讨两方面来论述多高层木构造抗震性能研讨概略。
2.1 节点性能
为了进步传统螺栓衔接梁柱节点的初始转动刚度，国内学者相继研讨了预应力套管螺栓衔接梁柱节点、基于紧固件和FRP强化的螺栓衔接梁柱节点、经过隅撑增强的螺栓衔接梁柱节点、螺钉衔接胶合木梁柱节点。下面将分类论述。
2.1.1 预应力套管螺栓衔接节点
预应力套管螺栓衔接梁柱节点(图6)由木构件、钢板、套管、高强螺栓、螺母和垫片组成。组装时将套管从钢板两侧塞入木孔，组装完成后对高强螺栓施加预应力，高强螺栓的预紧力经过螺母传给垫片，当外力使木构件相对钢板产生运动趋向时，垫片、钢板、钢管之间的预压力将会在三者的接触面上产生摩擦力;属于经过改善衔接区域的销轴性能，从而使其力学性能取得提升的一类梁柱节点方式。研讨标明：预应力套管螺栓衔接梁柱节点装置便利，且经过摩擦力克制了孔洞间隙形成的不利影响;该节点在高强螺栓呈现显著预应力损失前可以提供较丰满的滞回曲线和很好的耗能才能;随着转动变形增大，套管与钢板间静摩擦力被克制，螺栓预应力损失进步，滞回曲线“捏拢”现象趋于明显[4]。
图6 预应力套管螺栓衔接梁柱节点
2.1.2 基于紧固件和FRP强化的节点
经过在衔接区域贯串光圆螺杆、自攻螺钉等紧固件或包裹FRP布，限制了木材在横纹拉力下的过早开裂，进而强化了衔接区域木材的性能，到达进步螺栓衔接梁柱节点力学性能的目的。
关于经光圆螺杆增强(图7)螺栓衔接梁柱节点，研讨标明：经光圆螺杆增强的节点强度显著进步，裂痕开展速度和裂痕宽度均低于传统节点[5];关于经自攻螺钉增强(图7)螺栓衔接梁柱节点，研讨标明：其主要发作销槽承压毁坏和螺栓弯曲毁坏，且自攻螺钉越多，螺钉直径和间距越大，节点区域裂痕开展地越迟缓，毁坏霎时裂痕宽度也越小[6]-[8]。
图7 光圆螺杆或自攻螺钉增强螺栓衔接梁柱节点
经过采用FRP包裹节点区域木构件，能够起到限值裂痕开展的目的。经过对节点拟静力加载，实验结果标明：FRP 可防止或延缓木梁的受拉脆性毁坏，充沛应用了木材的抗压强度，并降低木材缺陷对其受弯性能的影响[9]-[10]。此外，相较于无FRP强化的螺栓衔接梁柱节点，在1层FRP布和2层FRP布包裹的增强方式下，螺栓衔接梁柱节点的抗弯承载力分别提升14%和18%，其变形才能也有所改善[11]。
2.1.3 隅撑增强节点
相较于斜撑，隅撑对建筑空间的影响较小。基于实验研讨了隅撑增强的螺栓衔接梁柱节点(图8)的力学性能，研讨标明：该类节点具有较好的延性和变形才能，经隅撑增强后，节点的初始转动刚度显著进步[12]。
(a)节点结构(b)毁坏形式
图8 隅撑增强螺栓衔接梁柱节点
2.1.4 螺钉衔接胶合木梁柱节点
在螺栓衔接中，正常加工精度下的螺栓孔直径应当较螺栓直径大0.5~1 mm，因而，基于螺栓衔接的梁柱衔接节点不可防止地存在一定的初始装置间隙，节点初始转动刚度较小。思索到基于自攻螺钉增强后，螺钉外表能够与木材严密贴合，基于实验测试了自攻螺钉增强的螺栓衔接梁柱节点的力学性能(图9)。研讨标明：加载过程中，节点阅历了弹性，受压区木材压溃，压溃区木材压实三个阶段;节点屈从前，不存在低初始刚度阶段;节点延性较好。
图9 自攻螺钉增强螺栓衔接梁柱节点
2.2 构造体系性能
在多高层木构造建筑的体系方面，国内学者系统地研讨了木框架剪力墙构造体系、木剪力墙-钢框架混合构造体系和预应力CLT剪力墙构造体系的抗震性能。
2.2.1 木框架-剪力墙构造
关于木框架剪力墙构造体系，其剪力墙可选轻木剪力墙和CLT剪力墙两种计划。关于胶合木框架-轻木剪力墙构造，实验结果标明：胶合木框架-轻木剪力墙的毁坏形式以面板钉衔接的毁坏为主，其弹性抗侧刚度可视为胶合木框架和木剪力墙的弹性抗侧刚度之和[13]。关于胶合木框架-CLT剪力墙构造，经实验发现，该类混合构造除了具有装置便利特性外，还具有承载力高、抗侧刚度大、延性好等优点[14]。除了经过采用内填剪力墙外，还能够经过添加斜撑来进步木框架的抗侧力性能，基于木框架-支撑墙体的往复加载实验，系统地测试了穿插支撑、人字撑和隅撑对胶合木框架抗侧力性能的提升效果。结果标明：经穿插支撑、人字撑增强后，墙体的抗侧刚度良好，但延性较差;而胶合木框架-隅撑构造体系除了具有理想的抗侧刚度外，还兼有较理想的延性[15]。
2.2.2 木剪力墙-钢框架混合构造
关于木剪力墙-钢框架混合构造体系，先后依次展开了针对木剪力墙-钢框架混合墙体的拟静力实验、针对该类钢木混合构造体系的震动台实验(图10)[16]-[18]。结果标明：构造延性较好，钢框架和木剪力墙具有较好的协同工作性能;构造抗震性能良好，在阅历高达8度的罕遇地震后根本完好，并表现出良好的变形和承载才能。
图10 木剪力墙-钢框架混合构造体系
2.2.3 预应力CLT剪力墙构造
为了防止传统CLT剪力墙的节点区域过早发作集中毁坏，进步对CLT板高抗压强度的应用，提出了自复位CLT剪力墙的概念，测试了预应力CLT剪力墙(图11)的抗侧力性能[19]。结果标明：相较于传统CLT剪力墙，预应力CLT剪力墙的抗侧刚度和承载力均显著进步，且加载完毕后无明显毁坏发作;在对墙体试件侧向加载的过程中，楼板与上下层CLT墙板间一直严密贴合;耗能件可以一定水平上进步墙体的延性及耗能才能。
图11 预应力CLT剪力墙抗侧力实验
3 多高层木构造抗震设计办法
传统的基于承载力的抗震设计法和基于位移的抗震设计法存在着设计性能目的单一的问题。鉴于此，针对多高层木构造建筑，提出了采用基于性能的抗震设计办法[20]，与传统抗震设计办法相比，基于性能的抗震设计主要针对构件变形、构造位移、资料应变等多目的。目前，将基于性能的抗震设计理念运用到构造设计中的途径主要有两种：基于性能的承载力设计法和基于性能的位移设计法。在基于性能的承载力设计法中，首先基于设计目的水准地震反响谱停止强度设计，再停止构造变形验算，构造性能程度要有多水准明白的量化，且应在多级地震水准作用下，对构造性能停止验算;在基于性能的位移设计法中，直接以设计目的水准地震作用对应的构造位移响应为设计性能目的。基于性能的位移设计法更烦琐，且无需晓得与构造体系相关的诸多承载力平安调整系数。
基于木剪力墙-钢框架混合构造体系相关实验结果，有学者提出了基于位移的抗震设计法[21](图12)，并基于该设计流程设计了多幢层数不同的木剪力墙-钢框架混合构造建筑，树立其构造计算模型，经校正，构造抗震性能与设计性能目的相吻合，且小震、中震、大震下的界线位移角倡议取0.6 %，1.5%，2.4%。此外，Sun等[22]基于直接位移抗震设计法设计了8层、12层和16层的预应力CLT剪力墙构造建筑，倡议了小震、中震、大震下的界线位移角分别为0.7 %，1.4 %，2.2 %。
图12 直接位移抗震设计法
4 结论
大量的研讨和工程理论都证明了多高层木构造建筑的可行性和经济性，经过上述从实践工程案例和理论研讨现状方面的论述，得到相关结论：在国外，多高层木构造建筑曾经进入快速开展阶段;在国内，关于多高层木构造建筑，在其抗震性能剖析及设计办法研讨方面已有一定的理论沉淀。虽然如此，在当前多高层木构造建筑的研讨过程中，依然存在一些关键的科学或技术问题亟待处理，能够概括为：(1)在资料方面，性能优越且满足高层木建筑对其力学性能需求的工程木的品种较有限;(2)现有的防火的措施一定水平上限制了当前木构造建筑朝着更高的方向开展，亟需开发更高效的防火技术;(3)关于多高层木建筑的构造体系类型，在木构造与钢及混凝土构造间的组合方式上还有更多开展的空间。
——作者简介——
何敏娟1,2，孙晓峰1，李征1,2(单位：1 同济大学建筑工程系，上海 200092;2 同济大学土木工程防灾国度重点实验室，上海 200092)。
此篇文章登载于2020年《建筑构造》第5期杂志。
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