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(dòng)是破壞力最大的至今仍無法明確預(yù)測(cè)的天然災(zāi)難。地動(dòng)不只導(dǎo)致大量的建筑倒塌，而且引起社會(huì)恐慌及人的精力和身材停滯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年死于地動(dòng)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(dòng)的危險(xiǎn)普及環(huán)球。木布局室第建筑廣泛使用的美國(guó)、加拿大、日本和新西蘭，都存在高烈度的地動(dòng)災(zāi)區(qū)，就連地動(dòng)發(fā)生幾率遠(yuǎn)低于其它國(guó)度的澳大利亞，近50年內(nèi)也有遭遇大地動(dòng)的經(jīng)歷[1]由于地動(dòng)這種天然征象的不可預(yù)報(bào)性，工程師們唯一可做的工作便是設(shè)計(jì)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(jì)和建造，減少地動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(yàn)證的身分，地動(dòng)發(fā)生時(shí)空中運(yùn)動(dòng)三要素（空中運(yùn)動(dòng)加速率、速率和位移）涉及到布局時(shí)可能引起逾越布局所能承受的內(nèi)力和位移。以往的地動(dòng)調(diào)查表明，除了空中運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)的要求。另外，木料在短時(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)，往往會(huì)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(shí)，將會(huì)在豎向出現(xiàn)“單薄層”地動(dòng)引起的能量耗散主要集中在這些單薄層，嚴(yán)重時(shí)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(dòng)力特性
建筑物的動(dòng)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(diǎn)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(gè)重要參數(shù)是建筑物在地動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)或施工中的任何缺點(diǎn)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(jì)的布局構(gòu)件和數(shù)以千計(jì)的釘節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成的這意味著，如果某一個(gè)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(diǎn)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(dòng)空中運(yùn)動(dòng)能量的身手，通常布局的阻尼小時(shí)，建筑物的地動(dòng)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(dòng)時(shí)大量地動(dòng)能量感化在布局上，布局能夠吸收及耗散地動(dòng)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(shí)現(xiàn)的
2木框架建筑地動(dòng)震害調(diào)查[1]
1964年發(fā)生在美國(guó)阿拉斯加州威廉王子灣的大地動(dòng)，北美有史以來最強(qiáng)烈的地動(dòng)之一（里氏8.4級(jí)）盡管震級(jí)極高，死亡人數(shù)只有131人，并且其中的122人是死于地動(dòng)引起的海嘯。而1999年發(fā)生在土耳其的里氏7.4級(jí)的地動(dòng)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(duì)1964年地動(dòng)中的低死亡率有如下的解釋：該次地動(dòng)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?yàn)楫?dāng)?shù)厣X密度低，地動(dòng)發(fā)生的時(shí)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(guó)加州，公立黌舍的建筑80%為木框架建筑。1994年北嶺地動(dòng)中校園建筑遭毀壞的環(huán)境可概述如下：受地動(dòng)影響的黌舍數(shù)目多，絕大部門在地動(dòng)中保存良好。造成黌舍關(guān)閉的地動(dòng)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?yàn)楹芏嘈Ｉ岫际堑蛯幽究蚣懿季?。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(dòng)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(jì)的強(qiáng)烈地動(dòng)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(gè)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(dòng)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(diǎn)，而非少數(shù)的幾個(gè)要害的連接點(diǎn)。因此，一旦某一連接點(diǎn)超載，其超載部門的荷載可由相鄰的連接點(diǎn)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(diǎn)，因而使布局系統(tǒng)有很好的柔性，因此能夠在地動(dòng)中吸收和耗散能量。4經(jīng)工程設(shè)計(jì)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(jì)，以及從過去地動(dòng)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(dòng)時(shí)木框架衡宇較為平安。但通過地動(dòng)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(dòng)時(shí)的履歷表明，軟弱底層會(huì)使衡宇易于受到地動(dòng)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(dòng)的基本前提。門窗和車庫門等大面積開孔會(huì)使墻體面積過小，缺乏以抵御地動(dòng)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(huì)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(dòng)時(shí)特別容易受損壞。因此，對(duì)有軟弱層的衡宇要特別注意其抗震設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)中這些衡宇可能會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)后的余震中，受損的煙囪也很危險(xiǎn)。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(dòng)中遭受損壞。
3.5未固定的家具
衡宇構(gòu)件和電器：地動(dòng)時(shí)，書架等高大的物件會(huì)傾倒，滑動(dòng)或滾動(dòng)的物件會(huì)來回沖撞。繁重、無支撐的隔墻會(huì)倒下，連接不當(dāng)?shù)恼谂窈湍粔Γㄈ鐗Υu）會(huì)落下而傷及路人。除非有適當(dāng)支撐，否則家用燃?xì)鉄崴鲿?huì)很容易翻倒或移位，造成煤氣泄露，并且可能引起爆炸。將家具、衡宇構(gòu)件、電器固定起來能有效減少地動(dòng)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(xiàng)目中得到改進(jìn)。這些抗震研究包括從小到釘子測(cè)試大到整棟衡宇的足尺地動(dòng)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(cè)整棟衡宇的抗震機(jī)能。通過足尺模子試驗(yàn)，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(dòng)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(jì)職員提供更有效的設(shè)計(jì)計(jì)劃[7~11]
加拿大國(guó)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(diǎn)是對(duì)衡宇構(gòu)件進(jìn)行測(cè)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(jì)規(guī)范中的有關(guān)抗震條則。加拿大國(guó)度林產(chǎn)工業(yè)技能研究院及其合作伙伴同時(shí)還研究發(fā)展計(jì)算機(jī)模子，用于評(píng)估木框架衡宇在地動(dòng)中的機(jī)能。此計(jì)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(jì)。對(duì)足尺木框架衡宇的測(cè)試早在1965年便已開始。從那時(shí)起，天下各地的研究機(jī)構(gòu)相繼進(jìn)行了各種足尺試驗(yàn)。近期的試驗(yàn)包括使用“振動(dòng)臺(tái)”來真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)的地動(dòng)效應(yīng)。
1988年成立的地動(dòng)工程研究大學(xué)聯(lián)合會(huì)(CUREE[13]一個(gè)非營(yíng)利組織，旨在推進(jìn)地動(dòng)工程的研究、講授與實(shí)施。該項(xiàng)目由美國(guó)聯(lián)邦緊急事件管理署（FEMA 資助，項(xiàng)目?？钣杉又菥o急事件州長(zhǎng)辦公室管理。其中美國(guó)加州的CUREE項(xiàng)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(xiàng)目。CUREE-加州理工學(xué)院的木框架項(xiàng)目由5個(gè)部門組成：測(cè)試與分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、建筑規(guī)范與尺度、經(jīng)濟(jì)身分、講授與研究。
該項(xiàng)目包括對(duì)足尺衡宇進(jìn)行模擬不同地動(dòng)烈度的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，共進(jìn)行了3項(xiàng)不同振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)：簡(jiǎn)化足尺雙層獨(dú)立室第試驗(yàn)（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(yàn)（加州大學(xué)伯克利分校）以及簡(jiǎn)化箱型木框架衡宇模子試驗(yàn)（不列顛哥倫比亞大學(xué)）2層衡宇的試驗(yàn)包括了分別模擬激進(jìn)框架衡宇和經(jīng)工程設(shè)計(jì)的衡宇。有些衡宇建造時(shí)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(jì)的衡宇更經(jīng)歷了0.89g峰值空中加速。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估后得到以下結(jié)論：
1所有試驗(yàn)項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(yàn)結(jié)果與以前對(duì)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(jì)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(duì)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(yàn)、以及不列顛哥倫比亞大學(xué)和加拿大國(guó)度林產(chǎn)工業(yè)技能研究院進(jìn)行的試驗(yàn)，發(fā)生了很多有現(xiàn)實(shí)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(jì)上。天下各地對(duì)木框架建筑的研究意味著人們對(duì)地動(dòng)如何影響木布局、以及對(duì)如何設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)時(shí)可以為居住者帶來安全。對(duì)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(dòng)力提供了保證。大型木框架建筑可通過有效的工程設(shè)計(jì)來抵抗地動(dòng)力。過去20年來，人們一直在對(duì)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(duì)北美地動(dòng)中衡宇機(jī)能的考察也使得木框架建筑收益良多。研究項(xiàng)目標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果也與以前地動(dòng)實(shí)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(jì)尺度也在不停更新，以反映最新的地動(dòng)實(shí)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(shí)的建筑要領(lǐng)，對(duì)居住在天下上地動(dòng)危險(xiǎn)區(qū)的人們木框架建筑能夠在強(qiáng)烈的地動(dòng)中為人們帶來平安。過去一個(gè)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?yàn)榻?jīng)濟(jì)收入的不停提高，對(duì)舒適有了更高要求。另一些則是因?yàn)樽罱貏?dòng)所造成的衡宇倒塌以及無數(shù)的死亡，安慰了對(duì)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(guó)度采用木框架建筑是因?yàn)槿藗円呀?jīng)對(duì)它做了大量研究，其機(jī)能已經(jīng)得到證實(shí)。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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