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木塑集成木构框剪墙体抗侧性能试验研究

杨小军 郝丹 付帅 王佳阳 张璐 俞奕豪

杨小军, 郝丹, 付帅, 王佳阳, 张璐, 俞奕豪. 木塑集成木构框剪墙体抗侧性能试验研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 155-163. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190391
引用本文: 杨小军, 郝丹, 付帅, 王佳阳, 张璐, 俞奕豪. 木塑集成木构框剪墙体抗侧性能试验研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 155-163. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190391
Yang Xiaojun, Hao Dan, Fu Shuai, Wang Jiayang, Zhang Lu, Yu Yihao. Lateral resistance of wood frame shear walls integrated with wood-plastic composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(5): 155-163. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190391
Citation: Yang Xiaojun, Hao Dan, Fu Shuai, Wang Jiayang, Zhang Lu, Yu Yihao. Lateral resistance of wood frame shear walls integrated with wood-plastic composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(5): 155-163. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190391

木塑集成木构框剪墙体抗侧性能试验研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190391
基金项目: 国家自然科学基金项目(31300484),校企合作基金项目(FW201700177)
详细信息
    作者简介:

    杨小军,博士,副教授。研究方向:木材加工与木结构建筑工程研究。Email:yxj5460@163.com 地址:210037 江苏省南京市龙蟠路159号南京林业大学材料科学与工程学院

  • 中图分类号: S781.2;TU366.2

Lateral resistance of wood frame shear walls integrated with wood-plastic composites

  • 摘要: 目的以木塑为主要材料将木塑与木结构相结合,探索一种基于木结构的木塑建筑,是克服现有轻钢结构木塑建筑不足的一个重要途径。墙体抗侧性能是决定木塑建筑在地震灾害作用下能否安全的重要因素,研究木塑集成木构框剪墙体抗侧性能可以为维护木塑建筑安全提供科学依据。方法设计了5片普通木塑集成框剪墙体和3片带斜撑的木塑集成框剪墙体,通过低周反复加载试验方法,研究了墙体的抗侧刚度、抗剪强度、立柱上拔量、刚度退化和单位耗能。结果木塑集成木构墙体的抗侧性能主要取决于木塑材结构支撑方式和覆面板连接方式,其破坏特征表现为覆面板钉连接失效破坏和木塑材连接节点断裂破坏。对于普通墙体,面板钉间距为75 mm时,墙体的抗剪强度、抗侧刚度和单位耗能分别比普通常规墙体的高出了35.40%、16.88%和76.22%。带斜撑墙体抗侧性能均明显优于普通常规墙体,木塑材人型撑和K型撑墙体的抗侧性能均与钢条剪刀撑墙体的相当,其中木塑材K型撑墙体抗侧刚度和单位耗能分别比钢条剪刀撑的高出了14.76%和16.44%,抗剪强度比钢条剪刀撑墙体的低了11.34%。覆面板厚度、斜撑和面板钉连接方式对墙体的约束作用能显著减小墙体框架立柱的上拔。结论木塑材集成方式是墙体抗侧性能的重要影响因素,采用框剪结构,增加斜撑和提高面板钉连接可靠性,能充分发挥木塑材料的优异性能,使墙体满足木塑建筑抗震要求。
  • 图  1  典型木塑集成框剪墙体结构

    Figure  1.  Typical WPC integrated frame shear wall structure

    图  2  框剪墙体试验装置

    Figure  2.  Test device of WPC integrated frame shear wall

    图  3  普通框剪墙体破坏形式

    Figure  3.  Failure characteristics of ordinary frame shear walls

    图  4  Z1墙体破坏形式

    Figure  4.  Failure characteristics of Z1 wall

    图  5  Z2墙体破坏形式

    Figure  5.  Failure characteristics of Z2 wall

    图  6  Z3墙体破坏形式

    Figure  6.  Failure ways of Z3 wall

    图  7  各墙体试件滞回曲线

    Figure  7.  Hysteresis curves of wall specimens

    图  8  各墙体测点3立柱上拔量

    Figure  8.  Uplift of walls’ columns marked with measuring point 3

    图  9  各墙体刚度退化曲线

    Figure  9.  Stiffness degradation curves of walls

    图  10  各墙体单位耗能曲线

    Figure  10.  Unit energy dissipation curves of walls

    表  1  木塑集成框剪墙体试件

    Table  1.   Specimens of WPC integrated frame shear walls

    编号 No.面板厚度
    Panel thickness/mm
    增强方式
    Enhanced way
    面板钉 Slab screw/mm木塑柱间距
    WPC column spacing/mm
    长 Length间距 Spacing
    W1940150610
    W21240150610
    W3124075610
    W41240150406
    W51260150610
    Z112人型撑 ˄-type brace40150610
    Z212K型撑 K-type brace40150610
    Z312剪刀撑 X-type brace40150610
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    表  2  各墙体主要试验结果平均值

    Table  2.   Mean results of lateral test for frame shear walls

    墙体编号
    Wall No.
    峰值荷载
    Peak load
    (Ppeak)/kN
    峰值位移
    Peak displacement ($\scriptstyle \varDelta_{\rm{peak}}$)/mm
    抗剪强度
    Lateral strength (Vpeak)/(kN∙m− 1)
    抗侧刚度
    Lateral stiffness (Ke)/(kN∙m− 1)
    耗能
    Energy dissipation (E)/(kJ∙m− 1)
    W111.4152.039.35314.213.05
    W213.3452.0110.93367.493.28
    W320.6461.6716.92479.535.78
    W417.8965.0314.66394.173.20
    W515.6165.0212.80343.983.63
    Z118.8865.0115.48416.114.24
    Z217.7552.0014.55489.085.03
    Z319.7666.4316.20426.194.32
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-14
  • 修回日期:  2019-11-04
  • 网络出版日期:  2020-05-06
  • 刊出日期:  2020-07-01

木塑集成木构框剪墙体抗侧性能试验研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190391
    基金项目:  国家自然科学基金项目(31300484),校企合作基金项目(FW201700177)
    作者简介:

    杨小军,博士,副教授。研究方向:木材加工与木结构建筑工程研究。Email:yxj5460@163.com 地址:210037 江苏省南京市龙蟠路159号南京林业大学材料科学与工程学院

  • 中图分类号: S781.2;TU366.2

摘要: 目的以木塑为主要材料将木塑与木结构相结合,探索一种基于木结构的木塑建筑,是克服现有轻钢结构木塑建筑不足的一个重要途径。墙体抗侧性能是决定木塑建筑在地震灾害作用下能否安全的重要因素,研究木塑集成木构框剪墙体抗侧性能可以为维护木塑建筑安全提供科学依据。方法设计了5片普通木塑集成框剪墙体和3片带斜撑的木塑集成框剪墙体,通过低周反复加载试验方法,研究了墙体的抗侧刚度、抗剪强度、立柱上拔量、刚度退化和单位耗能。结果木塑集成木构墙体的抗侧性能主要取决于木塑材结构支撑方式和覆面板连接方式,其破坏特征表现为覆面板钉连接失效破坏和木塑材连接节点断裂破坏。对于普通墙体,面板钉间距为75 mm时,墙体的抗剪强度、抗侧刚度和单位耗能分别比普通常规墙体的高出了35.40%、16.88%和76.22%。带斜撑墙体抗侧性能均明显优于普通常规墙体,木塑材人型撑和K型撑墙体的抗侧性能均与钢条剪刀撑墙体的相当,其中木塑材K型撑墙体抗侧刚度和单位耗能分别比钢条剪刀撑的高出了14.76%和16.44%,抗剪强度比钢条剪刀撑墙体的低了11.34%。覆面板厚度、斜撑和面板钉连接方式对墙体的约束作用能显著减小墙体框架立柱的上拔。结论木塑材集成方式是墙体抗侧性能的重要影响因素,采用框剪结构,增加斜撑和提高面板钉连接可靠性,能充分发挥木塑材料的优异性能,使墙体满足木塑建筑抗震要求。

English Abstract

杨小军, 郝丹, 付帅, 王佳阳, 张璐, 俞奕豪. 木塑集成木构框剪墙体抗侧性能试验研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 155-163. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190391
引用本文: 杨小军, 郝丹, 付帅, 王佳阳, 张璐, 俞奕豪. 木塑集成木构框剪墙体抗侧性能试验研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 155-163. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190391
Yang Xiaojun, Hao Dan, Fu Shuai, Wang Jiayang, Zhang Lu, Yu Yihao. Lateral resistance of wood frame shear walls integrated with wood-plastic composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(5): 155-163. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190391
Citation: Yang Xiaojun, Hao Dan, Fu Shuai, Wang Jiayang, Zhang Lu, Yu Yihao. Lateral resistance of wood frame shear walls integrated with wood-plastic composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(5): 155-163. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190391
  • 现代木结构建筑具有绿色生态、外形美观、抗震性能好、工业化程度高、健康宜居等优势,发展现代木结构符合我国可持续发展的战略[1-2]。现代工业生产的工程木产品(如胶合木和木塑复合材等)在结构性能和材料性能上均优于天然木材[3],有效解决了现代木建筑结构用材问题。

    木塑建筑是指以木塑复合材为主要材料的建筑,通常采用轻钢结构为建筑结构,木塑材用作内外墙板、穿钢柱和穿钢梁等。这类建筑尚普遍存在建筑热工性能差、施工周期较长、居住体验差等突出问题[4-5]。与轻钢结构木塑建筑相比,木结构建筑的性能优势明显。以木塑为主要材料将木塑与木结构相结合,探索一种基于木结构的木塑建筑,是克服现有轻钢结构木塑建筑不足的一个重要途径。建筑框剪结构是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合,吸取了各自的长处,既能为建筑平面布置提供较大的使用空间,又具有良好的抗侧性能。运用现代木结构设计方法采用框剪结构将木塑材与木结构相结合,集成应用于木塑建筑,可充分发挥木塑材的材料优势、木结构的构造优势和框架剪力墙的强度优势。

    墙体抗侧性能是决定建筑在地震灾害作用下能否安全的重要因素,是加强和维护建筑安全性的基本保证[6]。在现代木结构建筑中,墙体所占比重较大,是建筑性能、结构安全和建筑设计施工去烦从简的关键。国内外学者研究发现:木建筑墙体中木基结构板种类、规格、节点连接方式、墙骨柱布置方式和墙体内结构形式等都是木建筑抗震性能的重要影响因素[7-10]。木塑集成木构墙体是指以木塑复合材为主要材料,以胶合木为框架的木塑建筑墙体。木塑材料与木材材料性质差异较大,本课题组已围绕木塑集成木构墙体的隔声性能和隔热性能进行了研究,取得了重要研究成果[4-5],然而关于木塑建筑墙体力学性能的相关研究尚未见报道。我们以木塑建筑墙体为研究对象,设计了8片墙体,研究了不同集成方式墙体承载力、形变量和耗能情况,以及在循环加载过程中的主要破坏特征等,这对促进木塑建筑的发展具有重要意义。

    • 墙体框架为胶合木,截面规格120 mm × 120 mm,由产自加拿大的短叶松(Pinus banksiana)规格材复合而成,纹理通直,有少数活节,NLGA标准1级材,含水率约为13%,复合用胶黏剂为单组份聚氨酯。

      墙体结构用“目”型截面中空结构聚乙烯木塑材(wood-plastic composite, WPC),端面规格40 mm × 90 mm,壁厚7 mm。木塑材中木纤维、塑料和添加剂的配比为75∶20∶5。木塑材由安徽森泰木塑集团股份有限公司提供。

      覆面板采用国产9、12 mm厚定向结构刨花板(OSB),实测含水率15%,密度0.42 g/cm3。面板钉为镀锌自攻螺钉,型号为GB846-85-ST4.2 × 40-C-H和GB846-85-ST4.2 × 70-C-H,实际长度为40和70 mm,直径为4 mm。试验用螺栓为强度等级4.8、直径15 mm、长度122 mm的六角螺栓。

    • 试验墙体采用框剪结构形式,即以胶合木为框架,并通过在框架和框架内墙骨柱上采用自攻螺钉连接OSB实现墙体抗剪。胶合木立柱间距1 220 mm,高1 750 mm,胶合木构件间、木塑材与胶合木间都采用T型金属件连接,墙体典型结构见图1

      图  1  典型木塑集成框剪墙体结构

      Figure 1.  Typical WPC integrated frame shear wall structure

      试验墙体共8组,其中5组为普通框剪墙体,主要评价螺钉连接长度、铺钉间距、OSB厚度和木塑柱间距等对墙体抗侧影响,墙体编号为W1、W2、W3、W4和W5。其余3组为带斜撑的框剪墙体,墙体编号为Z1、Z2和Z3。Z1和Z2墙体以木塑材为斜撑,Z3墙体以轻质薄钢条为剪刀撑,轻质薄钢条剪刀撑是木墙体常见的增强方式,用于与以木塑材为斜撑的墙体抗侧性能比较。试验参数如表1所示。

      表 1  木塑集成框剪墙体试件

      Table 1.  Specimens of WPC integrated frame shear walls

      编号 No.面板厚度
      Panel thickness/mm
      增强方式
      Enhanced way
      面板钉 Slab screw/mm木塑柱间距
      WPC column spacing/mm
      长 Length间距 Spacing
      W1940150610
      W21240150610
      W3124075610
      W41240150406
      W51260150610
      Z112人型撑 ˄-type brace40150610
      Z212K型撑 K-type brace40150610
      Z312剪刀撑 X-type brace40150610
    • 试验采用250 kN微机控制电液伺服组合式剪力墙测试系统(YAW-250J),其位移量程为500 mm,主要测定墙体顶端所产生的水平荷载以及相应侧向位移。墙试件的底部滑移、顶部位移和端部墙体立柱上拔,采用YHD型位移传感器测量,位移数据通过动静态应变测试系统(TDS-530)采集。墙体底部采用强度等级4.8,直径15 mm的螺栓作为基础锚栓,墙体柱脚采用强度等级4.8,直径12 mm的螺栓与底梁相连。试验装置和测点布置如图2所示。

      图  2  框剪墙体试验装置

      Figure 2.  Test device of WPC integrated frame shear wall

      低周反复加载试验依据ASTM-E2126(2003)标准实行两阶段位移控制加载。第一阶段依次进行位移幅值为控制位移的1.25%、2.5%、5%、7.5%和10%(控制位移取65 mm)的单次循环持续加载,加载速率保持在0.5 mm/s。第二加载阶段以控制位移的20%、40%、60%、80%、100%和120%为幅值的三角波依次进行3个循环加载。

    • 普通框剪墙体(W1 ~ W5)在加载初期未出现明显破坏现象,在加载后期OSB板发生局部屈曲变形,且受拉端胶合木立柱有明显的上拔。在侧向位移达到控制位移120%时,破坏特征明显,均表现为螺钉剪断与弯曲,胶合木立柱上拔,钉帽拉穿OSB板和T型金属件变形,如图3所示。

      图  3  普通框剪墙体破坏形式

      Figure 3.  Failure characteristics of ordinary frame shear walls

      Z1、Z2墙体分别为人型撑和K型撑框剪墙体,皆通过木塑材斜撑和OSB墙板共同作用约束框架变形。在反复荷载作用下,木塑材斜撑交替受拉、受压,最终以螺栓连接节点处木塑材受拉破坏而终止。Z1墙体整体性能优于Z2墙体,其破坏特征表现为螺栓节点变形、木塑材斜撑劈裂、OSB板分离变形和木塑材拉断,如图4所示。Z2墙体立柱出现一定程度的上拔,其特征表现为木塑材断裂、木塑连接节点变形、螺栓变形和立柱上拔,如图5所示。

      图  4  Z1墙体破坏形式

      Figure 4.  Failure characteristics of Z1 wall

      图  5  Z2墙体破坏形式

      Figure 5.  Failure characteristics of Z2 wall

      Z3墙体为扁钢条剪刀撑框剪墙体,在有钢条的作用下,钢条会约束框架变形,主要通过钢条受拉变形来耗能。在反复荷载作用下,剪刀撑两个钢条交替出现拉直、鼓曲的现象,试验以钢条与框架梁间的钉连接失效而终止,剪刀撑鼓曲变形不能完全恢复。试验破坏后,破坏特征表现为钢条变形、钉节点变形、OSB变形和木塑材钉孔扩大,如图6所示。

      图  6  Z3墙体破坏形式

      Figure 6.  Failure ways of Z3 wall

    • 框剪墙体的各种力学参数根据ASTM E2126-11标准[11]进行分析。抗剪强度(Vpeak)为剪力墙每单位长度的抗剪能力,Vpeak = Ppeak/LPpeak为剪力墙反复荷载试验中第一循环包络线的最大绝对平均值,L为墙肢总长度(1 232 mm)。峰值位移($\varDelta_{\rm{peak}} $)为峰值荷载(Ppeak)对应的位移。弹性抗侧刚度(Ke)是指荷载–位移曲线上升段中的初始位移处和40%最大荷载处之间的割线刚度。剪力墙耗能是反复荷载试验中荷载位移曲线所包围的面积总和。单位剪力墙耗能(E)是指每单位长度的剪力墙在试件破坏时所耗散的能量。

      木塑集成框剪墙体主要反复循环试验结果平均值如表2所示。由表2可以看出:以正、负峰值承载力和峰值位移的均值来分析不同构造参数对抗侧承载力的影响。W1和W2墙体试件峰值荷载及峰值位移相差不大,均远小于相同结构普通框剪墙体(W3、W4和W5)。可见,对于普通框剪墙体,增加面板钉密度、缩小木塑柱间距和增加面板钉连接长度均能提升普通框剪墙体极限承载力。带斜撑墙体峰值荷载存在一定的差异,其中Z3墙体最大、Z1墙体其次、Z2墙体最小,三者分别是参照墙体(W2)的1.48倍、1.42倍和1.33倍,表明木塑材斜撑和钢条剪刀撑均能显著增强墙体抗侧承载力,钢条剪刀撑墙体的略高,符合试验结果预期。

      表 2  各墙体主要试验结果平均值

      Table 2.  Mean results of lateral test for frame shear walls

      墙体编号
      Wall No.
      峰值荷载
      Peak load
      (Ppeak)/kN
      峰值位移
      Peak displacement ($\scriptstyle \varDelta_{\rm{peak}}$)/mm
      抗剪强度
      Lateral strength (Vpeak)/(kN∙m− 1)
      抗侧刚度
      Lateral stiffness (Ke)/(kN∙m− 1)
      耗能
      Energy dissipation (E)/(kJ∙m− 1)
      W111.4152.039.35314.213.05
      W213.3452.0110.93367.493.28
      W320.6461.6716.92479.535.78
      W417.8965.0314.66394.173.20
      W515.6165.0212.80343.983.63
      Z118.8865.0115.48416.114.24
      Z217.7552.0014.55489.085.03
      Z319.7666.4316.20426.194.32
    • 图7为试件在低周反复荷载试验中的滞回曲线和包络曲线。由图7可见:各墙体滞回曲线不饱满,捏缩现象明显,这说明木塑集成框剪墙体的耗散能量较少。除Z3墙体试件外,各墙体试件滞回曲线相似,且第一、二、三包络曲线均呈现逐渐下降趋势,表现出承载力退化现象,这与框剪墙体中的局部破坏和不可恢复变形有关。另外,同级加载的3个循环中,与第一包络曲线相比,第二、第三包络线接近重合,相同位移对应荷载降低较明显,承载力和刚度衰减显著。W3、W5、Z1、Z2墙的滞回曲线相对W1、W2、W4墙试件较为饱满,耗能能力较强。W1墙滞回曲线受压端滞回环面积明显小于受拉端滞回环面积,这主要是由于墙体制作时墙面OSB板厚度较薄,面板与墙体框架间的钉连接不紧密,试验过程中OSB板上出现了钉帽拉穿导致墙体整体性降低。Z3墙体第一、二、三包络线的承载力呈上升趋势,承载力未出现退化现象,与其在加载过程中无明显破坏特征相符合,扁钢条剪刀撑提升了墙体的整体性。

      图  7  各墙体试件滞回曲线

      Figure 7.  Hysteresis curves of wall specimens

    • 表2可见:不同墙体试件抗剪强度和抗侧刚度差异明显,且呈现同样的规律。对于W1与W2而言,两者墙体结构相同墙面板厚度不同,前者墙体面板使用的厚度规格为9 mm,后者为12 mm。W1墙体抗侧性能较弱,其抗剪强度和抗侧刚度皆比W2墙体低了14%以上。墙面板是墙体实现抗剪的主要因素,在同样的钉连接方式下,面板厚度大承载力和刚性较好,有利于抗侧性能的提升,W1墙体面板过薄在试验中易出现钉帽拉穿OSB面板的现象。

      对于W2与W3而言,两者墙体结构和材料相同,螺钉间距不同,前者面板钉间距为150 mm,后者为75 mm。W3墙体抗侧性能较强,其抗剪强度和抗侧刚度分别为W2墙体的1.55倍和1.30倍。面板钉布置密度的提高使钉的群体效应更明显,抗剪承载力大大增强,提升了面板与墙体框架间连接的可靠性。

      对于W2与W4而言,两者墙体材料相同,墙内木塑柱材间距不同,前者木塑柱材间距为610 mm,后者为406 mm。W4墙体抗侧性能明显优于W2,W4抗剪强度和抗侧刚度分别是W2的1.34倍和1.07倍。木塑柱材间距较小时,单位木塑材与面板连接越多,则更多木塑材参与墙体抗剪,有利于墙体抗剪性能的提升。

      对于W2与W5而言,两者墙体结构相同,面板长度不同,前者面板长度为40 mm,后者为75 mm。W5墙体抗剪强度略有提升,抗侧刚度略有下降。这表明面板厚为12 mm时,螺钉钉长为40 mm就能提供足够的握钉力,满足墙体面板与框剪间连接的需要。

      在W3、W4、W5间,通过提高面板钉密度的方法来提升墙体抗剪性能的效果最好,其次是缩小木塑材间距,而通过增加螺钉长度的方法是不可取的。

      在带斜撑墙体Z1、Z2和Z3中,抗剪性能都得到了明显的提升。相对普通常规墙体W2而言,Z1、Z2和Z3的抗剪强度分别高出了41.63%、33.12%和53.98%,抗侧刚度分别高出了13.23%、33.09%和15.97%。Z1为木塑材人型撑,Z2为木塑材K型撑,木塑材斜向支撑墙体框架使墙体框架形成稳定的三角组合结构。Z3为钢条剪刀撑,刚性连接框架上、下梁,在受载过程中两侧的钢条交替受拉,有利于提升墙体的抗剪性能。

    • 墙体立柱上拔量可反映立柱节点连接、墙面板或框架结构形式对立柱与底梁的约束情况。由图8可见:各墙体测点3立柱上拔量差异明显,且随控制位移量增加而增加。W1墙体立柱上拔量和上拔幅度最大,该墙体面板厚度较小,在控制位移量达60%时,部分钉出现钉帽拉穿导致立柱的约束减小。W2、W3、W4和W5的立柱上拔量差异不显著,墙面板厚度一致,覆面板与框架连接的可靠性决定了立柱约束贡献程度。Z2墙体立柱上拔幅度最小,Z2为K型撑结构,木塑材与底梁和顶梁斜向连接,墙体框架稳定。Z3墙体在控制位移量小于60%时,立柱上拔量最小,控制位移量达60%后,上拔量增长幅度较大,Z3墙体中钢条通过自攻螺钉连接墙体上下梁,在控制位移较小时能较好约束立柱,在控制位移较大时反复荷载作用使自攻螺钉出现一定程度的松动,导致立柱约束降低。Z1墙体相比Z2和Z3,立柱上拔量较大,说明人型撑对立柱约束贡献不及K型撑和钢条剪刀撑。

      图  8  各墙体测点3立柱上拔量

      Figure 8.  Uplift of walls’ columns marked with measuring point 3

      覆面板厚度对墙体整体性能的贡献差异较大,覆面板厚度是影响木塑集成墙体整体性能的重要因素之一。较薄的覆面板力学性能较低,钉节点强度和刚性较弱,对木框架的约束较差;而板材越厚,墙体钉节点对力的传递效果越好,越有利于提高墙体刚性和整体稳定性。木塑集成墙体中面板与框架间节点处宜采用厚度较大的覆面板。斜撑对墙体整体性贡献较明显,木塑材K型撑对墙体立柱约束贡献最大,改善墙体结构是提升墙体稳定性的有效举措。

    • 为反映在低周反复荷载作用下墙体结构的刚度,以割线刚度来表示墙体结构有效刚度,第$i$次循环割线刚度${K_i}$定义如下:

      $${K_i} = \frac{{\left| { + {F_i}} \right| + \left| { - {F_i}} \right|}}{{\left| { + {\varDelta _i}} \right| + \left| { - {\varDelta _i}} \right|}}$$

      式中:$ + {F_i}$$ - {F_i}$分别为第$i$次循环正、负向的峰值荷载,$ + {\varDelta _i}$$ - {\varDelta _i}$分别为第i次循环正、负向峰值荷载的对应位移。

      ${\eta _{\rm{K}}}$为刚度退化系数,是第i次循环加载的有效刚度与第1次加载循环的有效刚度之比。图9为低周反复加载试件的刚度退化曲线。由图9可见:在低周反复荷载作用下,试件均存在明显的刚度退化现象。这主要是由于面板、T型金属连接件或螺栓、螺钉剪弯变形等原因造成的。

      图  9  各墙体刚度退化曲线

      Figure 9.  Stiffness degradation curves of walls

      同级别荷载作用下,W1和W2墙体试件的刚度退化最明显,说明墙面板变形和钉剪弯变形对其刚度产生了很大影响,其滞回曲线均出现了明显的捏缩特征。W3、W4和W5墙体试件的刚度退化相对缓慢,反映了钉节点布置密度、钉长和木塑材间距在抗侧力中起主导作用。Z1、Z2和Z3墙体试件的刚度退化性能介于上述两组试件之间。

    • 单位耗能(E)是墙体反复荷载试验中荷载−位移曲线所包围的面积总和,是衡量其抗震性能的重要指标。各墙体试件在低周反复荷载作用下的单位耗能与累计循环次数关系如图10所示。从图10中可看出:各墙体累计单位耗能随累计循环次数增加而增加,在累计循环15次以后,各墙体累计能耗出现了明显差异。W1墙体耗能最小,W1墙体采用的墙面板厚度过薄,容易出现钉帽拉穿,导致面板钉连接失效,使得墙体整体耗能能力不高。W2墙体面板较厚,耗能能力略有提升,比W1提高了7.54%。W4墙体缩小了木塑柱材间距,但耗能与W2相当,表明面板与木塑柱材间钉节点消耗能量较少。W5相比W2,能耗提高了10.67%,增加钉的长度,木材握钉效果好,有利于提升墙体耗能能力。当钉节点间距由150 mm缩小至75 mm时,W3墙体的能耗大幅提升,比W2墙体提高了76.22%,表明增加钉节点布置密度,是提高墙体耗能能力的有效方法。Z1为人型撑结构墙体,在反复荷载作用下,木塑材与金属件螺栓节点耗能明显,比W2墙体高出了29.27%。Z2墙体为K型撑结构,木塑材通过金属件连接约束立柱与顶梁和底梁,耗能效果更显著,比W2墙体提高了53.35%。Z3墙体为钢条剪刀撑结构,在累计循环数20次之前,耗能较低,在此之后耗能增加显著,钢条剪刀撑刚性较好,有利于提高墙体刚度,但不利于墙体耗能,试验后半段,由于连接钢条的自攻螺钉发生剪弯变形,使得钢条对墙体框架的弹性束缚作用降低,导致能耗大幅增加。

      图  10  各墙体单位耗能曲线

      Figure 10.  Unit energy dissipation curves of walls

    • 1)木塑集成木构墙体的抗侧性能主要取决于木塑材结构支撑方式和覆面板连接方式,其破坏特征表现为覆面板钉连接失效破坏和木塑材连接节点断裂破坏。

      2)面板钉节点是实现覆面板与框架连接可靠性的关键,钉节点密度是提升木塑集成墙体抗侧性能的重要因素。对于普通墙体,面板钉间距为75 mm时,墙体的抗剪强度、抗侧刚度和单位耗能分别比普通常规墙体高出了35.40%、16.88%和76.22%。

      3)斜撑可使墙体框架形成稳定的三角形单元组合结构,带斜撑墙体抗侧性能均明显优于普通常规墙体。木塑材人型撑和K型撑墙体的抗侧性能均与钢条剪刀撑墙体相当,其中木塑材K型撑墙体抗侧刚度和单位耗能分别比钢条剪刀撑高出了14.76%和16.44%,抗剪强度比钢条剪刀撑墙体低了11.34%。

      4)覆面板是木塑集成墙体框剪结构的重要组成部分,其厚度对墙体整体性和抗侧性能影响较大,厚度较大的覆面板对提高墙体的抗剪强度、抗侧刚度、单位耗能,以及抑制立柱上拔均有显著作用。

      5)木塑材集成方式是墙体抗侧性能的重要影响因素,采用框剪结构,增加斜撑和提高面板钉连接可靠性,能充分发挥木塑材料的优异性能,使墙体满足木塑建筑抗震要求。

参考文献 (11)

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