对称性木结构的抗震性能研究

　　摘要：根据国内外的有关文献资料，本文研究了影响木结构抗震的主要因素，针对框架式木结构设计了适合室内进行的试验方案，同时对对称性结构和非对称性结构的抗震性能做了比较研究。
　　关键词：对称木结构；震动试验；抗震性能
　　
　　木结构建筑是自然、舒适、可循环利用的绿色建筑，木结构建筑的抗震性能比较好，尤其是具有对称性的木结构，当房屋处于震动状态时，对称性有利于木结构保持结构的稳定和完整性，对瞬间冲击荷载和周期性疲劳破坏具有良好的延展性，对称性结构渐变的屈服过程可以减轻地震对建筑物的破坏，因此如何利用好对称性在木结构抗震设计中具有重要的意义。
　　1.对称性结构在抗震设计中的意义
　　对称性对于建筑结构的抗震非常重要，对称性包括建筑平面的对称、质量分布的对称、结构抗侧移刚度的对称三个方面。最佳的方案是使建筑平面形心、质量中心、抗侧移刚度中心在平面上位于同一点上，竖向位于同一铅垂线上，简称“三心重合”，建筑平面对称在古代和现代建筑中被广泛的采用，见图1.1和图1.2。建筑平面形状双轴对称是最理想的，但有时局限于设计的要求也只能一个轴对称，有时甚至没有对称轴。建筑平面对称并不能完全保证结构不发生扭转，在建筑平面对称和结构刚度均匀分布的情况下，如果建筑物质量分布有较大偏心，当遇到震动作用时，由震动产生的惯性力将对结构中心产生扭矩，引起建筑物的扭转破坏，这里也涉及到侧移刚度的对称，即使建筑平面是对称的，在对称的建筑外形中进行了不对称的建筑结构布置，结构侧移刚度中心明显的与建筑平面形心和建筑质量中心偏离，造成结构刚度不对称而发生破坏。
　　 
　　图1.1中国对称木结构古建筑平面图 图1.2现代对称性结构建筑平面图
　　2.对称性结构在抗震设计中的基本原理和要求
　　地球上每年发生地震次数在三十万个左右，大多数地震强度较小，基本不会对我们的建筑物造成破害，但是较大强度的地震如果发生在人口稠密的区域，就会造成较大的破坏和人员伤亡，据估计全世界每年平均有近两万人在地震中丧身，由于地震这种自然现象的不可预报性，工程师们唯一可做的事情就是设计建造能抗震的结构，在过去的几百年里，工程师和科学家们不断地观察研究地震灾害，并逐步清楚了影响结构抗震性能的主要因素，在选择材料和结构设计中首先考虑地震的影响，木结构建筑重量轻，吸收能力强，具有良好的抗震性能，在古代结构设计和现代结构设计中被广泛采用，并且木结构的抗震性能也在历次强烈地震中得到了验证，因此，精心建造的木结构建筑能够给人们带来安全感。
　　木结构建筑的抗震设计应该在设计的开始阶段，如果设计初期没有考虑结构的抗震性能，只是一味的追求总体外形美观是错误的，木结构抗震总的原则是平面设计应尽可能的对称，如圆形、矩形、正方、十字型形等对称结构，若采用T型、L型结构，翼缘长度与主体结构尽可能保持长度上的相等，如果翼缘长度过短应该通过扩充的连接使其与主体结构分开，保证主体结构的对称性。结构设计要求平面对称的同时，高度上的对称也是必须考虑的，高度上的对称保证了竖直方向荷载与结构的质心和抗矩的形心一致，结构设计中高度方向的突变从抗震观点看是不可取的，但建筑结构中垂直方向的不规则也是常见的，结构外形的突变会引起强度和刚度的不连续，在震动过程中突变处的刚度会急剧降低，发生较大的侧移并导致整体结构的失效，因此设计中必要的突变应尽可能的与结构的尺寸成比例的变化，使结构强度和刚度沿着高度方向变化的曲线尽可能是平缓光滑的，避免结构形心偏移产生较大的剪力，使结构产生严重的扭转。
　　3.对称结构抗震试验及抗震分析
　　本试验遵照现行有关规范设计出尺寸相同的单层单跨木柱木框架模型，模型跨度为700mm，木柱高度为800mm，木屋架的高度为400mm，木材料选用松木，截面尺寸为40×60mm，结构整体连接采用榫接，并按照抗震规程要求在屋架与柱的连接处设置斜撑，数据采集选用DY－8－16动态数据采集系统，载荷施加采用GZCS－2型加载试验机，设防烈度为Ⅷ度，设计地震分组为二组，设计场地为Ⅰ类场地，第一组重力荷载代表值G=200kN，均匀施加，结构线刚度，阻尼比为0.05，h=0.5m。第一阶段试验单向加载，当单方向施加水平线载荷K1＝200KN/m时，模拟结构承受水平方向的地震力，结构发生水平方向上的震动，随着震动的发生固定柱脚发生相对位移，结构在水平推力的作用下有开裂的趋势，数据采集仪器显示出往复式滞回曲线，重复加载滞回曲线呈现典型的梭形，由此可见对称性结构的塑性变形能力很强，能够很好的吸收地震能量具有良好的抗震性能。第二组试验采用非对称载荷，荷载代表值仍为G=200kN，模拟非对称结构重复上述试验，随着水平荷载的增加，非对称结构的滞回曲线的形状呈现出反S形，并且结构出现较大的位移，比较而言非对称结构的滞回曲线形状不规则，有较大的峰值，由此也说明该结构的延性和地震能量吸收能力比较差。
　　第二阶段试验施加双向载荷，第一组结构仍然均布施加重力载荷，当K1方向施加水平力出现位移后，从另一个方向施加线载荷K2，K2载荷大小通过K1位移进行控制，当K1加载至150KN时位移达到2mm左右，一侧结构出现扭曲用于抵抗水平作用力，此时施加K2至20KN时，K1加载方向位移没有增加，继续均匀增加K2值到80KN时，结构出现缝隙，K1加载方向位移达到4mm，此时观察K2滞回曲线所包围的面积变小，可以看出整体刚度较K1滞回曲线变化不大，塑性变形也很小，K1卸载后结构仍处于弹性阶段。第二组试验采用非对称重力载荷模拟非对称结构重复上述试验，结果当K2值加至30KN时，K1加载方向位移达到6mm，继续均匀增加K2值到80KN时，结构几乎解体，K2滞回曲线呈反S曲线型，且水平荷载为零时，结构的位移不再回零，发生较大的残余变形，由于初始施加重力载荷使顶部有较大的偏心矩作用，结构呈现出明显的不对称，表现出强烈的非线性变化，这种非线性变化也是结构产生裂缝的主导因素。
　　4.结论
　　通过上述实验和滞回曲线比较研究发现，对称性结构能够明显改变木结构的抗震性能。由于对称性结构增加了框架的抗弯刚度，使得结构抵抗水平地震力有了十几倍的增长，并且当另一个方向同时发生震动时，对称性结构能够缓解最大侧向位移，而非对称性结构则不具有这样的优点，比较而言对称性结构的抗震性能优于非对称结构。
　　参考文献：
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　　［5］GB50005-2003.木结构设计规范[S].中国建筑工业出版社
　　［6］GB50011-2001.建筑抗震设计规范[S].中国建筑工业出版社.    免费论文