木结构墙体增强设计及其性能研究

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《木结构设计标准》(GB50005-2017)的制定为我国木结构建筑的推广应用和发展创造了必要条件,但其内容主要来自北美研究成果,这些内容并不完全适用于工程上应用较多国产材料的木结构墙体。为了降低侧向荷载对木结构建筑造成的损坏,木结构墙体增强设计研究成为亟待开展的课题。为了探索提高木结构墙体抗侧性能的新途径,本研究就斜撑增强木结构墙体抗侧性能及其机理进行了系统研究。采用拟静力加载试验法,重点研究了榫接斜撑、人字形撑、X形撑、K形撑和单斜撑对木结构墙体抗剪强度、弹性抗侧刚度、极限位移、耗能和破坏模式的影响,并在此基础上进一步研究了竖向荷载、高宽比、墙面板对墙体抗侧性能的影响。从钉子抗弯性能、钉节点连接性能、齿板节点连接性能以及墙体框架、墙体单元、墙体抗侧性能方面展开试验研究、理论分析和有限元模拟分析,旨在研究不同增强斜撑对木结构墙体抗侧性能的影响,并将木结构增强墙体应用到设计实践中。主要研究内容和结论如下:(1)通过拟静力单调加载试验法研究两种国产钉抗弯性能、面板钉节点和框架钉节点连接性能以及四种剪切类型的齿板节点连接性能,重点研究了两种国产钉的剪切、拔出承载力性能。研究结果表明:单调加载荷载-位移曲线具有高度非线性和刚度折减特性,没有明显的弹性阶段和屈服阶段。横向和纵向面板钉连接的极限位移和极限荷载差别不大,并在Foschi指数型模型基础上建立了两种国产钉连接特性指数型数值模型,该模型为木结构墙体有限元模拟分析提供了基础资料。此外,齿板四种剪切破坏模式的受剪极限强度试验值比设计值高出3.26%~7.41%,均满足《木结构设计标准》要求。(2)通过6片木结构墙体框架拟静力循环加载试验,对比研究了榫接斜撑、人字形撑、X形撑、K形撑和单斜撑对墙体框架抗侧性能的影响,分析不同位移角时墙体框架的破坏形态和受力机理,建立相应的滞回曲线。研究结果表明,增强墙体框架的抗剪强度比标准墙体框架提高了6.6~23.7倍,弹性抗侧刚度提高了15.2~29.3倍,耗能提高了6.66~10.81倍。由此证明,设置斜撑可以大幅度提高木结构墙体框架的抗侧性能,为木结构墙体增强设计提供理论依据。(3)通过拟静力单调加载和变幅与等幅相结合的循环加载程序,试验研究了6片木结构墙体单元在单调和循环荷载作用下的破坏形态和破坏机理。研究结果表明,单调加载荷载-位移曲线与循环加载推力第一循环包络线吻合度较高;5种增强斜撑均能较大幅度地提高墙体单元的抗剪强度、弹性抗侧刚度和耗能。其中竖向荷载起到类似墙角抗上拔锚固件的作用,能有效约束墙骨柱的上拔和墙体单元的侧向变形。(4)通过6片木结构墙体的单调和循环加载试验,对比研究了榫接斜撑、人字形撑、X形撑、K形撑和单斜撑对墙体抗侧性能的影响。研究结果表明,增强墙体的单位抗剪强度、弹性抗侧刚度和耗能均比标准墙体有所提高,且相同构造的墙体,高宽比越小其抗侧性能越优越。其中,单调加载单位抗剪强度提高了10.54%~68.18%,循环加载单位抗剪强度提高了11.09%~68.34%;单调加载弹性抗侧刚度提高了4.85%~45.45%,循环加载弹性抗侧刚度提高了5.37%~59.06%;墙体耗能提高了10.74%~55.29%,但增强墙体的极限位移低于标准墙体。根据木结构墙体的滞回曲线变化规律和形状分析其滞回特性和抗侧机理,并推导出基于该结构的墙体水平荷载-位移指数型数值模型。(5)采用有限元分析软件ANSYS,并引入定向耦合双弹簧和钉连接指数型模型,对木结构墙体建模并模拟计算其抗侧过程。重点分析了单调荷载作用下木结构墙体的应力分布、墙体变形以及荷载-位移曲线,探讨了增强斜撑对墙体抗侧性能和破坏形态的影响。模拟分析结果与试验结果吻合较好。增强斜撑的设置明显提高了木结构墙体的抗剪强度和弹性抗侧刚度,并验证了钉连接指数型数值模型能够较准确地分析单调荷载作用下的木结构墙体抗侧性能,为木结构墙体增强设计提供分析依据。(6)从木结构增强墙体应用角度理论分析了墙体抗侧力系统的构成和荷载传递情况,分析构造设计法应用的前提条件。根据国内外木结构增强墙体的应用方式与特点,结合墙体震灾损坏情况,将增强墙体应用于木结构建筑底层开洞较大的门窗两侧、缺少侧向支撑和易于受到荷载冲击的位置,以及古旧木建筑已损坏的墙体替换或增强,并试验研究了增强墙体因墙体结构和材料比例的改变对建筑性能的影响,为木结构增强墙体的抗侧性能研究和推广应用提供理论依据。
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