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摘要：木框架剪力墻試驗(yàn)研究時(shí)，荷載傳遞梁的剛度對(duì)木框架剪力墻的破壞模式以及側(cè)向荷載承載力有直接的影響，當(dāng)木框架剪力墻墻端以及墻中洞121邊未采用墻端錨栓時(shí)，這種影響更甚。...

不同上部剛度對(duì)木框架剪力墻受力性能影響的試驗(yàn)研究

劉雁 盧文勝 周定國(guó)

揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州225009  同濟(jì)大學(xué)，上海200092 南京林業(yè)大學(xué)，江蘇南京210037

引言

    輕型木結(jié)構(gòu)是北美等地區(qū)最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式之一。與我國(guó)傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)梁柱體系相比，輕型木結(jié)構(gòu)體系具有構(gòu)造更簡(jiǎn)單，受力更合理，利于工業(yè)化定型生產(chǎn)以及施工快捷，施工現(xiàn)場(chǎng)整潔等特點(diǎn)。2003年我國(guó)的《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50005--2003)中也相應(yīng)增設(shè)了“輕型木結(jié)構(gòu)房屋”的有關(guān)條文，但其主要內(nèi)容大部分來(lái)自北美的試驗(yàn)研究成果和規(guī)范，我國(guó)還未系統(tǒng)地進(jìn)行輕型木結(jié)構(gòu)方面的研究工作。2004年始，加拿大國(guó)家林產(chǎn)工業(yè)技術(shù)研究院(Fofintek Canada Corp，現(xiàn)為FPInnovations Wood Product Division)和同濟(jì)大學(xué)合作進(jìn)行了“輕型木結(jié)構(gòu)房屋抗震性能”的系列研究工作，目前已完成了3幢足尺模型的“輕型木結(jié)構(gòu)房屋模擬地震振動(dòng)臺(tái)”以及6片足尺木框架剪力墻的試驗(yàn)研究，本批木剪力墻的試驗(yàn)研究是該合作研究項(xiàng)目的后續(xù)研究之一，其主要目的是通過(guò)試驗(yàn)研究，進(jìn)一步了解木剪力墻的受力性能，為建立木剪力墻的力學(xué)分析模型以及木結(jié)構(gòu)房屋整體性能分析提供參考依據(jù)。

    到目前為止，國(guó)外已完成的足尺木剪力墻試驗(yàn)研究主要集中在研究木剪力墻的構(gòu)造形式、墻板材料以及連接件等對(duì)其結(jié)構(gòu)性能的影響上。木剪力墻試驗(yàn)時(shí)，通常都是在頂梁板上錨接一連續(xù)剛性的鋼梁來(lái)傳遞側(cè)向力，并用這根梁來(lái)模擬上層墻或樓蓋對(duì)下層木剪力墻的約束。這種模擬對(duì)下層木剪力墻的受力性能將產(chǎn)生直接的影響，但現(xiàn)有木剪力墻的各類試驗(yàn)研究中，均未考慮這一影響因素。本文通過(guò)11榀足尺木剪力墻的試驗(yàn)研究來(lái)了解上層墻或樓蓋剛度變化對(duì)下層墻受力性能的影響。其中，9榀為6m長(zhǎng)，2.44m高的單層木剪力墻，其頂梁板上分別錨接分段、鉸接荷載傳遞梁(Wall．A、B、C、D、K)以及連續(xù)剛性荷載傳遞梁(Wall—F、G、H、I)，另外2榀為二層木剪力墻(Wall-E、J)。

1、試件設(shè)計(jì)

    表1為本批木剪力墻試驗(yàn)研究的相關(guān)參數(shù)，除試件Wall-K帶有墻端錨栓外，其余均未設(shè)該裝置。試件墻體主要參照《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》0 3(GB 50005--2003)以及《加拿大木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》01(NBCC，1995)進(jìn)行設(shè)計(jì)，試件的用材、構(gòu)造、受力狀態(tài)和洞口尺寸等與“輕型木結(jié)構(gòu)房屋模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)”中的二層房屋足尺模型的底層受力木剪力墻相似。考慮洞口尺寸、墻頂荷載傳遞梁的剛度以及上層樓蓋等的不同組合，共設(shè)計(jì)了ll個(gè)試件，每個(gè)試件先進(jìn)行單向荷載試驗(yàn)，在修復(fù)木框架以及更換新墻板后再進(jìn)行反復(fù)荷載試驗(yàn)。試件的墻骨柱、頂梁板、底梁板均采用窯干的S-P-F機(jī)械分等規(guī)格材．截面尺寸為38mm×89mm。單層木剪力墻墻骨柱高為2.34m，間距400mm，頂梁板和端部墻骨柱均采用二根。底梁板與內(nèi)部墻骨柱均為單根。二層木剪力墻的上層剪力墻與單層墻構(gòu)造相同，底層因要安裝加載設(shè)備，墻骨柱高為2.4m，其他構(gòu)造與單層墻相同。一二層木剪力墻間利用樓蓋相接，樓蓋采用高200mm長(zhǎng)800mm的工字形格柵，間距600mm，垂直墻頂布置，其間亦用相同工字形格柵填充加強(qiáng)(圖1)。

 

    墻骨柱與頂梁板、底梁板以及工字形格柵與木框架的連接均用中國(guó)產(chǎn)90mm長(zhǎng)櫻花牌普通鍍鋅搓絲釘釘接。墻面板采用9.5mm厚1.2m寬2.4m高的0SB板，其生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)為CSA--0325，產(chǎn)品標(biāo)記為W24。OSB板與木框架用中國(guó)產(chǎn)60mm長(zhǎng)櫻花牌普通鍍鋅搓絲釘釘接形成木剪力墻，0SB板邊緣釘問(wèn)距為150mm，其他部位間距為300mm。對(duì)于開(kāi)有3.6m大門洞的試件，洞口端部的柱共4根，其中一根與頂梁板相連，其余3根支撐門過(guò)粱。開(kāi)有1.2m門洞的試件，洞口端部的柱共2根，其中一根與頂梁板相連，另一根支撐門過(guò)梁。開(kāi)有1.2m的窗洞的試件，洞口端部的柱共3根，其中一根與頂梁板相連，一根支撐窗過(guò)梁，另一根支撐窗臺(tái)梁。

    墻體試驗(yàn)時(shí)，其規(guī)格材與OSB板的含水率分別為12.2％、6％，規(guī)格材的平均密度為0.479/cm3。   

    考慮到施加豎向荷載對(duì)于木剪力墻側(cè)向承載力是有利的，在本批試驗(yàn)中，不考慮活荷載作用，豎向荷載僅取用恒載(3.5kN/m)。

    沿木剪力墻底梁板用直徑12mm的Q235號(hào)鋼錨栓與基礎(chǔ)鋼梁相連，無(wú)洞口和開(kāi)窗洞剪力墻基礎(chǔ)錨栓數(shù)為l0根，開(kāi)有l.2m窗洞的剪力墻基礎(chǔ)錨栓數(shù)為8根．3.6m的大門洞的剪力墻基礎(chǔ)錨栓數(shù)為6根，錨栓平均間距為520mm，第一個(gè)基礎(chǔ)錨栓距墻端為175mm。試件Wall-K的墻端采用了Simpsom—HD2A型墻端錨栓，用直徑12mm的普通螺栓與墻骨柱、底梁板連接。

2、試驗(yàn)方法

    2.1試驗(yàn)裝置和儀器布置

    本批試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)士木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室靜力試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

 

    單層木剪力墻試件的底部和頂部采用寬度80mmx 80mm、壁厚4mm方鋼管作為分配梁，分配梁寬度小于墻骨柱寬度，保證了試驗(yàn)過(guò)程中墻板轉(zhuǎn)動(dòng)不受分配梁的約束。二層木剪力墻僅底部有方鋼管，其二層頂無(wú)論有無(wú)豎向荷載時(shí)，均為懸臂構(gòu)件，有豎向荷載時(shí)，豎向荷載采用八點(diǎn)支承的堆載均勻作用在二層剪力墻頂。

    為充分考慮上層木剪力墻、樓蓋對(duì)下層墻受力性能的影響，單層木剪力墻頂部的荷載傳遞梁采用二種形式。對(duì)試件Wall．A、B、C、D、K，墻頂荷載傳遞梁設(shè)計(jì)成五段，每段傳遞梁長(zhǎng)1.2m，與0SB板等寬，各段之間采用鉸接，使其既能傳遞水平荷載又能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)試件Wall—F、G、H、I，在鉸接荷載傳遞梁的鉸接點(diǎn)附近焊接6個(gè)直徑為l2mm的螺帽，用直徑12mm的螺桿將二根預(yù)先焊接成整體的連續(xù)80mm×80mm的方鋼梁固定到鉸接荷載傳遞梁頂上，以模擬上層墻的作用(圖2)。

    鉸接荷載傳遞梁與頂梁板采用12根直徑12mm的錨栓連接(圖2)，對(duì)于3．6m大門洞，因其過(guò)梁與頂梁板間無(wú)空隙，洞口上方改用6根直徑12 mm的自攻螺栓固定鉸接荷載傳遞梁。

 

    水平荷載采用SHERK系統(tǒng)的水平作動(dòng)器作用在縱墻頂部的鉸接荷載傳遞梁上。對(duì)于二層木剪力墻，試驗(yàn)中為盡量減少荷載傳遞梁對(duì)試件的影響，水平荷載的傳遞通過(guò)一個(gè)l.5 m長(zhǎng)用l0根直徑12mm的自攻螺栓固定在底層木剪力墻頂梁板兩側(cè)的傳遞梁來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    為防止剪力墻發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)，在墻體兩側(cè)布置有抗側(cè)傾裝置(見(jiàn)圖l)。

    2.2儀器布置及測(cè)量?jī)?nèi)容

    本批試驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)3817數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集量測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)量?jī)x器包括位移傳感器和壓力傳感器，主要測(cè)量設(shè)備的編號(hào)和測(cè)量?jī)?nèi)容如下：Ul、U2為拉線式位移計(jì)，用來(lái)測(cè)量墻頂荷載傳遞梁以及底梁板的絕對(duì)水平位移。Vl、V2為位移計(jì)，測(cè)量墻端處墻骨柱的上撥或下壓位移，V3～Vl0位移計(jì)用來(lái)測(cè)量OSB板角部和門窗洞13處的墻骨柱與底梁板或頂梁板的相對(duì)位移。Fl-Fl5為壓力傳感器，測(cè)試基礎(chǔ)錨栓以及鉸接荷載傳遞梁與剛性鋼粱之間的內(nèi)力。量測(cè)儀器布置隨試件有無(wú)洞口、洞口大小以及增加剛性鋼梁等因素而有所變化。(a)、(b)分別為試件Wall—A、Wall—F的測(cè)量?jī)x器布置圖。

    2.3加載協(xié)議

    本批試驗(yàn)加載協(xié)議采用IS016670(2003)制訂的位移控制加載程序。單向荷載試驗(yàn)采用單向拉力，加載速率為7. 5mm/min，數(shù)據(jù)采集頻率為2Hz，當(dāng)試驗(yàn)荷載下降至最大荷載的80％或者試件未達(dá)最大荷載的80％而出現(xiàn)嚴(yán)重破壞時(shí)終止試驗(yàn)。反復(fù)荷載試驗(yàn)的控制位移取相同試件單向加載時(shí)最大荷載的80％或未達(dá)80％最大荷載但試件出現(xiàn)嚴(yán)重破壞時(shí)的位移。反復(fù)荷載試驗(yàn)的加載速率為3 mm/s(Wall-J因二層墻頂堆載，反復(fù)荷載加載速率取1mm/s)，數(shù)據(jù)采集頻率均為2 Hz。

3、試驗(yàn)結(jié)果與分析

    整個(gè)試驗(yàn)歷時(shí)近二個(gè)月。對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果，重點(diǎn)分析木剪力墻的抗剪強(qiáng)度、極限位移、彈性抗側(cè)剛度、基礎(chǔ)錨栓拉力、結(jié)構(gòu)耗能以及墻骨柱傳遞給連續(xù)剛性鋼梁的拉、壓力等結(jié)構(gòu)性能，并討論應(yīng)用連續(xù)剛性鋼梁以及二層剪力墻時(shí)，上部剛度變化對(duì)木剪力墻的影響。

    3.1荷載一位移曲線

    本批試驗(yàn)的木剪力墻試件Wall-A、wall_F、Wall-E和Wall-J在單向和反復(fù)荷載試驗(yàn)中的荷載一位移曲線，第三象限單向荷載的荷載一位移曲線是鏡像處理后的結(jié)果。木剪力墻的荷載一位移曲線不飽滿，呈較明顯的反S形。對(duì)于加載段曲線，每一次加載過(guò)程中，曲線的斜率隨荷載增大而減少，比較各次同向加載曲線，后次曲線比前次曲線的斜率逐漸減少，說(shuō)明木剪力墻試件的剛度產(chǎn)生退化，多次反復(fù)荷載作用后，加載曲線上出現(xiàn)拐點(diǎn)，形成明顯捏縮現(xiàn)象。對(duì)于卸載段曲線，剛開(kāi)始卸荷時(shí)，曲線近似平行于豎軸，恢復(fù)變形很小，荷載進(jìn)一步減少后，曲線趨向平緩，恢復(fù)變形逐漸加快，有明顯的恢復(fù)變形滯后現(xiàn)象。曲線的斜率隨反復(fù)加卸載次數(shù)增大而減小．說(shuō)明試件卸載剛度的退化。除試件Wall-J外，同一試件的單向試驗(yàn)的荷載一位移曲線與反復(fù)荷載第一循環(huán)的包絡(luò)線相似，由表2統(tǒng)計(jì)分析，兩者之間相差在10％內(nèi)。對(duì)于Wall-J單向試驗(yàn)的最大荷載比反復(fù)試驗(yàn)高出近23％，其原因可能是施加的墻頂豎向荷載對(duì)于單向荷載木剪力墻承載力的影響大于反復(fù)荷載作用下的木剪力墻。豎向荷載的作用進(jìn)一步減少了木剪力墻的墻端及洞口邊墻骨柱的上拔，墻板與木框架間相對(duì)變形減少，使得單向荷載作用下連接墻板與木框架間的釘子作用得到增強(qiáng)，木剪力墻承載力則有所提高：而反復(fù)荷載作用下，釘子處于連續(xù)的反向拉剪狀態(tài)，導(dǎo)致其與墻板和木框架的連接松動(dòng)，木剪力墻承載力變化不大。

    3.2單位長(zhǎng)度抗剪強(qiáng)度

    反復(fù)荷載試驗(yàn)單位長(zhǎng)度抗剪強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱抗剪強(qiáng)度)的平均值，以及單向荷載的抗剪強(qiáng)度值，可以發(fā)現(xiàn)構(gòu)造相同的試件加上剛性荷載傳遞梁后，其抗剪強(qiáng)度均有所增加。Wall-F比Wall—A的抗剪強(qiáng)度平均增加了l8％，Wall-G比Wall.B平均增加了17.3％．Wail-H比Wall—C的平均增加了9％；Wall-I比Wall-D平均增加了1.8％。

    同樣，二層足尺木剪力墻試件Wall—E與墻頂僅設(shè)有鉸接荷載傳遞梁的試件Wall-D相比，其抗剪強(qiáng)度增加明顯(平均增加了28.5％)，二層足尺木剪力墻試件(Wall—E，J)的抗剪強(qiáng)度己達(dá)到裝有墻端錨栓試件墻(Wall-K)的抗剪強(qiáng)度，即足尺無(wú)洞口墻的抗剪強(qiáng)度。二層足尺木剪力墻能顯著提高無(wú)墻端錨栓墻抗剪強(qiáng)度的主要原因是：上層墻體能有效地阻止下層剪力墻墻端及洞口邊墻骨柱的上拔。對(duì)于試件Wall—J．其二層頂部施加的豎向荷載對(duì)墻的反復(fù)荷載抗剪強(qiáng)度影響不大，這與裝有墻端錨栓試件墻在施加了豎向荷載后其抗剪強(qiáng)度增加不多的結(jié)論類似。另外試件Wall．A、F的抗剪強(qiáng)度均小于裝有墻端錨栓的標(biāo)準(zhǔn)試件Wall．K。Wall—C、H抗剪強(qiáng)度高于裝有墻端錨栓的標(biāo)準(zhǔn)試件Wall．K，是因?yàn)橛?jì)算時(shí)忽略了窗洞上、下墻體的作用所致。

4、破壞形態(tài)

    從試驗(yàn)破壞形態(tài)可見(jiàn)，木剪力墻試驗(yàn)的破壞形態(tài)主要有釘節(jié)點(diǎn)破壞、墻骨柱與底梁板分離兩種。開(kāi)有門窗洞口時(shí)，洞口邊緣墻面板會(huì)發(fā)生局部擠壓現(xiàn)象。增加剛性鋼梁以及二層墻體對(duì)木剪力墻的破壞形態(tài)無(wú)明顯改變。

5、結(jié)論

    本文詳細(xì)敘述了11榀足尺木剪力墻試件的試件設(shè)計(jì)、試驗(yàn)裝置、測(cè)試內(nèi)容和儀器布置、加載程序等，并給出了單向和反復(fù)荷載試驗(yàn)?zāi)炯袅�墻的荷載一位移曲線試驗(yàn)結(jié)果。重點(diǎn)研究了增加剛性鋼梁以及二層墻對(duì)不同形式木剪力的抗剪強(qiáng)度、彈性抗側(cè)剛度、極限位移、錨栓應(yīng)力以及剛性荷載傳遞梁中的內(nèi)力的影響。最后簡(jiǎn)單描述了木剪力墻的破壞形態(tài)。綜上所述，可得出如下結(jié)論：

    (1)相同試件其單向試驗(yàn)的荷載一位移曲線與反復(fù)荷載試驗(yàn)的荷載一位移曲線第一循環(huán)的包絡(luò)線相似。反復(fù)荷載試驗(yàn)荷載一位移曲線不飽滿，呈明顯的反s形，多次反復(fù)荷載作用下試件剛度退化并有捏縮以及恢復(fù)變形滯后現(xiàn)象。

    (2)增加剛性荷載傳遞梁以及二層墻對(duì)于木剪力墻的破壞形態(tài)無(wú)明顯影響。

    (3)與僅設(shè)有鉸接荷載傳遞梁的試件相比，增加剛性荷載傳遞梁能有效提高木剪力墻的抗剪強(qiáng)度。二層墻體能顯著提高無(wú)墻端錨栓木剪力墻的抗剪強(qiáng)度。   

    (4)荷載傳遞梁和上層墻體的剛度對(duì)木剪力墻的  荷載一位移曲線有直接的影響。上層墻體能明顯減少木剪力墻的極限位移。

    (5)單向試驗(yàn)時(shí)，試件基礎(chǔ)螺栓內(nèi)力有明顯的內(nèi)力重分布現(xiàn)象。

    (6)在側(cè)向水平力作用下連續(xù)剛性荷載傳遞梁中產(chǎn)生了較大內(nèi)力，表明上層墻體可以產(chǎn)生相當(dāng)大的反力來(lái)抵消外荷載引起的上拔力。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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