木结构建筑的抗震机能研究
人类所面临的各种天然灾难中，地动是破坏力最大的至今仍无法明确预测的天然灾难。地动不只导致大量的建筑倒塌，而且引起社会恐慌及人的精力和身材停滞。据统计，全球每年死于地动灾难的人数达数万人，导致的产业丧失达数千亿美元。可以讲，地动的危险普及环球。木布局室第建筑广泛使用的美国、加拿大、日本和新西兰，都存在高烈度的地动灾区，就连地动发生几率远低于其它国度的澳大利亚，近50年内也有遭遇大地动的经历[1]由于地动这种天然征象的不可预报性，工程师们唯一可做的工作便是设计建造能抗震的布局。过去的几十年里，工程师和科学家们不停地观察、研究、调查震害，并逐步清楚了影响布局抗震机能的主要身分，从而引导今后的设计和建造，减少地动丧失。多次震灾调查表明，木框架建筑重量轻，吸能本领强，具有良好的抗震机能[2]从北美和环球的历次强烈地动中得到履历表明，精心建造的木框架衡宇能够给居住者带来安全[2~4]
1木框架建筑的抗震机能
木布局的地动回声比较复杂，包括多种相互影响的还需进一步研究与验证的身分，地动发生时空中运动三要素（空中运动加速率、速率和位移）涉及到布局时可能引起逾越布局所能承受的内力和位移。以往的地动调查表明，除了空中运动特性外，还有下述一些身分影响着木布局建筑的抗震机能[1]
1.1木料特性
木料的物理力学机能取决于其复杂的内部布局，除各自异性外，木料是多孔及非均匀性的质料，木料的强度与刚度随外荷标的目标是顺纹照旧横纹的不同而变化，这也导致了布局的破坏机理的变化。平行或垂直于纤维标的目标的受拉破坏是脆性的空中运动感化下，这种破坏应尽量避免。同理，木料剪切及部门受弯破坏也是脆性的也应尽量避免。木料弯曲破坏的范例主要取决于质料的压、拉强度比。木柱是延性或脆性主要取决于压应力与弯曲应力的比值。只有垂直于木纤维标的目标的受压破坏是延性的可满足抗震设计的要求。另外，木料在短时候荷载感化下强度提高，以及较高的强重比，使得木布局在以往地动中显示出较好的抗震机能。
1.2建筑及布局法则性
历次震害调查表明，平面及竖向法则的建筑物在地动中有良好的抗震机能，而平面及竖向的不法则导致震害加重，特别是建筑物的多少中心与物理中心不重合时，往往会导致建筑物扭转。布局的竖向连续性也是影响建筑物抗震机能的重要身分之一，当建筑物的强度和刚度在竖向不法则时，将会在竖向出现“单薄层”地动引起的能量耗散主要集中在这些单薄层，严重时可导致单薄层倒塌。此外，研究和履历还表明，一些“非布局”构件也有助于增强建筑物的侧向抗力。例如，内墙饰面、隔墙以及多种外墙覆层，都有助于增强建筑物的侧向抗力。
1.3建筑物的动力特性
建筑物的动力特性包括建筑物的振型、自振频率或自振周期。这些建筑物的特性参数主要取决于布局质料特性以及连接节点的强度和刚性特性。研究标明轻型木结构，大部门木布局衡宇的自振周期在0.1~0.85因此，木布局不适宜建造在软弱地基土上。
1.4建筑物的变形特性
影响建筑物抗震机能的另外一个重要参数是建筑物在地动感化下的变形特性，变形巨细集中体现了建筑物的侧向刚度、强度和延性。这些参数相互影响，相互感化，决定了建筑物的动力机能以及连接机能。
1.5多余约束
传力路径多的衡宇一般被认为在布局上具有多余约束。地动中可以提供额外的平安性。保守的由沉重的框架所支撑的建筑布局因仅靠较少的布局构件和连接传力，设计或施工中的任何缺点都可能导致相邻的传力路径超载。而典范的木框架建筑是由数以百计的布局构件和数以千计的钉节点连接构成的这意味着，如果某一个传力路径受到破坏，所承担的荷载可由邻近的构件或节点予以承当。
1.6阻尼及能量耗散
建筑物的阻尼决定了布局能够吸收及耗散地动空中运动能量的身手，通常布局的阻尼小时，建筑物的地动反应就强烈。阻尼的巨细主要取决于建筑物的用料，连接的型式（连接外貌发生滑移或摩擦）连接变形（粘滞阻尼）以及其它一些非布局构件。能量耗散与阻尼有关，地动时大量地动能量感化在布局上，布局能够吸收及耗散地动输入能量的巨细反应了布局的抗震机能。木布局建筑中，其延性及能量耗散是通过钢木连接以及不同构件之间的摩擦这些粘滞阻尼来实现的
2木框架建筑地动震害调查[1]
1964年发生在美国阿拉斯加州威廉王子湾的大地动，北美有史以来最强烈的地动之一（里氏8.4级）尽管震级极高，死亡人数只有131人，并且其中的122人是死于地动引起的海啸。而1999年发生在土耳其的里氏7.4级的地动却夺去了1.5万人的性命。阿拉斯加大学地球物理研究所对1964年地动中的低死亡率有如下的解释：该次地动中有131人死亡，其中在阿拉斯加州有115人，俄勒冈州和加州有16人死亡。强震所造成的低死亡率主如果因为当地生齿密度低，地动发生的时候较好（当天是沐日）以及多数衡宇所使用的建筑质料是木料。
美国加州，公立黉舍的建筑80%为木框架建筑。1994年北岭地动中校园建筑遭毁坏的环境可概述如下：受地动影响的黉舍数目多，绝大部门在地动中保存良好。造成黉舍关闭的地动破坏绝大部门属非布局性破坏，即便是布局性破坏，也是可以修复的一类，并不构成性命威胁。因为很多校舍都是低层木框架布局。无论建造的年月远近，这种布局都具有很好的抗震机能。
调查表明，木框架建筑在地动中造成的职员死亡极低。所调查地域中的大多数衡宇都是按激进要领建造，而不是由工程师特别设计的强烈地动中，绝大多数木框架衡宇完好无损，有些有不同水平的外貌和布局损伤（表1大多数木框架衡宇逊色的抗震机能，维护了性命平安。木框架建筑良好的抗震表示，建立在木布局建筑系统的几个特性之上的1典范的木框架衡宇其面板和饰面钉接在大量木搁栅、墙骨柱之上，从而为地动力提供了附加的传力路径。这类衡宇具有无数的小连接点，而非少数的几个要害的连接点。因此，一旦某一连接点超载，其超载部门的荷载可由相邻的连接点分担。2木料具有较高的强重比，因而木布局一般比其它范例的布局重量轻。3木框架系统采用钉接节点，因而使布局系统有很好的柔性，因此能够在地动中吸收和耗散能量。4经工程设计建造的木框架建筑，其布局用面板（胶合板或定向刨花板）与墙骨柱、搁栅共同构成剪力墙和楼（屋）盖横隔，组成了有效的抗侧向力的建筑组件。保守的木框架室第具备抗震的一些基本要素，而且木框架建筑自身也在不停演变。新型的木基建筑质料的引入，科学研究所带来的更好的细部设计，以及从过去地动中吸取的履历教导，为未来建造更优质的衡宇提供了保证。
尽管从整体上讲，地动时木框架衡宇较为平安。但通过地动震害调查，照旧发现了一些木框架衡宇存在震害。
2.1软弱底层
以往地动时的履历表明，软弱底层会使衡宇易于受到地动力的破坏。底层采用足够的带撑墙或面板墙是保证激进木框架衡宇抵抗地动的基本前提。门窗和车库门等大面积开孔会使墙体面积过小，缺乏以抵御地动形成的侧向力。因此，除非适当加强底层墙体，否则强度缺乏的墙体会导致过度变形，最终造成倒塌。震害调查证明，底层是车库的公寓楼在地动时特别容易受损坏。因此，对有软弱层的衡宇要特别注意其抗震设计和细部处理。
2.2根本的连接
锚栓是用来防止衡宇布局脱离根本的有些旧房在建造时没有使用锚栓将木框架布局与根本连接在一起。履历证明，地动中这些衡宇可能会从根本上滑落。这可以通过在木框架与根本之间增加连接来改进。
2.3矮墙
矮墙是指某些衡宇底层与根本之间的短墙。地动中，很多建有无支撑矮墙的旧房都受到布局性损坏。用木基布局面板加固墙体是一种有效的强化墙的要领。
2.4烟囱
无筋砌体烟囱在地动中极易毁坏。烟囱坍塌又可能殃及烟囱以下的屋顶和墙体。地动后的余震中，受损的烟囱也很危险。加固烟囱或采用轻质质料的烟囱，有助于防止在未来的地动中遭受损坏。
3.5未固定的家具
衡宇构件和电器：地动时，书架等高大的物件会倾倒，滑动或滚动的物件会来回冲撞。繁重、无支撑的隔墙会倒下，连接不当的遮篷和幕墙（如墙砖）会落下而伤及路人。除非有适当支撑，否则家用燃气热水器会很容易翻倒或移位，造成煤气泄露，并且可能引起爆炸。将家具、衡宇构件、电器固定起来能有效减少地动的破坏和造成的丧失。
3木框架建筑抗震研究
木框架建筑从许多抗震科学研究项目中得到改进。这些抗震研究包括从小到钉子测试大到整栋衡宇的足尺地动模拟[5,6]由于多种传力路径和“非布局”构件的孝敬，所以用数学模子模拟激进木框架建筑的抗震机能比较困难。因此，研究职员一般通过更多地了解质料和组件的特性来更好地预测整栋衡宇的抗震机能。通过足尺模子试验，研究职员正在研究整栋衡宇的构件如何共同感化以抵抗地动感化这一复杂模子。这一研究既有助于解释激进木建筑的抗震机能，也能为设计职员提供更有效的设计计划[7~11]
加拿大国度林产工业技能研究院（FORINTEK[12]加拿大最重要的林产研究机构，其抗震研究的重点是对衡宇构件进行测试和建模。研究结果已被用来增强加拿大木布局设计规范中的有关抗震条则。加拿大国度林产工业技能研究院及其合作伙伴同时还研究发展计算机模子，用于评估木框架衡宇在地动中的机能。此计算机模子可作为一种东西，有效地协助工程师进行木框架衡宇的抗震设计。对足尺木框架衡宇的测试早在1965年便已开始。从那时起，天下各地的研究机构相继进行了各种足尺试验。近期的试验包括使用“振动台”来真实地模拟现实的地动效应。
1988年成立的地动工程研究大学联合会(CUREE[13]一个非营利组织，旨在推进地动工程的研究、讲授与实施。该项目由美国联邦紧急事件管理署（FEMA 资助，项目专款由加州紧急事件州长办公室管理。其中美国加州的CUREE项目特别引人关注。加拿大的不列颠哥伦比亚大学（UBC也开展了相关的研究项目。CUREE-加州理工学院的木框架项目由5个部门组成：测试与分析、现场调查、建筑规范与尺度、经济身分、讲授与研究。
该项目包括对足尺衡宇进行模拟不同地动烈度的振动台试验，共进行了3项不同振动台试验：简化足尺双层独立室第试验（加州大学圣迭戈分校）足尺多层公寓楼（楼下建有车库）试验（加州大学伯克利分校）以及简化箱型木框架衡宇模子试验（不列颠哥伦比亚大学）2层衡宇的试验包括了分别模拟激进框架衡宇和经工程设计的衡宇。有些衡宇建造时没有饰面（毛墙）有些则涂有粉饰灰泥。所有衡宇都经历了至少0.5g峰值空中加速率，有些经工程设计的衡宇更经历了0.89g峰值空中加速。对试验结果进行评估后得到以下结论：
1所有试验项目中，所有有饰面（例如：粉饰灰泥）衡宇均未达到接近倒塌”状况。
2CUREE项目中，所有没有饰面（毛墙）两层衡宇均未达到接近倒塌”状况。
3CUREE项目中，一栋三层的毛墙、楼下带车库”衡宇达到接近倒塌”状况。
4试验结果与以前对木框架建筑抗震机能所做的调查非常相符。
5衡宇变形随墙体开孔水平的增加而增加。
6激进衡宇的变形大于相应经工程设计的衡宇的变形。
7外墙涂有粉饰灰泥、内墙加上石膏板后，衡宇的变形大大减少，从而大大减轻了对布局的损坏。
加州大学圣迭戈和伯克利分校开展的CUREE试验、以及不列颠哥伦比亚大学和加拿大国度林产工业技能研究院进行的试验，发生了很多有现实应用意义的结果，可以应用在木框架衡宇的抗震设计上。天下各地对木框架建筑的研究意味着人们对地动如何影响木布局、以及对如何设计更好的抗震布局有了更进一步的解。
4结论
轻质和吸能本领强是木框架的内涵特性，这使得木框架成为地动区首选的衡宇系统。调查表明，符合墙体支撑、连接和锚固基本要求的木框架建筑，地动时可以为居住者带来安全。对小型木框架建筑，建筑规范中的规定为抵抗侧向地动力提供了保证。大型木框架建筑可通过有效的工程设计来抵抗地动力。过去20年来，人们一直在对木框架建筑进行调整间距研究，以便更好地掌握和提高其抗震机能。对北美地动中衡宇机能的考察也使得木框架建筑收益良多。研究项目标试验结果也与以前地动实地考察的发现相当一致。与木框架建筑相关的建筑规范和设计尺度也在不停更新，以反映最新的地动实地观察结果和研究结果[10]
木框架建筑是一种久经证实的建筑要领，对居住在天下上地动危险区的人们木框架建筑能够在强烈的地动中为人们带来平安。过去一个世纪中，木框架建筑在北美的应用取患了极大的胜利。现在木框架建筑正引起天下其它各地的乐趣，这中间的缘故原由很多。有些是因为经济收入的不停提高，对舒适有了更高要求。另一些则是因为最近地动所造成的衡宇倒塌以及无数的死亡，安慰了对安全衡宇的需求。除上述出于抗震缘故原由而建造木框架建筑外，还有许多国度采用木框架建筑是因为人们已经对它做了大量研究，其机能已经得到证实。木框架建筑不只具有经济性和灵活性，而且更能符合与建筑相关规范的要求。
参考文献
[1]venThelandersson,HanJLarsen.TimberEngineering.JohnWilei&Sons,LTD,2003:267~300
[2]ChiaMingUang,KipGatto.Effectoffinishmaterianddynamloadonthecyclicresponsofwoodframshearwall.JStructEng,200312910:1394~1402
[3]DinehartDW,ShentonHW.III.Comparisonofstaticanddynamresponsoftimbershearwalls.JStructEng,19981246:686~695
[4]FalkRH,RafikYI.Dynamcharacteristofwoodandgypsumdiaphragm.JStructEng,198711361357~1370
[5]GattoK,UangCM.Effectofloadprotocoloncyclicresponsofwoodframshearwalls.JStructEng,200312910:1384~1393
[6]Andrefiliatrault,BryanFolz.Performbaseseismicdesignofwoodframeshearwalls.JSrtuctEng,20021284:39~47
[7]FolientGC.Hysteresimodelofwoodjointandstructurdesign.JStructEng,19951216:1013~1022
[8]FolzB,FiliatrautA.Cyclicanalysiofwoodshearwalls.JStructEng,2000b1274:433~441
[9]PDobrila,MPremrov.Reinforcmethodforcomposittimberframefiberboardwallpanels.EngStruct,200325:1369~1376
[10]AhmdeMTarabiaRaficYItani.Seismresponsoflightframewoodbuildings.JStructEng,199712311:1470~1477
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