莺脰湖内湖小茶室位于苏州市吴江区平望镇生态公园内, 茶室主体为单层建筑, 建筑投影面积约1 200m², 屋脊高度6.6m, 檐口高度5.05m, 南侧主入口的混凝土雨棚悬挑长度4.6m, 北侧景亭高度4.15m, 景亭通过一段步廊衔接室内空间。本文分析对象为采用钢-木组合体系的茶室主体建筑。建筑效果如图1所示, 建筑立面如图2所示。

　　 结构设计基准期和设计使用年限均为50年, 结构安全性等级为二级, 抗震设防类别为标准设防类 (丙类) , 抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.10g, 设计地震分组为第一组, 建筑场地类别为Ⅳ类。本工程50年重现期基本风压为0.45kPa, 地面粗糙度类别为B类, 体型系数、风振系数及风压高度变化系数按现行《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) 取值。

　　 茶室主体采用钢-木组合结构体系, 内围由10根悬臂钢柱构成结构抗侧力系统, 外围40根胶合木柱为重力柱, 屋面水平构件均采用胶合木梁。竖向构件所围平面尺寸呈长方形, 尺寸为40.8m×16.8m, 结构平面布置图如图3所示, 典型构件信息如表1所示。

　　 参考欧洲标准BS EN 1998-1∶2004^[1], 根据地震作用下钢结构抗侧力体系性能, 按表2茶室主体结构类型可划归为倒摆结构, 水平胶合木梁与钢柱连接节点转动刚度有限, 钢柱顶部发生塑性比较艰难, 基本不会发展成图4 (a) 所示类型, 钢柱底部将是潜在的塑性耗能区, 如图4 (b) 所示。

　　 结构性能系数q考虑了结构的能量耗散能力, 对于立面规则的钢结构体系, 可根据表2延性级别确定性能系数, 本结构设计采用倒摆结构, 鉴于结构体系实为静定结构, 故耗能能力等级采用DCM, 参考上限q值取2, 考虑结构屋面存在一定坡度, 立面不太规则, q值再折减20%^[1], 则本结构性能系数q值取1.6, 将欧洲标准 BS EN 1998-1∶2004^[1]地震作用换算为中国抗规的设计地震作用, 约为1.8倍7度 (0.10g) 多遇地震, 其中1.8是由设防地震水平地震影响系数0.23除以多遇地震水平地震影响系数0.08后再除以性能系数1.6得到的。

　　 关于地震作用计算阻尼比, 欧洲标准BS EN 1998-1∶2004^[1]计算取5%, 中国抗规^[2]小震计算钢材料阻尼比取2%, 木材料阻尼比取5%, 本结构钢柱为抗侧力构件, 胶合木柱为重力构件, 地震作用按1.8倍7度 (0.10g) 多遇地震计算, 阻尼比取2%进行结构计算设计。

　　 对于钢构件与木构件的连接节点转动刚度K_θ, 国内现行规范暂无明确条文规定, 关于此结构计算公式参考欧洲标准BS EN1995-1-1∶2004^[3]计算:

　　 ${\rm K}{}_{\text{θ}}=\frac{{\rm K}{}_{\text{s}\text{e}\text{r}}}{1+\psi {}_2\cdot k{}_{\text{d}\text{e}\text{f}}}{\displaystyle \sum r}{}_{\text{i}}^2(1)$

　　 式中:r_i为单个销轴中心至销轴群形心的距离;K_ser为使用负荷下每个紧固件的每个剪切面的滑动模量, K_ser按表3取值, 对于木-金属和木-混凝土连接, K_ser计算应当建立在木构件密度ρ_m基础上, 并且可将K_ser放大2.0倍;k_def为使用类别的变形修正系数, 按表4取值;ψ₂为准永久系数, 按表5取值。

　　 本工程典型钢柱与胶合木梁连接节点如图5所示。根据表4, 本工程k_def=0.80;根据表5, 本工程ψ₂=0.6;经计算本工程K_ser=15 556N/mm, ∑r²_i=55 176mm², 将以上参数值带入式 (1) , 可算得本工程典型钢柱与胶合木梁连接节点转动刚度K_θ=580kN·m/rad。

　　 结构计算分析采用MIDAS Gen软件 (2017版) , 建筑屋面采用SPF木格栅檩条, 上铺OSB板的轻质屋面系统, 其对结构刚度贡献有限, 结构计算分析不予考虑。计算模型如图6所示。

　　 经模态分析得出, 结构第一阶周期为扭转周期, 其模态见图7, 对于单层建筑结构, 可不控制周期比指标, 但经弹性屈曲分析得出, 结构第一阶屈曲因子为9.7>7 (《多高层木结构建筑技术标准》 (GB/T 51226—2017) ^[4]的限值) , 满足规范设计指标要求。

　　 经计算, 风荷载与地震作用下钢柱最大层间位移角为1/467, 胶合木柱最大层间位移角为1/337, 均满足规范限值1/250要求。Y向地震作用下结构变形见图8, 由图8可见, 钢柱最大变形值约12mm, 胶合木柱最大变形值约15mm。

　　 根据《胶合木结构技术规范》 (GB/T 50708—2012) ^[5], 胶合木构件按非火灾与火灾两种承载力极限状态分别计算设计。胶合木强度设计值与弹性模量将根据使用条件、使用年限、体积、截面高度等因素进行调整, 除此之外, 火灾状态下材料抗弯、抗拉与抗压强度调整系数取1.36, 弹性模型调整系数取1.05。

　　 胶合木构件抗火验算时, 燃烧后的几何特征可按剩余截面计算 (图9) , 构件耐火极限1h对应的有效炭化层厚度为46mm。

　　 鉴于现行软件暂未载入与木结构规范相关的构件承载力与节点承载力设计公式, 故需要人工编译相关公式。

　　 轴压构件稳定系数φ经计算公式如下:

　　 $\begin{array}{l}\phi =\frac{1+f{}_{\text{c}\text{E}}/f{}_{\text{c}}}{1.8}-\sqrt[]{\left[\frac{1+f{}_{\text{c}\text{E}}/f{}_{\text{c}}}{1.8}\right]{}^2-\frac{f{}_{\text{c}\text{E}}/f{}_{\text{c}}}{0.9}}(2)\\ f{}_{\text{c}\text{E}}=\frac{0.47E}{(l{}_0/b){}^2}(3)\\ l{}_0=k{}_{l}l(4)\end{array}$

　　 式中:f_cE为胶合木受压构件抗压临界屈曲强度设计值;f_c为胶合木受压构件抗压及承压强度设计值, 材料为TCt21时, 取值为20MPa;E为胶合木弹性模量;b为构件截面宽度;l₀为构件计算长度;k_l为构件计算长度系数;l为构件几何长度。

　　 按式 (2) ～ (4) 计算得出, 非火灾状态下重力柱轴压构件稳定系数φ为0.33, 火灾状态下重力柱轴压稳定系数φ为0.14。

　　 图10为重力柱在非火灾状态和火灾状态下承载力利用率, 由图10可见, 重力柱非火灾状态下承载力利用率最大约为0.25 (σ_φ/f_c = (1.63/0.33) /20, 其中σ_φ为稳定应力, σ_φ=1.63/0.33) , 火灾状态下承载力利用率最大约为0.90 (σ_φ/f_c = (2.53/0.14) /20) , 其中σ_φ=2.5/0.14) 。

　　 经计算, 胶合梁非火灾状态下承载力利用率最大约为0.67, 火灾状态下承载力利用率最大约为0.95。

　　 典型节点单个销轴承载力计算如表6所示, 根据《胶合木结构技术规范》 (GB/T 50708—2012) ^[5], 采用4类破坏模式的最小值为5.87kN^[5]。

　　 抗侧力钢柱采用厚型防火构造, 满足耐火时限, 无需进行抗火验算。承载力设计是本结构安全性的关键, 采用一阶计算长度分析设计方法^[6]计算钢柱承载力, 选取角部抗侧力柱与其相关范围的重力柱构成计算简图 (图11) 来说明此设计计算方法。重力柱与抗侧力柱覆荷面积见图12, 经计算A₁/A_f比值约为2.9 (其中A₁为重力柱的覆荷面积, A_f为抗侧力柱覆荷面积) , 按重力荷载均匀分布考虑, 则重力柱轴压力N₁与抗侧力柱轴压力N_f比值也为2.9, 抗侧力柱几何高度是重力柱1.11倍, 抗侧力柱计算长度系数的放大系数$\eta =\sqrt[]{1+\frac{{\displaystyle \sum (}{\rm N}{}_1/{\rm H}{}_1)}{{\displaystyle \sum (}{\rm N}{}_{\text{f}}/{\rm H}{}_{\text{f}})}}=2.05$, 其中H₁为重力柱几何高度, H_f为抗侧力柱几何高度, 关于悬臂柱计算长度系数, 工程设计一般取值2.0, 考虑到抗侧力柱为重力柱提供刚度支援, 则抗侧力柱计算长度系数建议取值不低于4.1 (即放大系数2.05×计算长度系数2.0) , 重力柱设计计算长度系数可按1.0取值, 以抗侧力柱的富余承载力为重力柱提供抗侧刚度支援, 使其由有侧移失稳向无侧移失稳发展, 体现“以强扶弱”设计思想。其他区域抗侧力柱计算长度系数确定方法与角部抗侧力柱一致。图13为抗侧力柱承载力利用率分布, 可见, 承载力利用率最大值约为0.65。

　　 (1) 钢-木组合结构体系的竖向构件划分为抗侧力柱与重力柱, 其计算设计方法不同于国内规范中的常规钢结构、木结构。

　　 (2) 参考欧洲标准 BS EN 1998-1∶2004的结构性能系数的规定, 考虑延性与耗能确定本工程的地震作用计算参数。

　　 (3) 由于国内规范暂无钢构件与木构件的连接节点转动刚度计算公式设计时可适度参考欧洲标准BS EN1995-1-1∶2004。

　　 (4) 结构整体指标满足规范要求, 弹性屈曲因子不低于7, 竖向构件层间位移角不大于1/250。

　　 (5) 胶合木构件应按非火灾与火灾两种极限状态分别计算承载力, 鉴于目前软件暂未载入现行木结构标准, 需要人工编译公式进行设计复核, 结果表明构件设计满足规范。

　　 (6) 木结构连接节点应取4类破坏模式的最小值作为承载力设计值, 这部分需要根据现行规范人工编译计算公式。

　　 (7) 抗侧力钢柱设计宜考虑“以强扶弱”的设计思想, 抗侧力钢柱为重力木柱提供刚度支援。