在《木结构设计规范》 (GB 50005—2003) ^[1]中, 轻型木结构主要指由木构架墙、木楼盖和木屋盖系统构成的结构体系, 适用于3层及3层以下的民用建筑。该结构体系在北美、欧洲和其他地区有着广泛的应用, 特别是低层住宅建筑。1996年起, 北京、上海等城市陆续出现了出售给外国人的高档轻型木结构别墅, 我国目前50%以上的木结构住宅都采用轻型木结构体系^[2]。

　　 程海江^[3]指出:轻型木结构建筑的整体耗能包括滞回耗能和阻尼耗能, 一般木基剪力墙的滞回曲线不饱满, 耗能能力差;而随着结构的破坏加剧, 结构阻尼从5%增加到20%, 从而保证轻型木结构建筑具有良好的抗震性能。

　　 目前国内轻型木结构建筑的工程设计以构造设计法为主, 少数项目使用底部剪力法进行单自由度静力计算^[4], 从而验算木基剪力墙的抗剪承载力, 但无法进行周期比、层间位移角、位移比及内力等结构指标的复核, 存在一定安全隐患。

　　 轻型木结构的设计方法主要有构造设计法和工程设计法^[5]。构造设计法是一种基于工程经验的设计方法, 当建筑物满足一定条件时, 可不做抗侧力计算, 仅验算竖向构件的承载力, 这种方法仅适用于低烈度区, 且结构较为规则的3层及3层以下建筑;而工程设计法与常规混凝土结构、钢结构一致, 通过计算及构造措施使结构满足承载力极限状态及正常使用极限状态下的要求。

　　 本工程结构设计采用工程设计法, 其主要流程为:先采用底部剪力法进行木基剪力墙的初步布置, 再采用振型分解反应谱法对整体结构进行承载力极限状态及正常使用极限状态分析。

　　 由于木基剪力墙构造复杂, 文献[6-7]提出了不同的模型来模拟木基剪力墙, 其中大多数采用非线性假定, 虽与试验数据较为吻合, 但缺乏工程实际操作性。表1列举了3种木基剪力墙的有限元模型及特点。

　　 根据《多层和混合轻型木结构抗震设计指南》^[8]中的相关结论, 表1中的3种模型都能较好地模拟木基剪力墙, 单元参数按式 (1) ~ (3) 计算, 但由于这些参数都与墙长、楼层层高有关, 导致每片墙体的参数都要单独计算, 不具备工程实际操作性。

　　 等效壳单元厚度t_eq:

　　 等效弹性模量E_{c, eq}:

　　 等效剪切模量G_eq:

　　 式中:I_tr为等效惯性矩;L为墙长;E_c⊥, E_c//分别为横纹、顺纹的弹性模量;H_⊥为边界杆高度;H_//为平行于荷载方向的边界杆长度;K_w为墙体抗侧刚度。

　　 本文采用SAP2000中的分层壳单元来模拟木基剪力墙, 该单元能有效模拟不同高宽比的墙体, 避免由于单层壳体平面外刚度较小产生的局部振动。该壳单元总共分3层, 外侧层模拟定向刨花板, 厚度按实际定向刨花板厚度取值, 弹性模量E_osb取3 000N/mm², 剪切模量G_osb取1 080N/mm^2[9];中间层模拟墙骨柱, 其厚度按等效宽度取值, 弹性模量E_stud取9 700N/mm², 剪切模量G_stud取0。

　　 以一片高2.75m, 长3m的木基剪力墙 (高宽比为0.92) 为研究对象, 顶梁板、底梁板及墙骨柱均采用38×140的SPF (云杉-松-冷杉) 规格材, 端柱为由6根38×140规格材组成的组合墙骨柱;覆面板采用双面10mm厚的定向刨花板;钢钉直径为3.3mm, 钉间距为150mm, 并有抗拔锚固件。墙顶剪力为20k N, 墙顶弯矩为80k N·m, 墙顶竖向恒荷载为10k N/m, 活荷载为6k N/m。

　　 该墙体顶部水平位移Δ按下式计算^[5]:

　　 式中:υ为顶部水平剪力;h_w为墙肢高度;A为墙骨柱截面面积;L_w为墙长;E为墙骨柱弹性模量;G_a为等效剪切刚度;d_n为底部竖向变形;f_vd为抗剪强度。

　　 图1为分层壳单元模拟的单片墙体的顶部水平位移。由分层壳单位、式 (4) ^[5]及表1中的有限元模型计算得到的墙体顶部水平位移见表2。由图1及表2可知, 采用分层壳单元模拟的单片墙体顶部水平位移为4.20mm, 略大于采用式 (4) ^[5]计算得到的计算值。

　　 以2层足尺轻型木结构振动台试验^[3]为研究对象, 采用分层壳单元, 建立整体结构的有限元模型 (图2) , 试验及有限元计算结果见表3。有限元计算得到的基底总剪力及第1阶平动周期与试验结果较为接近, 而1层层间位移角与试验结果约有10%的误差。

　　 本工程位于天津市, 主要使用功能为住宅、汽车库及配套公共建筑, 总建筑面积为67 890m², 地上建筑面积为43 370m², 其中包括20栋3层轻型木结构建筑。结构设计使用年限为50年 (需定期维护) , 建筑结构安全等级为二级, 抗震设防类别为丙类, 设防烈度为8度, 设计地震分组为第二组, 设计基本地震加速度为0.20g, 场地类别为Ⅳ类。1~3层层高分别为3.4, 3.2, 2.6m。图3为标高3.4m处的结构平面布置图, 楼盖、屋盖及木架构墙均使用目测分等SPF规格材, 其材质等级为Ⅱ_c, 主要截面为38×140, 38×185, 38×235。胶合木梁 (转换梁) 由花旗松 (SZ1) 制成, 采用同等组合方式, 其强度等级为TC_T21。覆板 (楼盖、屋盖及墙体) 采用定向刨花板 (OSB) , 其厚度根据不同荷载作用取9, 12, 15mm。

　　 由图3可知, 该轻型木结构建筑在标高3.4m处的南侧楼板有较大开洞 (?, ?轴间) , 同时由于1, 2层窗洞口较大, 造成南侧外墙为多块1m宽、6.6m高的超短肢墙;且由于2层及3层多处木基剪力墙支承于水平转换梁上, 造成结构竖向抗侧力构件不连续 (表4) 。同时该建筑立面还存在竖向体型收进 (图4) 。

　　 根据《轻型木结构建筑技术规程》 (DG/TJ 08-2059—2009) ^[5] (简称木结构规程) 的规定, 除扭转特别不规则或楼层抗侧力突变外, 轻型木结构建筑的抗震计算可采用底部剪力法。各楼层取一个自由度的质点, 坡屋面计算高度取坡屋面的半高处, 水平地震影响系数α₁=α_max, 恒荷载取值如表5所示。通过表6得到该结构底部总剪力设计值为598k N, 假定木基剪力墙在同一方向上构造相同, 即木基剪力墙的抗侧刚度与墙长成正比, 则底部总剪力按该方向的总木基剪力墙墙长线性分配。表7为基于底部剪力法初步估算得到的木基剪力墙规格及其承载力。由表7可知, X向地震作用为本工程的主控作用。

　　 本工程采用SAP2000进行整体结构分析, 木基剪力墙采用分层壳单元模拟, 楼板和屋面采用壳单元模拟, 过梁采用梁单元模拟;木基剪力墙底部采用铰接支座, 在梁、壳单元连接处, 耦合平动自由度, 释放转动自由度;以平屋面模拟坡屋面, 顶层层高取坡屋面半高处。木基剪力墙覆板按表7选用, 边缘杆件为由3根38×140规格材组成的组合墙骨柱, 通过单元刚度修正来模拟钉间距变化对木基剪力墙抗侧刚度的影响。

　　 结构的振型及自振周期是结构的固有特性, 是反映结构动力特性的重要参数。本工程有限元模型取前9阶振型, 前3阶振型见图5, 前3阶结构自振周期如表8所示, 周期比为0.68。根据《木结构设计规范》 (GB 50005—2003) ^[1], 结构基本自振周期T₁可按下式估算:

　　 式中H为基础顶面到建筑物最高点的高度。

　　 根据试验^[6]可知, 木基剪力墙抗侧刚度及结构扭转是影响轻型木结构基本自振周期的主要因素, 由式 (5) 计算得到的结构基本自振周期小于实测值, 二者之间存在明显差值。

　　 多遇地震作用下的计算结果见表9, 其中反应谱法计算得到的基底剪力标准值与底部剪力法接近, 剪重比约为14%。在X向地震作用下, 最大位移比出现在南侧角部的超短肢墙 ( (1) 轴与?轴相交, 跃层处) 。由振型分解反应谱法得到地震剪力分配与底部剪力法有较大出入, 其原因是在振型分解反应谱法中, 地震力按墙体抗侧刚度分配。由表9可知, 楼梯处的X向木基剪力墙底部剪力大于其抗剪承载力, 需在施工图中调整该墙体的钉间距, 使其满足承载力极限状态要求。在?轴超短肢墙处, 通过底部剪力法得到的其墙肢地震附加轴压力较小, 与振型分解反应谱法相差约30k N。同时南侧角部超短肢墙作为Y向墙体的翼缘, 在Y向地震作用下, 该墙体的轴压力已大于其承载力, 故需调整组合墙骨柱截面。

　　 本文通过折减定向刨花板的剪切模量来模拟结构在中、大震作用下木基剪力墙抗侧刚度的下降, 同时通过增大结构的阻尼比来模拟木基剪力墙的阻尼耗能特性。由表10可知, 在多遇及罕遇地震作用下, 结构最大层间位移角分别为1/871, 1/127, 均大于木结构规程中的限值1/250, 1/50。总的来看, 该轻型木结构建筑能满足抗震设计“三水准”设防目标。

　　 由上述计算结果可知, 轻型木结构属于低延性、高弹性承载力结构体系, 与传统混凝土结构或钢结构的抗震性能化设计思路 (高延性、低弹性承载力) 不同, 故轻型木结构的抗震性能目标可定为:结构在罕遇地震下基本处于弹性阶段 (性能目标2) 或有限延性阶段 (性能目标3) , 故在第二阶段抗震设计中, 相应的构造措施也要体现构件低延性、高弹性承载力的特点。

　　 南侧超短肢墙 (?轴处) 的构造措施如图6所示。在超短肢墙的两端设置组合墙骨柱及抗拔连接件, 中部设置抗剪螺栓, 从而保证轴向力和剪力能有效地传递给下部混凝土结构, 组合墙骨柱在跃层范围内贯通, 在转角L墙及外露胶合木梁处增加水平支撑, 该水平支撑由规格材组成, 以此来保持墙体平面外稳定。同时在端部组合墙骨柱之间设置木挡块及成对的斜木撑, 斜木撑倾斜角度约为45°。针对楼板不连续、大开洞的情况, 采取以下措施:在木基楼层板上增设钢拉带, 从而保证楼板水平剪力的传递;同时在木结构楼板上铺设50mm厚的配筋混凝土层, 以提高楼板的整体性;在洞口边缘处提高板内配筋率并增大封头木搁栅的截面。

　　 本文采用SAP2000中的分层壳单元来模拟木基剪力墙, 对天津市一座轻型木结构建筑整体结构进行了有限元分析, 计算了结构的动力特性和不同工况下的内力与变形, 可以得到以下结论:

　　 (1) 分层壳单元能较好地模拟不同高宽比的木基剪力墙。

　　 (2) 地震作用下, 振型分解反应谱法得到的角部墙体的轴压力远大于底部剪力法估算值。

　　 (3) 轻型木结构建筑的抗震设计应体现其低延性、高弹性承载力的特点, 尤其在建筑角部, 应提高构件的抗震构造措施。