劉睿靜 王喜明 徐偉濤 李源河 姚利宏

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，呼和浩特 010018；2.國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計院，北京 100010）

1 正交膠合木抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1.1 歐洲與加拿大標(biāo)準(zhǔn)的修訂

近年來，歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會（CEN）對抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計、評估和翻新（EC8）部分展開修訂工作，并將于2021年前發(fā)布最新版本[1]。新版本中，將對不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行詳細(xì)描述，以延性等級規(guī)定不同結(jié)構(gòu)中的減震系數(shù)（q）值，確定不同結(jié)構(gòu)的容量設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及用于脆性部件設(shè)計的超強(qiáng)度系數(shù)(γRd)值[2]。正交膠合木（CLT）將被視為一種木基材，CLT結(jié)構(gòu)被歸為一種耗散結(jié)構(gòu)[3]。以建筑物級別和容量級別分別提供設(shè)計規(guī)范，一方面可避免出現(xiàn)不穩(wěn)定特性或軟弱層結(jié)構(gòu)，另一方面可防止延性結(jié)構(gòu)元件發(fā)生脆性破壞?；诤纳⒛芰Σ煌瑓^(qū)分整體墻（長段高寬比低的面板)與分段墻（通過自攻螺釘配合的搭接固定在一起的窄板）兩種建筑物組裝結(jié)構(gòu)，且規(guī)定分段墻系統(tǒng)內(nèi)單面板寬度不小于0.25倍層間高度。連接設(shè)計則旨在提供一種延性失效模式，并建議使用1.3作為建筑物結(jié)構(gòu)的超強(qiáng)度系數(shù)值(γRd)。

加拿大建筑物標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（NBCC）規(guī)定減震系數(shù)為Rd×Ro，其中Rd為延性系數(shù)，Ro為超強(qiáng)度系數(shù)。加拿大木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（CSA O86）在2016年的補(bǔ)編部分增加了CLT元件及連接件的詳細(xì)設(shè)計規(guī)范和CLT剪力墻與隔板設(shè)計內(nèi)容[4]。該規(guī)范適用于30 m以下的CLT建筑，高地震區(qū)范圍縮至20 m。基于容量設(shè)計原則和一定的墻寬比設(shè)計的CLT結(jié)構(gòu)，Rd不超過2，Ro等于1.5。其他橫向抗載系統(tǒng)按NBCC替代方案設(shè)計。當(dāng)墻板高寬比小于1∶1或僅起滑動作用時，減震系數(shù)Rd×Ro值不超過1.3[5]。作為抗側(cè)力體系的一部分，當(dāng)由剪力墻連接件產(chǎn)生的阻力達(dá)到其整體結(jié)構(gòu)耗能過程最終阻力的95%時，板內(nèi)抗剪強(qiáng)度高于板內(nèi)地震力，非耗散連接應(yīng)保持彈性。大量試驗結(jié)果表明，整體墻CLT結(jié)構(gòu)可抗風(fēng)卻不足以抗震。純搖動或搖動滑移形態(tài)是CLT結(jié)構(gòu)抗震性能響應(yīng)機(jī)制較好的表現(xiàn)。因此，為了抵抗地震荷載，整體墻應(yīng)替換為分段墻，其高寬比須在1∶1至4∶1之間。

1.2 減震系數(shù)的確定

試驗研究中通常根據(jù)研究對象結(jié)構(gòu)估定其減震系數(shù)值。Ceccotti和Follesa[6]在三層分段墻結(jié)構(gòu)的振動臺測試中設(shè)定q為3.4；七層分段墻結(jié)構(gòu)振動臺試驗中設(shè)定q為3.0[7]。Flatscher等[8]在三層整體墻結(jié)構(gòu)的振動試驗中設(shè)置q為2.8。Pei等[9]在分段墻的全尺寸結(jié)構(gòu)模擬試驗中設(shè)置q等于4.5。Pozza等[10]的整體墻的全尺寸模擬試驗中設(shè)置q為2.0。Popovski等[11]在單組件（連接和CLT壁系統(tǒng)）測試中設(shè)置q為3.0。綜上可知，窄壁拼接分段墻結(jié)構(gòu)試驗的q值均高于整體剪力墻結(jié)構(gòu)試驗中的擬定值，值差由分段墻結(jié)構(gòu)的壁間接頭增加能量耗散所致。

目前歐洲設(shè)計規(guī)范中仍未對任何特定情況下的CLT結(jié)構(gòu)q系數(shù)定值，但將于修訂版中規(guī)定耗能能力（DCM）結(jié)構(gòu)q建議值為2.0，高耗能能力（DCH）結(jié)構(gòu)q建議值為3.0。加拿大設(shè)計規(guī)范中，減震系數(shù)q對應(yīng)Rd×Ro，其中Rd不超過2，Ro等于1.5。窄壁長高比大于1的面板Rd×Ro的值不超過1.3。

1.3 超強(qiáng)度系數(shù)的確定

延性連接能力分析值的5%與實際強(qiáng)度值的95%之間的差值稱為脆性部件所需的超強(qiáng)度（γRd）[2]。容量設(shè)計中，超強(qiáng)度系數(shù)是避免脆性部件失效并確保整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有延性響應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計因素。為了確保結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮其延展性，需要提高脆性構(gòu)件及破壞模式的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。若將超強(qiáng)度系數(shù)應(yīng)用于延性構(gòu)件強(qiáng)度計算，可以確保延性機(jī)制在力的加載過程中最先被破壞，從而避免結(jié)構(gòu)的脆性損壞。

Jorissen和Fragiacomo根據(jù)以下方程式定義超強(qiáng)度的值[12]：

電力安全工器具就是在電力生產(chǎn)過程中涉及到人身安全的工器具，其在電力生產(chǎn)過程中發(fā)揮了重要作用。但是，隨著電力生產(chǎn)的集中，電力安全工具存在的一些隱患日益突出，造成人員傷亡和電力設(shè)備損毀的事故經(jīng)常發(fā)生，使得電力企業(yè)面臨這很大的壓力，在安全工器具的管理上還存在著不少的問題，這些問題都有可能導(dǎo)致事故發(fā)生，因此，電力企業(yè)要加強(qiáng)對安全工器具的管理，找出管理上存在的問題，實施有效的策略徹底的解決這些問題，促進(jìn)電力企業(yè)的順利發(fā)展。

其中，R5%和R95%是單調(diào)測試中延性組件試驗強(qiáng)度容量5%和95%的值，Rk和Rd是由分析法而得的同一結(jié)構(gòu)單元特性與設(shè)計強(qiáng)度值。γsc是R95%和R5%之比，用于說明連接強(qiáng)度特性的分散性，也可說明連接的可靠性。以R5%與Rk的比值確定γan，用于評估分析模型預(yù)測強(qiáng)度的準(zhǔn)確性。材料性能的部分安全系數(shù)γM對應(yīng)EC8中按耗散行為設(shè)計的延性元件值。需注意的是，若根據(jù)一般規(guī)則（如EC5）來規(guī)定Rk，則可能低估了延性構(gòu)件的強(qiáng)度，這種情況下應(yīng)由γan和γsc共同決定γrd值。相反，當(dāng)用試驗結(jié)果或不同設(shè)計規(guī)范來定義Rk時，則視γan值為1，該情況下γRd與γsc值相等。

2 正交膠合木結(jié)構(gòu)抗震性能試驗

正交膠合木（CLT）結(jié)構(gòu)在地震條件下的性能表現(xiàn)優(yōu)越，穩(wěn)定歸結(jié)于其極高的面內(nèi)剛度和承載力，以及良好的面外抗彎抗剪性能[13]。相關(guān)試驗通常對連接節(jié)點、CLT剪力墻和整體結(jié)構(gòu)三方面開展CLT結(jié)構(gòu)抗震性能研究。

2.1 連接測試

CLT建筑中使用的連接通常分為兩組，一組是用于防止剪力墻搖擺滑動的抗拔錨固件和角鋼連接件，一組是防止相鄰剪力墻或者地板與下面墻間相對滑動的以自攻螺釘連接的搭接節(jié)點。

抗拔錨固件和角鋼連接件的滯后行為一直是連接性能研究的重點。Givric[14]和Flatscher等[15]分別對此進(jìn)行測試。結(jié)果表明：經(jīng)由抗剪角支架承載，額外的能量耗散和延性破壞總在張力上體現(xiàn)，其受拉性能良好，但抗側(cè)力性能不佳。Hossain等[16]對帶有雙角度全螺紋螺釘?shù)陌彘g連接，試驗表明：盡管連接點上的力會造成類似木構(gòu)件開裂的脆性破壞，但其連接強(qiáng)度和剛度均遠(yuǎn)高于半螺紋螺釘。連接件特性的循環(huán)加載試驗已通過改變連接件的厚度與幾何形狀進(jìn)行大量測試?？紤]到同時存在雙向荷載，研究者對幾種錨固件、角支架和螺釘也分別進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果表明：剪切-張力共同作用影響連接件的力學(xué)性能和耗散能力。

近年來，有學(xué)者對創(chuàng)新的連接系統(tǒng)性能進(jìn)行了研究。Baird等[17]將U型連接器使用在CLT面板間連接中。Latour等[18]設(shè)計了一種可將能量耗散至法蘭板上的沙漏型支架。Loo等[19]在剪力墻研究中使用了滑動摩擦裝置。Sarti等[20]研究了一種可更換的耗能器，該耗能器是由一根充滿水泥或環(huán)氧樹脂的低碳鋼筋組成。Hashemi等[21]開發(fā)了一種無需采用后張預(yù)應(yīng)力筋便可使墻具備自定心性能的滑動摩擦接頭。Polastri等[22]分析了X-Rad連接器的滯回特性，該連接器具有良好的延性和高耗能能力，以及具有很強(qiáng)的抗剪抗拉性能。Schmidt等[23]提出一種鋼板與LVL相結(jié)合的CLT板間接頭。與傳統(tǒng)連接件相比，這些連接系統(tǒng)在限制殘余漂移和峰值加速度的同時，具有較大的延展性。

2.2 剪力墻測試

各國研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者通過開展整體式和分段式剪力墻試驗，進(jìn)一步探討CLT結(jié)構(gòu)所具備的滯回特性。Dujic等[24-25]是最早開展CLT剪力墻試驗研究的團(tuán)隊之一，該團(tuán)隊的測試結(jié)果表明：剪力墻的承載力受錨固強(qiáng)度和連接點木材破損情況影響，同時邊界條件對CLT墻的抗側(cè)力性能有極大影響；CLT剪力墻的開口最多能占墻壁面積30%，此時墻剛度降到不帶孔壁板的50%。Shahnewaz等[26]進(jìn)一步研究了開口墻體的性能，并提出針對開口尺寸長寬比和剪力墻長寬比變化下墻體剛度的預(yù)測方程。

Popovski等[11]研究了32種不同配置的CLT墻，發(fā)現(xiàn)面板間接頭和金屬支架是CLT墻體延性的主要來源。Gavric等[14]使用整體式和分段式的剪力墻分別進(jìn)行循環(huán)試驗,前者研究了不同錨固件布局的力學(xué)特性，后者則研究了2塊狹長CLT板垂直連接中螺釘?shù)挠绊?。Hummel等[27]進(jìn)行了類似的試驗并將研究樣本擴(kuò)大到有開口的墻壁。Hristovski等[28]對整體和分段剪力墻進(jìn)行振動臺測試，發(fā)現(xiàn)與上述的靜態(tài)循環(huán)試驗相比，動態(tài)的振動臺試驗對剪力墻性能的變化記載更加詳明。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，CLT剪力墻幾乎充當(dāng)剛體，連接提供了所有的延性與能量耗散。連接節(jié)點的類型、數(shù)量及位置布局的不同決定了CLT墻的循環(huán)行為。此外，分段墻試驗表明：板材高長比和連接節(jié)點螺釘數(shù)量的不同對整體結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能有直接影響。

2.3 整體結(jié)構(gòu)測試

SOFIE項目中，Lauriola等[29]對一層近似帶有門窗的建筑進(jìn)行無額外垂直載荷的擬動力試驗。試驗以3種不同的設(shè)計變體來研究不同開口尺寸對裝配性能的影響，結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)沒有重大損壞但出現(xiàn)了與開口面積成比例的橫向變形。Ceccotti和Follessa[6-7]為了確定CLT剪力墻的q近似值，對一個三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完整的振動臺測試，隨后增至七層。試驗期間，建筑物較低樓層錨固件部分損壞，頂層的地面加速度較高，但10次大震后基本無殘余漂移并恢復(fù)到原始的平衡位置。試驗表明：結(jié)構(gòu)可抵抗的最大地面加速度峰值達(dá)歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計值的3倍，在此最大峰值加速度激勵下，抗拔錨固件、抗剪角支架螺釘均有明顯的拔出或者屈服，但停止激勵后，結(jié)構(gòu)無明顯殘余變形，具有良好的自復(fù)位特性。Flatscher和Schickhofer[8]對裝配整體墻和全紋螺釘?shù)娜龑咏ㄖ镞M(jìn)行振動臺測試，結(jié)果顯示其側(cè)向變形低于SOFIE項目中的三層結(jié)構(gòu),層間位移相對較小。此外，Popvski和Gavric[30]在準(zhǔn)靜態(tài)荷載條件下測試了兩層樓結(jié)構(gòu)，在該試驗中，即便到達(dá)最大承載力，整體結(jié)構(gòu)也未表現(xiàn)出不穩(wěn)定特征。

日本學(xué)者對多層CLT結(jié)構(gòu)開展了數(shù)次振動臺試驗。Tsuchimoto等[31]對CLT三層結(jié)構(gòu)的靜態(tài)側(cè)向承載力和抗震性能展開研究。與此先歐洲和加拿大試驗樣本的不同之處在于，該結(jié)構(gòu)由拉力螺栓和鋼木螺釘而非抗拔錨固件和角支架組裝。Kawai等[32]研究了類似的五層結(jié)構(gòu)的動力學(xué)性能，同時還將分析擴(kuò)展到三層實木框架CLT外墻的組合結(jié)構(gòu)中。Yasumura等[33]研究了分別由整體墻和分段墻建造的雙層CLT結(jié)構(gòu)，并對試驗中的損壞區(qū)域和損壞程度進(jìn)行對比。試驗中其整體墻結(jié)構(gòu)開口邊角處產(chǎn)生開裂，分段墻結(jié)構(gòu)僅檢測到墻角縫隙及地板彎曲。結(jié)果表明：整體墻結(jié)構(gòu)的能量耗散行為僅依托錨固連接，故只具低至中等的地震耗散力；分段墻結(jié)構(gòu)則因板間相互搭接節(jié)點使建筑物延性增強(qiáng)，可達(dá)到很高的地震能量耗散[34]。

3 正交膠合木結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)研究

抗震技術(shù)(SPT)是當(dāng)前木材工程研究熱點，所有類型的SPT，都遵循同一原理，即不增加結(jié)構(gòu)側(cè)力，專注于減少地震需求。從能量角度來講SPT描述的是結(jié)構(gòu)在地震中的動態(tài)特性[35]，旨在防止輸入結(jié)構(gòu)的地震能量變?yōu)閯菽埽瑥亩档湍窘Y(jié)構(gòu)在地震中的損壞風(fēng)險[36]。應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)的SPT，可大致分為阻尼器、隔震裝置和可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系三類。

3.1 阻尼器

阻尼器按消能形式大體可分為位移相關(guān)型、速度相關(guān)型和運動復(fù)合型三種。位移相關(guān)型阻尼器如摩擦阻尼器、金屬屈服阻尼器；速度相關(guān)型阻尼器如粘彈性阻尼器、黏滯阻尼器；運動驅(qū)動的復(fù)合型阻尼器則指調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。Poh'Sie等[37]對幾種調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的布置建立分析模型，并將其優(yōu)化設(shè)計落實于SOFIE項目的全尺寸七層CLT建筑物有限元模型內(nèi)。模擬測試顯示高樓層地板加速度值相比無阻尼器試驗降低了38%。

3.2 隔震裝置

隔震裝置常由橡膠支座和阻尼器共同控制震幅。Bolvardi等[38]在位移設(shè)計的基礎(chǔ)上，建議CLT平臺建筑中采用層間隔震。該方法在一棟十二層樓的建筑物中得以應(yīng)用，評估顯示該建筑物在滿足既定極限位移的前提下，降低了非隔離結(jié)構(gòu)的層間位移比。更高標(biāo)準(zhǔn)的隔震系統(tǒng)可減少隔震器位移，但會增加層間漂移。

3.3 可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系

可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)框架體系主要包括搖擺框架結(jié)構(gòu)體系和自復(fù)位框架結(jié)構(gòu)體系，兩者區(qū)別在于結(jié)構(gòu)在地震作用下，是否先發(fā)生一定彎曲變形，很多時候兩者概念相通。反復(fù)荷載下，兩種體系共同使用的力-位移關(guān)系呈旗型曲線。

Ma[39]設(shè)計了一種不使用后張力僅結(jié)合屈服阻尼器便可以將CLT墻固定在基礎(chǔ)上的替代系統(tǒng)，并應(yīng)用在一座六層建筑物上。通過時程分析數(shù)據(jù)可知，其最大位移和基礎(chǔ)剪切均表現(xiàn)良好。但恢復(fù)力不足導(dǎo)致部分殘余漂移大于預(yù)期值。Akbas等[40]通過后張式CLT搖擺墻的6次循環(huán)試驗提出了6個漸進(jìn)極限狀態(tài)，即：1)基礎(chǔ)減壓； 2)線彈性極限； 3)CLT屈服； 4)CLT分割；5)CLT粉碎； 6)鋼筋屈服。隨后用簡化設(shè)計方程和有限元進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)與試驗結(jié)果一致。Kovacs等[41]提出了一種CLT后張式搖擺剪力墻設(shè)計方法，并應(yīng)用于三層、六層和九層建筑物設(shè)計中。結(jié)果表明：在最大震級下所有模型超過剪切或彎矩能力的概率均小于5%，但三層建筑倒塌概率超過了允許值。

Morrell等[42]開發(fā)了CLT剪力墻之間的替代連接器，作為消能保險絲。在對一座以此連接的3層無后張力搖擺墻的CLT建筑振動臺試驗中，大漂移作用后的結(jié)構(gòu)顯示出穩(wěn)定的循環(huán)響應(yīng)。另外，試驗中的損耗集中在預(yù)設(shè)的可更替零件處，這意味著該系統(tǒng)具備震后維修可行性。奧克蘭大學(xué)的學(xué)者開展了使用滑動摩擦接頭而非垂直后張力來實現(xiàn)搖擺控制的研究[19,21]。靜態(tài)推覆和動態(tài)時程分析的結(jié)果表明：該類系統(tǒng)的自定心性能與能量耗散能力都十分出色。

4 結(jié)論與展望

近年來，國外正交膠合木結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、抗震性能試驗及抗震技術(shù)等方面均得到發(fā)展與完善。從最近幾年擬定出臺的相關(guān)規(guī)定、抗震性能試驗與抗震技術(shù)的研究與應(yīng)用三個方面可得出以下結(jié)論：

1) 多個國家都在逐漸完善正交膠合木結(jié)構(gòu)相應(yīng)的抗震設(shè)計規(guī)范，不同結(jié)構(gòu)體系的減震系數(shù)q和用于脆性部件設(shè)計的超強(qiáng)度系數(shù)γRd取值的估定已成為研究的重點之一。

2) 從大量抗震試驗可知，正交膠合木結(jié)構(gòu)在地震條件下性能表現(xiàn)優(yōu)越，在模擬地震過程中，CLT剪力墻幾乎充當(dāng)剛體，連接件提供所有的延展性與能量耗散，因此，連接節(jié)點的類型、數(shù)量及位置布局的不同決定了CLT整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3) 相比整體墻系統(tǒng)，由自攻螺釘配合搭接固定的窄CLT板分段墻系統(tǒng)因板間節(jié)點增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的延展性，具有更高的地震能量耗散能力。

4) 基于SPT原理設(shè)計的應(yīng)用于CLT木結(jié)構(gòu)的各類阻尼器、隔離裝置與可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系在試驗中均表現(xiàn)出良好的消能隔震性能，相關(guān)最新設(shè)計旨在滿足建筑物安全保障的同時，受地震破壞最小化及其震后維修的高可行性。

盡管CLT結(jié)構(gòu)顯示出優(yōu)越的抗震性能，但仍需在市場化和統(tǒng)一規(guī)范化方面作出努力，以增加該系統(tǒng)在地震多發(fā)區(qū)高層建筑中的應(yīng)用。今后研究和發(fā)展趨勢包括：

1) 對CLT剪力墻在多層結(jié)構(gòu)中的力學(xué)性能應(yīng)通過試驗和數(shù)值建模進(jìn)一步研究。

2) 完善相應(yīng)的基于性能的標(biāo)準(zhǔn)化抗震設(shè)計規(guī)范。

3) 開發(fā)適用于高震區(qū)高層的新型CLT抗側(cè)力系統(tǒng)。

4) 開發(fā)簡化的數(shù)值方法，以便預(yù)測CLT結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為。