带填充墙的穿斗式木结构民居抗震性能研究及其影响因素分析

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经历几千年的发展与传承,中国传统民居具有浓厚的地域文化特色以及不可替代的历史价值。穿斗式木结构是中国传统民居中一种重要的结构形式,其填充墙在地震中的破坏较为严重,而在以往的研究中常常忽略了填充墙的作用。为了有效地保护修缮既有穿斗式木结构以及合理设计新建穿斗式木结构,有必要科学地研究带填充墙的穿斗式木结构的抗震性能以及填充墙的作用。本文的主要研究内容与成果如下:(1)对一栋缩尺比为1/2的带木板墙的穿斗式木结构模型进行了振动台试验,获得了结构的动力特性以及不同强度地震作用下结构的破坏特征、加速度反应、位移反应和耗能特性等。结果表明,在地震作用下,带木板墙的穿斗式木结构模型的损伤主要表现为榫卯节点拔榫、柱脚滑移、木板墙与木构件的挤压变形以及木销钉折断等。模型结构X向和Y向震前自振频率分别为3.36 Hz和1.41 Hz;阻尼比在9.3%~22.6%之间。结构的加速度放大系数基本小于1,具有明显的减震效果。在输入0.4g地震作用时,模型结构层间位移角最大值为1/33,小于木构架的位移角限值1/30,结构具有良好的变形能力和抗倒塌能力。(2)将带木板墙的穿斗式木结构(模型2)的抗震性能与课题组前期试验—无填充墙的穿斗式木构架(模型1)的抗震性能—进行对比,结果表明,木板墙增大了整体结构的抗侧刚度,模型2的自振频率大于模型1的。在相同地震峰值加速度下,模型2的层间位移角明显小于模型1的,在输入0.22g地震作用时,模型1和模型2的最大层间位移角分别为1/47和1/59,木板墙的存在减小了结构的侧向变形。木板墙作为第一道抗震防线耗散主要地震能量,使得模型2耗散的地震能量基本大于模型1的。填充墙的刚度效应会影响水平地震作用的计算,建议在对传统木结构进行抗震分析时应考虑填充墙的作用。(3)采用Open Sees对模型1进行模态分析和非线性动力分析,得到了其自振频率和地震反应。在有限元计算值与其振动台试验值吻合较好的情况下,加入用来模拟木板墙的truss单元,对模型2进行有限元分析,并与本文振动台试验结果进行对比。结果表明,模型2结构X向和Y向一阶平动频率计算值与试验值的误差分别为6.5%和11.3%;最大加速度反应和位移反应的误差基本在30%以内,说明有限元模型具有一定的合理性。探究了柱脚铰接或刚接时穿斗式木结构自振频率和地震反应,并建议在对穿斗式木结构进行维修加固时,不可以用完全固定柱脚的方法来防止柱脚滑落础石。(4)对比分析了带木板墙、砖墙或土坯墙的穿斗式木结构模型的自振频率和地震反应,并以砖墙模型为例,研究了结构自振频率和地震反应随墙厚的变化规律以及墙体布置方式对结构的影响。结果表明,土坯墙模型的自振频率最小;砖墙能有效控制结构的侧向变形;相同厚度的砖墙模型与土坯墙模型的层间剪力相差不大,其基底剪力约为木板墙模型的2~6倍。砖墙模型的自振频率和基底剪力随墙厚增加而增大,其加速度反应和位移反应随墙厚增加变化不大。相比于满布砖墙模型,仅第一层有砖墙时,模型结构X向和Y向的一阶自振频率分别降低了15.3%和10.6%,相对位移反应为满布砖墙模型的1~3倍。建议填充墙选用轻质高强的材料,且墙体布置应连续均匀。(5)对比分析在长周期地震动与普通地震动作用下不同材料填充墙的穿斗式木结构的地震反应,结果表明,在长周期地震动作用下,同种材料填充墙的穿斗式木结构的最大加速度反应基本是普通地震动作用下的1~1.5倍之间;最大相对位移反应明显大于在普通地震动作用下的;在0.22g的地震作用下,砖墙模型和土坯墙模型柱脚处的相对位移接近或超过柱脚滑移倒塌的临界值,建议适当增大础石直径;各模型结构的层间剪力均基本大于普通地震动的。相比于普通地震动,长周期地震动对穿斗式木结构的危害更为严重。
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