近断裂带高度设防区穿斗式木结构建筑抗震分析.pdf

Intelligent Building and Construction Machinery智能建筑与工程机械2024年 3月Mar.2024第6卷 第3期Vol.6 No.30引言历史建筑的自然腐朽以及闲置破败，使我国古建筑群落一直处于逐渐消减阶段。各项政策及文件多次强调要加强对文物保护单位、传统建筑、传统村落、历史文化名城、村镇的保护和利用，促进优秀传统建筑文化的继承和发展。本项目因历史悠久，部分房屋结构已受损，急需进行修缮与改造，但项目所处区域较为特殊，对抗震要求、安全性要求较高。本文采用相关手段进行数值模拟，对结构进行理论分析，结合实际案例，提出针对性解决措施。1工程概况本文内所研究对象为本项目某一典型楼栋房屋，该栋房屋平面尺寸 12.7 m13.6 m，由单元 1、单元2、单元 3 和待定单元等 4 个单元组成。单元 1 总共 1层，屋脊高度为 5.480 m；单元 2 共两层，第 1 层高收稿日期：2023-11-10作者简介：卢蜀峰（1993），男，重庆人，本科，工程师，研究方向：市政房屋建筑工程。近断裂带高度设防区穿斗式木结构建筑抗震分析卢蜀峰，何 麟（中交二航局（成都）建设工程有限公司，四川 成都 610218）摘 要：以实际工程为背景，介绍了在西南区域近断裂带且抗震设防烈度为 9 度（0.40g），建筑形式为仿古建筑的结构分析，场地类别为类，设计分组为第三组。项目仿古建筑结构形式均为木结构，体系为隔地落柱穿斗式。以项目中某一栋楼的某一独立单元为代表，对其木结构建筑进行结构分析。关键词：仿古建筑；结构分析；断裂带中图分类号：TS63文献标识码：A文章编号：2096-6903(2024)03-0103-03度 2.980 m，第 2 层屋脊高度 6.204 m；单元 3 共两层，第 1 层高度 2.710 m，第 2 层屋脊高度 5.623 m。本工程所采用的木材均为 TC15-A 的西部铁杉，所取典型楼栋房屋如图 1 所示。2模型建立因单元 1、2、3 之间未设置梁、枋进行拉结，未设置斜撑进行联系，且单元间的砌体墙、构造柱与木柱间采用柔性连接方式，故可认为在单元 1、单元 2、单元 3 并未发生结构上的联系，分别为 3 个独立的结构单元，现仅以开间较大的单元 3（开间为 4.2 m）作为主要对象进行建模分析。2.1 节点刚度本工程木梁柱节点为榫卯形式，榫头和卯孔具有一定弹性，具有半刚性连接的特性，可承担一定的水平作用力，数值模拟分析时采用线对象端部释放来模拟半刚性节点。综合论坛图 1 房屋平面及立面示意图智能建筑与工程机械 104 第6卷图 2 单元 3 的计算模型图图 3 单元 3 各典型部位计算模型图表 1 抗侧力结构的层间受剪承载力与相邻上一层的比值2.2 构件刚度本工程屋面存在 Y180 木檩和随檩（随檩枋）相叠加的情况，木檩和随檩（随檩枋）并未牢固连接，两根梁交接面之间的剪切应变无法做到完全约束，故认为木檩和随檩（随檩枋）之间仅为刚度叠加关系。模型分析时，按 Y180 木檩进行建模，并对 Y180 木檩刚度进行放大（放大竖向刚度，即绕 3 轴的刚度），以考虑随檩（随檩枋）对木檩的刚度贡献。截面设计时，按 Y180木檩和随檩（随檩枋）等挠度法进行内力分配验算1。3验算分析单元 3 的计算模型如图 2 所示。采用杆单元模拟木结构梁、柱、檩条等构件，采用虚面进行竖向荷载导算。3.1 位移角风荷载和多遇地震作用时，木结构建筑的水平层间位移不宜超过结构层高的 1/250。因单元 3 第 2 层为坡屋面，规范对层间位移、层间位移角的规定无法完全适用于第 2 层，故第 2 层的相关位移指标仅供参考。根据表 1 可知，在风荷载作用下，单元 3 满足1/250 的位移角限值要求。在地震工况下，单元 3 不满足 1/250 的位移角限值要求。此外，位移比大于 1.2，单元 3 为不规则结构。本模型计算分析时，并未考虑单元 3 抱柱枋、装板工况楼层及方向最大位移/mm层间最大位移/mm层间平均位移/mm最大层间位移角/mm位移比单元 3 风第 1 层 X 向4.394.393.861/615第 2 层 X 向7.283.562.391/789第 1 层 Y 向1.571.571.441/1719第 2 层 Y 向1.860.290.241/5403单元 3 地震第 1 层 X 向16.4116.4114.441/1641.13第 2 层 X 向31.8717.5610.901/1691.61第 1 层 Y 向10.6410.649.461/2531.12第 2 层 Y 向12.992.381.961/6781.21或木门窗对 X 向刚度的有利贡献。基于此，故后续建议对此栋楼采取整体性进行加强，可设置斜撑等措施。3.2 受剪承载力之比楼层最大弹性水平位移或层间位移大于该楼层两端弹性水平位移或层间位移平均值的 1.2 倍，抗侧力结构的层间抗剪承载力小于相邻上一楼层的 65%。4截面计算模型按工程结构通用规范规定的工况组合方式进行荷载组合，选择受力较大的木柱、木梁、楼芡等构件代表进行截面承载力验算，以单元 3 木柱 A、二层木梁 B、木架梁 C、二楼楼芡 D 为代表进行截面计算，如图 3 所示。4.1 非地震工况下4.1.1 木柱 A选 取 单 元 3 木 柱 A（截 面 直 径 280 mm，强 度TC15-A，高度 2.7 m）为代表进行木柱验算。最不利工况下，木梁最大内力 77.65 kN，最大弯矩 6.77 kN m。木柱 A 在轴压力和弯矩作用下最大应力比小于 1.0，满足要求。4.1.2 木梁 B选取单元3二层木梁2（截面矩形140 mm350 mm，强度 TC15-A，跨度 3.6 m）为代表进行验算。最不利工况下，木梁最大内力 17.99 kN，最大弯2024年 第3期 105 矩 13.02 kNm。在弯矩作用下最大应力为 4.54 MPa，满足要求。抗剪应力为 0.55MPa，满足抗剪承载力要求。4.1.3 木架梁 C选取单元3屋面层木架梁（截面矩形140 mm280 mm，强度 TC15-A，跨度 3.6 m，支承有 3 根童柱）为代表进行验算。最不利工况下，木架梁为拉弯构件，端部轴力4.81 kN，剪力 19.12 kN，弯矩 10.79 kNm。在拉力和弯矩作用下最大应力比为 0.41，满足要求。抗剪应力为 0.75 MPa，满足抗剪承载力要求。4.1.4 楼芡 D选取单元 3 二层楼面楼芡（直径 180 mm，强度TC15-A，跨度 4.2 m、间距 0.917 m，现场为单楼芡+单层板，未采用双层板+龙骨楼芡形式）为代表进行楼芡构件验算。最不利工况下，跨中最大弯矩值 9.49 kNm，端部剪力 8.26 kN。在弯矩作用下最大受弯应力为 16.58 MPa，满足要求。最大受剪应力为 0.43 MPa，满足抗剪承载力要求。4.2 地震工况下当木结构建筑的结构不规则时，应进行地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。本工程存在超高、超层、位移比大于 1.2 等超规范或不规则项，故补充地震力验算。同样以单元 3 木柱A、木梁 2、木架梁 C、楼芡 D 为代表进行截面计算2。4.2.1 木柱 A最不利工况下，跨中端部剪力 86.35 kN，最大弯矩值 27.95 kN.m。在轴压力和弯矩作用下最大应力比略大于 1.0，满足要求。4.2.2 木梁 B最不利工况下，木梁最大内力 19.08 kN，最大弯矩 24.21 kNm。在弯矩作用下最大应力为 8.46 MPa，满足计算要求。抗剪应力为 0.58 MPa，满足抗剪承载力要求。4.2.3 木架梁 C最不利工况下，木架梁为拉弯构件，轴力 9.66 kN，剪力 29.53 kN，弯矩 18.69 kNm。在拉力和弯矩作用下最大应力比为 0.70，满足计算要求；木架梁 C 抗剪应力为 1.13 MPa，满足抗剪承载力要求。4.2.4 楼芡 D最不利工况下，跨中最大弯矩值 9.49 kNm，端部剪力 8.26 kN。在弯矩作用下最大受弯应力为 16.58 MPa，满足要求。最大受剪应力为 0.43 MPa，小于满足抗剪承载力要求。4.2.3 建议根据模型计算的内力结果，按规范相关规定进行了构件截面验算，发现在不考虑地震工况下，单元 3 木结构各构件受力能满足计算要求，风荷载下的位移角满足规范要求。在地震工况小震弹性阶段下，单元 3 木结构部分抗侧力构件也基本能满足计算要求，局部部位位移角不满足规范规定的位移角限值。针对上述结论，建议本项目主要采取措施为：通过调整构件尺寸(增大截面)、结构布置（增设支撑等）减小结构地震工况下的位移角。通过加强结构整体稳固性（优化高宽比，取消中间一排排架，两开间进行连接）方式使位移角满足规范限值。5结束语本文结合实际工程案例，利用数值模拟对模型进行理论分析，在设计阶段作了较好技术支撑。且经理论计算，在局部薄弱部位，针对性采取辅助措施对结构进行加强。在特殊地段修建木结构房屋，使结构整体稳定性得到保证，效果较好，具有推广意义。参考文献1 许丹.穿斗式木结构抗震性能试验研究及地震易损性分析D.西安:西安建筑科技大学,2019.2 郭涛.穿斗式木构架抗震性能试验研究D.重庆:重庆大学,2016.卢蜀峰，何 麟：近断裂带高度设防区穿斗式木结构建筑抗震分析