第期何敏娟等不同覆面材料木剪力墙抗侧性能试验研究力墙进行了单向及往复荷载下的试验研究对不同板材的抗侧性能及石膏板对墙体抗侧性能的贡献进行了深入研究国内的剪力墙的试验研究起步较晚 01 程海江进行了 * 片高长 * 的木框架剪力墙的单向和反复荷载试验研究了竖向荷载翼缘墙体和洞口尺寸对

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慕贵籍
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1 第卷第期年月同济大学学报自然科学版! "!# # $% $ ' 文章编号 ( * *+,-- /* 不同覆面材料木剪力墙抗侧性能试验研究何敏娟周楠楠同济大学建筑工程系上海摘要对且覆面板分别为进口! 板国产! 板国产胶合板玻镁板和石膏板的木框架剪力墙进行了单向加载试验得到了不同覆面板剪力墙的破坏模式荷载位移关系通过计算分析获得了各种剪力墙的屈服和极限荷载弹性阶段刚度板材延性等性能指标研究结果表明国产胶合板及! 板剪力墙在承载能力延性和耗能方面较进口! 板剪力墙有较大的提高玻镁板不仅具有较好的防火防水性能而且比石膏板的强度高韧性好因此国产板材具有良好的力学性能可以作为轻型木结构剪力墙的覆面板材关键词木剪力墙抗侧性能单向加载试验不同覆面板材中图分类号 * 文献标识码 % $' " ' 2 $ $' "# $' $ # '$! '$ "# + 2 8; 8 $2 3,%,,88, $+,,:8 -,!, #, #' ' '$$ $, 8/;8, 8 % - 3 $, ;8 2$ 8$2 8%, ,:8,28 8-8, 8, %- 8 8 $ , 8, %-,:8-, 8-8, ;$ 8! ; 8%-$ 8-,! ; 8%-$ 8-, ;% $$ ; 8% 8-,3 $ ;-3 $,%3 8 $8- %$,-;% :8-$2-8 %-, :,$3-- 8, 8, %- 8$,8,8%%$ 3%, 8%$ 8% -, -,28-- 3,%, $2 $-8-8 %- 8 82$3 $3 % 3%,$ %-, % -- $ $ ;,, - 8 %,, ;$ 8! ; 8%- 8 %-, $ 8-, ;% $$! ; 8%-, ; $:8 8 8, ;, 3,%, 88,--,;,$ %$ ' 8-,3 $,-$ $%$2$$ 8 2, 8 8-,- 83 %-$8 8-8 $3 8-- $ ; 8, ;-3 $ $$ 8, % ; $;8,8-$2$ 8-, - 8, 8, ;;%, %8, 8-8 %-$2%, $$ 2 8 $3-8 #%, %,;8 2$ 8 $$ $, 8/;8, 8 :,$3-- 8, 8, %- 轻型木结构房屋利用可再生的木材资源并具有抗震性能好施工方便保温隔热等特点是一种特别适合于人类居住的住宅形式在北美几乎所有的低层住宅都是轻型木结构房屋最近几年在我国大连北京上海和南京等地的别墅建筑中轻型木结构得到了快速的发展剪力墙由墙骨柱顶梁板和底梁板门窗洞口上过梁以及覆面板用钉连接而成作为轻型木结构中主要的抗侧力构件木剪力墙的性能历来受到重视从年开始研究人员就开始进行剪力墙的试验研究 <, 8 和 $ % 对不同的墙面材料包括种结构刨花板及两种南方松木胶合板进行了试验研究确定其抗侧性能,2, - 剪力墙进行试验研究试验结果对剪力墙试验标准的改善起到了积极地作用 $% 在对片覆有华夫刨花板及片覆有胶合板的墙体进行试验后发现在静力和动力荷载作用下两种不同的结构板材的差别并不是很大 " -3 对采用不同类型覆面材料的剪力墙进行了单向及往复荷载作用下的试验研究试验结果表明加载机制对无机结构板材如石膏板的影响要远大于木基结构板材 $$ * 对单面采用! 板纤维板硬质纤维板石膏板的木剪力墙及一面采用木基结构板材一面采用石膏板的剪收稿日期 00* 基金项目十一五国家科技支撑计划项目 1 1 国际科技合作计划项目 1 第一作者何敏娟 * 女教授博士生导师工学博士主要研究方向为钢结构和木结构,% 8 + $+,83 通讯作者周楠楠 1 女博士生主要研究方向为结构工程,%,% $

2 第期何敏娟等不同覆面材料木剪力墙抗侧性能试验研究力墙进行了单向及往复荷载下的试验研究对不同板材的抗侧性能及石膏板对墙体抗侧性能的贡献进行了深入研究国内的剪力墙的试验研究起步较晚 01 程海江进行了 * 片高长 * 的木框架剪力墙的单向和反复荷载试验研究了竖向荷载翼缘墙体和洞口尺寸对剪力墙抗侧性能的影响人们普遍认为国产木材质量差强度低不能在轻型木结构中应用因此目前国内轻型木结构的建筑材料主要依赖进口成为限制其在中国发展的重要因素之一本文对几种采用进口或国产覆面板材的木框架剪力墙进行了单向加载下的试验研究并对其抗侧性能破坏特征和机理进行对比分析同时也为轻型木结构房屋整体分析提供试验依据试件的设计材料和制作覆面板分别采用了进口! 板国产! 板国产胶合板玻镁板和石膏板种不同的材料为了对试验结果进行对比分析板材的厚度均为左右墙体试件编号及数量详见表表 ( 试件构造及数量 1 *(#' '$ '#'# $# 试件编号覆面板材料厚度试件数量进口! 材国产! 板 # 国产胶合板玻镁板石膏板径 * 长度 1 的钉子垂直连接墙体在墙角处设有抗倾覆连接件在安装此连接件时为了避免钉子与连接件中螺栓的位置冲突可对钉子的位置进行相应的调整采用螺栓将抗倾覆连接件与边墙骨柱底梁板及基础钢梁连接在一起覆面板在边墙骨柱上的钉子按边距和交叉布置相邻面板连于同一根墙骨柱时钉子的边距为钉子采用手工钉钉头端面与覆面板齐平相邻板拼接处留有的空隙进口! 板国产! 板和胶合板的面板钉为圆钉覆面板与中间墙骨柱连接的钉间距为覆面板边缘钉间距为玻镁板及石膏板采用自攻螺丝连接与中间及边缘墙骨柱连接的钉间距均为剪力墙试件的材料和构造细节见表所示表 + 材料性质表 1 *+! '$ "'$# 覆面板静曲强度 '< 弹性模量 '< 材料纵向横向纵向横向进口! 1 1 国产! 1 1 国产胶合板 1 * 1 1 板材面密度 0 纵向断裂荷载横向断裂荷载石膏板 1 * $ $ 板材面密度抗冲击强度 0 0 抗折强度 '< 玻镁板 1 注上标为 $ 的数值为平均值括号中的数值为最小值为了解种不同板材的相关物理力学性能根据国家规范 * # 人造板及饰面人造板理化性能试验方法 $ 测量了剪力墙试验中所用的进口! 板国产! 板和国产胶合板的弹性模量和静曲强度试验结果见表石膏板和玻镁板的相关国家规范 1# 纸面石膏板 $ 和 #*11*# 玻镁平板 $ 仅对其板材的面密度石膏板断裂荷载及玻镁板抗折强度等性能进行了规定表中石膏板和玻镁板材性能从生产厂家获得的剪力墙是因为这是轻型木结构住宅建筑中相邻门窗洞口间较为常见的墙段尺寸图为剪力墙的构造详图墙段两端墙骨柱及顶梁板均为双根的规格材用直径 * 长度 1 的圆钉以 * 的中心距连为一体墙骨柱与顶梁板或底梁板均采用枚直图 ( 墙体构造详图单位 $ *(#' '$ ' $" " $' 试验设备水平荷载采用水平作动器施加于加载梁上作动器的变形范围为 B 能够施加的最大荷载为加载头与加载梁及反力架之间采用铰接以释放由于加载装置本身的重量而有可能产生的弯矩

3 同济大学学报自然科学版第卷表 0 试件的材料和构造细节 1 *0! '$ " #' ' " ' '#'# $# 组成墙骨柱顶梁板底梁板覆面板墙角抗倾覆连接件钉子基础锚栓材料制作 # 及以上!< 规格材截面尺寸为沿墙体长度方向中心距 * 墙体端部边墙骨柱由两根规格材构成双层顶梁板材料与墙骨柱相同单层底梁板材料与墙骨柱相同采用种不同的覆面板材料墙段两端各设个采用个普通螺栓连接抗倾覆连接件与边墙骨柱采用个的锚栓连接该抗倾覆连接件和底梁板及试验用基础钢梁用于连接骨架构件的钉子为直径 * 长度 1 的圆钉! 板和国产胶合板的面板钉为直径长度的圆钉玻镁板及石膏板采用直径为长度 1 自攻螺丝连接直径沿墙体长度方向均匀布置个试验采用的方钢管作为加载梁由于方钢管宽度 1 小于顶梁板的宽度 1 保证了试验过程中顶梁板外侧墙面板的转动不会受到加载梁的限制墙体顶梁板与加载钢梁之间的连接采用个的普通螺栓在侧向力的作用下墙体在平面外会有一定的位移为了防止试验过程中墙体发生平面外的失稳沿墙体长度方向在加载梁的两侧布置两对侧向支撑支撑与加载梁之间采用滑轮以保证墙体的侧向位移基础钢梁同样采用的方钢管保证试验过程中墙面板底部边缘的转动不受限制墙体底梁板采用个的锚栓与基础钢梁连接在一起的方形钢板顶梁板底梁板以及边墙骨柱上在连接加载梁基础梁以及抗倾覆连接件的位置于墙体制作之前钻好孔洞试验过程中没有施加竖向荷载试验共采用 * 个位移传感器所在的位置如图所示用于测量墙体顶部的水平侧向位移测量底梁板水平的侧向位移和测量两个边墙骨柱的竖向位移和 * 测量中间墙骨柱相对底梁板的竖向位移加载方案! ' 是目前在全球范围内通用的试验标准对木结构剪力墙而言单向荷载作用下的试验方案主要有两种! ' 和! ' * 在木结构研究初期! ' 是用来研究墙体屋楼面的标准方法但是此方法仅是孤立的研究覆面板材的作用而并不是剪力墙等结构构件的整体作用且按该标准加载时的载荷增量与试验的材料性能无关这就使得较强的材料在此种试验方案下很难破坏由于! ' 试验方法的局限性目前国际上剪力墙单向加载试验主要采用! ' * 标准此方法采用抗倾覆连接件将剪力墙的底部用锚栓与刚性的地梁连接在一起并采用剪力墙底梁板与地梁之间的抗剪锚栓来防止过大的侧移使得试验方案与实际工程情况更一致与! ' 不同! ' * 着眼于剪力墙等结构构件整体作用的研究并可根据试验研究的目的选择是否施加竖向荷载剪力墙的单向加载试验采用! ' * 标准在预加载阶段采用位移速率, 0 的推力加载至墙体极限荷载预估计的持荷, 然后完全卸载, 后进入正式加载阶段在正式加载阶段采用相同的加载速率加载至墙体极限荷载预估计的持荷, 而后卸载至停, 后加载至墙体极限荷载预估计的持荷, 然后卸载至, 后再加载直至试验荷载下降至极限荷载的 1 或者试件出现严重破坏试验结果分析图 + 试验设备及测量仪器布置图 $ *+ ' $ '#'< $' # ' # 各种覆面板材的破坏模式! 板材和国产胶合板的破坏模式基本相同主要为钉连接节点的破坏见图大部分钉连接的钉头穿透墙面板而破坏也有少量钉子从墙骨柱中被拔出而破坏也发生了部分墙面板边缘的剪切破坏在侧向力的作用下墙面板的变形主要是以底梁板为中心的转动面板本身的变形并不是很大因此钉连接节点的破坏一般发生在墙板的四周中间支

4 ! 第!期!?!!! 何敏娟'等#不同覆面材料木剪力墙抗侧性能试验研究座处钉子的破坏很少8由于试验墙体在墙角处设置了抗倾覆连接件'限制了墙骨柱的上拔'因此在试验过程中墙骨柱与底梁板的分离并不是很大8 图H!各种覆面板材的破坏模式 A H!A, $'* ' 8( ',1 1 "2 $ 2B!! 石膏板和玻镁板采用自攻螺钉连接'板四周和中间支座钉间距均为 %<$LL8在试验过程中'钉头弹性阶段刚度+屈服荷载等主要试验结果8 很容易穿透板材8在试验的临近破坏时'板材周边的大部分钉子与墙体框架脱离8 $! "!荷载位移曲线当对剪力墙的抗侧性能进行评价时'强度+刚度+位移+耗能能力+延性+屈服荷载都是描述其抗侧性能的基本参数8几乎所有这些参数都可以从试件的荷载位移曲线上得到8其中位移是层间位移8每种覆面板材剪力墙均为两块'根据最小二乘法原理' 利用 +,+J 对试验数据进行多项式拟合'各种覆图J!各种板材剪力墙的荷载位移曲线面板材的荷载位移曲线如图? 所示8表? 为各种覆面板材剪力墙试件在单向荷载试验中的极限荷载+ A J!['* / * $" -, ( ' 8?? 1( ', 2B % 1 1 "2 $ 表J!各种覆面板材剪力墙试验结果 I=B J!I, ' 8?? 1( ',1 1 "2 $ 极限荷载$ [* 弹性阶段刚度$! [*LH%" 屈服荷载$ [* 破坏荷载$ [* 进口 '3J 板 #!8 B$ %B#?8 >I #$8?? 国产 '3J 板!%8 $I %>$!? #B8 "$ 国产胶合板!#8 <> %!B%8!! 玻镁板 % $? 石膏板 >8?# 破坏位移$ LL 延性耗能$ %I8 II B!8 %% $# %%B$8 <I #?8 IB %$!8!< B8 <! #<>B8 <$ #>8 B# #B8 $B %$>8 <B!$ #B"?8 >< %B>%8 %$ %!8?$ %#8 $!?B8 BI I? <B"8 I# %$I>8 %I B8 >B "!?B8 #! >8?$ #"#8 BB $! #!极限荷载 1#23 单向荷载作用下墙体的承载能力为试验中的极钉连接节点的性能是影响木剪力墙极限承载力的主要因素8进口 '3J 板材与国产的两种板材承载限荷载'也就是荷载位移曲线中最高点的数值'用力相差较大'因而进行了相应的面板钉连接节点试 WYV:[表示8从结果可以看出'国产胶合板剪力墙的极限荷载最大'为!#8 <>[*8国产 '3J 板剪力墙的极验8根据试验结果'国产胶合板和 '3J 板的钉连接节限荷载略小于胶合板'为!%8 $I[*8而进口 '3J 板口 '3J 板钉连接节点极限承载力最小为 %8 <?[*8 剪力墙的承载力仅为胶合板剪力墙的 >!!8玻镁板由于钉子的钉头较小'大部分钉连接发生了钉头穿剪力墙的承载力要比石膏板高大约 <$!'但两者的透墙面板的破坏'国产板材胶用量要高于进口板材' 承载能力均较低8 木纤维比较致密'这也是造成了国产板材的承载力点极限承载力相近'分别为 %8 I?[* 和 %8 II[*8进

5 同济大学学报自然科学版第卷要明显高于进口板材的重要原因之一弹性阶段刚度目前国际上对!8 的定义方法尚不统一为了与 < 曲线统一将荷载位移曲线上原点和荷载值达到极限荷载 ;8 的点连线的斜率定义为墙体在弹性阶段的刚度!8 其值可根据式进行计算!8 "( ;8 ( ;8 在曲线的开始阶段各种不同板材的荷载位移曲线基本重合因此各种板材的弹性阶段刚度相差不多同预期的一样石膏板剪力墙弹性阶段刚度最小为屈服荷载采用 <?3,: %8 88 8% -, ;% -, 曲线来定义墙体相应的屈服荷载根据 < 曲线下方从原点至墙体破坏位置的面积与单向荷载作用下的荷载位移曲线从原点至墙体破坏位移面积相同的原则定义 < 曲线如图所示 < 曲线上屈服荷载用,8% 表示屈服荷载水平线所对应的最大位移即破坏位移用表示通过弹性阶段的刚度可以利用 < 曲线来确定墙体的屈服荷载屈服荷载可按式和进行计算当时!8,8% " $ $!8! 8 当时!8 槡,8% "(1 ;8 式中,8% 为屈服荷载为荷载位移曲线或第一循环包络线下方从原点至墙体破坏位移的面积!8 为弹性阶段的刚度为荷载位移曲线上原点和荷载值达到极限荷载 ;8 的点连线的斜率为破坏位移各覆面板材剪力墙的屈服荷载规律为国产胶合板国产! 板进口! 板玻镁板石膏板破坏荷载及破坏位移试验过程中当荷载下降到极限荷载的 1 或者试件出现严重的破坏时试验墙体被认为达到破坏大部分为前者情况破坏时的位移值为破坏位移从表中的结果可以看出国产胶合板剪力墙在单向荷载作用下具有最大的破坏荷载其相应的破坏位移也最大石膏板剪力墙的破坏荷载及破坏位移最小延性延性是指结构从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力延性好的结构后期变形能力大在强震作用下可以承受大的塑性变形而不破坏倒塌将墙体破坏时的变形 3 与屈服时的变形,8% 的比值定义为墙体延性系数即 " 3,8% 虽然石膏板剪力墙所能抵抗的侧向力最小但却具有较好的延性从图的荷载位移曲线上也可看出石膏板剪力墙在达到最大承载力后在强度没有明显下降的条件下承受了较大的变形耗能剪力墙在地震作用下应能承受较大的塑性变形从而耗散更多的能量对于单向荷载作用下的试验墙体的耗能为荷载位移曲线下从原点至破坏位移的面积剪力墙的耗能是其抗侧刚度和延性的综合体现一般来将结构的耗能越大结构的损伤也越严重国产胶合板剪力墙抗侧承载力最大延性略小于国产! 板但耗能要高于国产! 板材而后从大到小依次是进口! 板玻镁板和石膏板结论图 %%% < $ "' " #'$ " #'$ 曲线 $ * %%% < $ "' " #'$ " #'$ 对几种采用进口或国产覆面板材的木框架剪力墙进行了单向加载下的试验研究并对其抗侧性能破坏特征和机理进行对比分析试验结果如下国产胶合板作为覆面板材的剪力墙的极限荷载及耗散的能量最大分别为和 * 国产! 板剪力墙的极限荷载和耗散能量均略小于胶合板分别为 1 和 * 而进口! 板剪力墙的承载力仅为胶合板剪力墙

6 第期何敏娟等不同覆面材料木剪力墙抗侧性能试验研究的耗散的能量仅为胶合板剪力墙的 1 玻镁板剪力墙耗能及刚度均略高于石膏板剪力墙但其承载力比石膏板高约另外石膏板的主要作用是防火玻镁板也具有防火功能而且玻镁板的防水性能及隔声效果均要优于石膏板因此玻镁板完全可以替代石膏板试验结果表明所谓国产板材质量差强度低不可能在轻型木结构中应用是一种误解从几种采用不同板材剪力墙体的最大承载能力刚度延性和耗能等几方面的比较可以看出国产的板材也具有良好的力学性能完全可以替代进口材料应用于轻型木结构建筑中同时采用国产板材又具有利用本土速生林资源的优势因此加强材料性能研究建立相应的材料质量标准和力学性能的统计数据并在大量规范标准基础上建立国产材料认证体系在一定程度上确保其质量与相关性能对更好地促进轻型木结构房屋在国内的发展至关重要参考文献何敏娟杨军等木结构设计 ' 北京中国建筑工业出版社 1 8',+3 " 38 %, 8 8,88, ' 8,+,#,, ,%,< 8--1 <, 8 > $ %!,- 8 $2 %-- 8 8, %2% 8$ - 82 $ -$3 8 -;8,8- $ 8- < $3 -$3 %1,2, - 8 8,, 8, 8-,- 8$2, %- # < $ 88,- $2 8 <,2,, 8,88,#$ % -, 3,$$2< $28--,$ %, $% 8, 8-;$-8$2, 8-8 % $3:8,:8 -, $2,,- #$%3, 1 " -3 3 ''8, %; $;8,8-$2 $$ % $ 8:8-8 %, % 8 %%$,# >$, #$,--,$ >1, 8! ,$ % #$3,%2$ 3,%, 8-8! 3,8- $ 3 8,$ 0 * 8- $$ '$$ $, %, ;8 2$ 8$2 %, %-, :,$3-- 8, 8, %- % -3,,, <$% 8, -, 3 8! 8,:8 -, 程海江轻型木结构房屋抗震性能研究上海同济大学 #,+,! 3$ 8-8,-, ;8 2$ 8$2%, $$ 2 8 $3-8!, $+,,:8 -, 1 程海江倪春吕西林有翼缘和竖向荷载的带洞口木框架剪力墙的试验研究土木工程学报 * #,+, # 3 (,%, 2$ 8$2;8 2$ 8 $$ %-, -:8-8 %- :8, %%$ #, #,:,%,88,$3 %* 中国人民共和国林业部 * 人造板及饰面人造板理化性能试验方法! 北京中国标准出版社! 8 $ $2$;%8-8;3%, $2#, * 8-8 $-$28: %3, 8; $;8,8-$2 $$ -8; 8% $ 8 $$ -8; 8%-! 8,+,#,! < 8-- 中国建筑材料联合会 1 纸面石膏板! 北京中国标准出版社 1 #, 3,%,' 8, %- 88,$ 1 ;-3 ;% - 8 $! 8,+,#,! < 8--1 中国建筑材料联合会 #*11* 玻镁平板! 北京中国建筑工业出版社 * #, 3,%,' 8, %- 88,$#*11* % --2,8 D 8-,3 8 8 $! 8,+,#,, ,%,< 8--* 中华人民共和国建设部木结构设计规范! 北京中国建筑工业出版社 ',,- $2#$- 3,$$2$;%8-8;3%, $2#, #$82$ 8-,$2, ! 8,+, #,, ,%,< 8--! ' 8,$ %! ' *! ;, 82$ -, %$ 8-2$ ,- 8$22 8 %-2$ 3,%,-! -%:,! ' 8,$ %! ' 8,$ %! ' *! 8-8 $- 2$ %, 8:8-8%$ 8-2$ ,- 8$2:8, % 8%8 8 -$2 8% 8 %2$ 8 8-,-,-- 8-2$ 3,%,-! -%:,! ' 8,$ %

第 19 期郑维等 : 夹板木剪力墙的抗侧力性能试验 95 的安全水准 ;2009 年, 美国国家科学基金会下的 NEES [13] Wood 项目开展了含夹板木剪力墙的足尺六层轻木房屋的振动台试验, 结果表明夹板木剪力墙具有良好的抗震性能综上所述, 已有研究多为夹板木剪力墙与普通剪力墙抗侧力性

第 19 期郑维等 : 夹板木剪力墙的抗侧力性能试验 95 的安全水准 ;2009 年, 美国国家科学基金会下的 NEES [13] Wood 项目开展了含夹板木剪力墙的足尺六层轻木房屋的振动台试验, 结果表明夹板木剪力墙具有良好的抗震性能综上所述, 已有研究多为夹板木剪力墙与普通剪力墙抗侧力性振动与冲击第 35 卷第 19 期 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK Vol.35No.192016 夹板木剪力墙的抗侧力性能试验郑维, 陆伟东, 刘伟庆, 刘杏杏 ( 南京工业大学土木工程学院, 南京 211816) 摘要 : 为研究不同构造形式对夹板木剪力墙抗侧力性能的影响, 对 8 片夹板木剪力墙试件进行了水平抗侧力试验, 其中 1 片为单调加载,7 片为低周反复加载,