黔东南吊脚楼抗震性能数值试验研究

袁玉宝 杜世光

（贵阳人文科技学院）

黔东南吊脚楼是以木结构为主的建筑。典型木结构吊脚楼历经百年沧桑，仍屹立不倒[1]。实践证明木结构吊脚楼的榫卯节点在地震来临时会出现一定的错动，表现“大位移，小内力”的特点[2]，有很好的减震效果。许多专家学者对木结构抗震做出了大量研究[3-7]。但关于吊脚楼榫卯节点联结的紧密程度、以及屋顶质量的大小对减震效果的影响研究不多，这也是本研究的重点。

1 试验设计

1.1 吊脚楼木材物理力学性质

黔东南吊脚楼木材采用杉木，杉木物理力学性能参数[8]如表1所示。L向表示杉木纵向，R向表示杉木径向，T向表示杉木弦向。

表1 杉木的物理力学性能

1.2 吊脚楼模型的建立

吊脚楼的梁与柱采用榫卯联接，柱直径300mm，柱高 3500mm，梁高 300mm，梁宽 150mm，榫头 100mm。在柱顶设置大质量块代替大屋顶。

考虑榫卯节点的接触紧密度，建立3个吊脚楼有限元模型，榫卯节点间隙分别为1mm、0mm、-1mm（浸入）。考虑屋顶的质量大小，建立3个吊脚楼有限元模型，大质量块的质量分别为2t、4t、6t。梁柱采用solid185实体单元。梁柱间接触采用Target170单元和Contact174单元。Target170单元表示目标面，Contact174单元表示接触面。因模型双轴对称，为节省计算时长，建立1/4有限元模型，如图1所示。

图1 吊脚楼1/4有限元模型

2 模态分析

通过模态分析，得吊脚楼自振频率如表2、表3。

表2 不同榫卯节点间隙的吊脚楼自振频率

表3 不同屋顶质量的吊脚楼自振频率

将表2和表3中数据绘制成图2和图3。

图2 自振频率-阶数关系曲线（节点间隙）

图3 自振频率-阶数关系曲线（屋顶质量）

由表2、表3可知，1mm榫卯节点间隙的吊脚楼自振频率小于0mm及-1mm节点间隙的吊脚楼自振频率。屋顶质量越大，自振频率越低。

3 动力时程分析

3.1 榫卯节点间隙的影响

在吊脚楼底部分别施加El Centro波、Tianjin波、Taft波，设加速度峰值为125cm/s2，持续时间10s，时间间隔0.02s。在El Centro波作用下1mm和0mm节点间隙的吊脚楼柱脚和屋顶加速度时程曲线如图4和图5。

图4 加速度时程曲线（1mm间隙）

图5 加速度时程曲线（0mm间隙）

将不同地震波作用下，不同榫卯节点间隙的吊脚楼柱脚和屋顶的动力响应列于表4。

由表4可知，1mm榫卯节点间隙的吊脚楼在地震波作用下柱脚有动力放大现象，放大系数均值1.17；屋顶动力有减弱现象，放大系数均值为0.73。0mm及-1mm榫卯节点间隙的吊脚楼在地震波作用下柱脚动力没有放大现象，屋顶动力略有减弱，放大系数均值为0.9。

表4 不同榫卯节点间隙的吊脚楼动力响应 （cm/s2）

3.2 大屋顶质量的影响

屋顶质量分别为2t、4t、6t。在吊脚楼底部施加El Centro波，其余条件同3.1。El Centro波作用下，不同质量大屋顶的吊脚楼柱脚和屋顶的动力响应列于表5。

由表5知，吊脚楼在地震波作用下柱脚位置有动力放大现象，屋顶动力有减弱现象，动力响应随着屋顶质量的增大而减小；大屋顶有很好的减震效果。当屋顶质量达到6t时，可减震50%。

表5 不同质量大屋顶的吊脚楼动力响应（cm/s2）

4 结论

⑴有间隙的榫卯节点吊脚楼的自振频率低于无间隙榫卯节点的吊脚楼。屋顶质量越大，自振频率越低。

⑵在地震波作用下，无间隙的榫卯节点减震效果不明显，有间隙的榫卯节点减震效果明显。

⑶在一定范围内，屋顶质量越大，减震效果越好。