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

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。

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Ⅱ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

0 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、歷史文化名城、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 m×13.6 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。

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 mm×350 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，最大弯矩13.02 kN·m。

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 mm×280 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 kN·m。

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 kN·m，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 kN·m。

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 kN·m。

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 kN·m，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：①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。②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強。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.