近斷裂帶高度設防區穿斗式木結構建筑抗震分析

盧蜀峰 何麟

收稿日期：2023-11-10

作者簡介：盧蜀峰（1993—），男，重慶人，本科，工程師，研究方向：市政房屋建筑工程。

摘 要：以實際工程為背景，介紹了在西南區域近斷裂帶且抗震設防烈度為9度（0.40g），建筑形式為仿古建筑的結構分析，場地類別為Ⅱ類，設計分組為第三組。項目仿古建筑結構形式均為木結構，體系為隔地落柱穿斗式。以項目中某一棟樓的某一獨立單元為代表，對其木結構建筑進行結構分析。

關鍵詞：仿古建筑；結構分析；斷裂帶

中圖分類號：TS63? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）03-0103-03

0 引言

歷史建筑的自然腐朽以及閑置破敗，使我國古建筑群落一直處于逐漸消減階段。各項政策及文件多次強調要加強對文物保護單位、傳統建筑、傳統村落、歷史文化名城、村鎮的保護和利用，促進優秀傳統建筑文化的繼承和發展。本項目因歷史悠久，部分房屋結構已受損，急需進行修繕與改造，但項目所處區域較為特殊，對抗震要求、安全性要求較高。本文采用相關手段進行數值模擬，對結構進行理論分析，結合實際案例，提出針對性解決措施。

1 工程概況

本文內所研究對象為本項目某一典型樓棟房屋，該棟房屋平面尺寸12.7 m×13.6 m，由單元1、單元2、單元3和待定單元等4個單元組成。單元1總共1層，屋脊高度為5.480 m；單元2共兩層，第1層高度2.980 m，第2層屋脊高度6.204 m；單元3共兩層，第1層高度2.710 m，第2層屋脊高度5.623 m。本工程所采用的木材均為TC15-A的西部鐵杉，所取典型樓棟房屋如圖1所示。

2 模型建立

因單元1、2、3之間未設置梁、枋進行拉結，未設置斜撐進行聯系，且單元間的砌體墻、構造柱與木柱間采用柔性連接方式，故可認為在單元1、單元2、單元3并未發生結構上的聯系，分別為3個獨立的結構單元，現僅以開間較大的單元3（開間為4.2 m）作為主要對象進行建模分析。

2.1 節點剛度

本工程木梁柱節點為榫卯形式，榫頭和卯孔具有一定彈性，具有半剛性連接的特性，可承擔一定的水平作用力，數值模擬分析時采用線對象端部釋放來模擬半剛性節點。

2.2 構件剛度

本工程屋面存在Y180木檁和隨檁（隨檁枋）相疊加的情況，木檁和隨檁（隨檁枋）并未牢固連接，兩根梁交接面之間的剪切應變無法做到完全約束，故認為木檁和隨檁（隨檁枋）之間僅為剛度疊加關系。模型分析時，按Y180木檁進行建模，并對Y180木檁剛度進行放大（放大豎向剛度，即繞3軸的剛度），以考慮隨檁（隨檁枋）對木檁的剛度貢獻。截面設計時，按Y180木檁和隨檁（隨檁枋）等撓度法進行內力分配驗算[1]。

3 驗算分析

單元3的計算模型如圖2所示。采用桿單元模擬木結構梁、柱、檁條等構件，采用虛面進行豎向荷載導算。

3.1 位移角

風荷載和多遇地震作用時，木結構建筑的水平層間位移不宜超過結構層高的1/250。因單元3第2層為坡屋面，規范對層間位移、層間位移角的規定無法完全適用于第2層，故第2層的相關位移指標僅供參考。

根據表1可知，在風荷載作用下，單元3滿足1/250的位移角限值要求。在地震工況下，單元3不滿足1/250的位移角限值要求。此外，位移比大于1.2，單元3為不規則結構。

本模型計算分析時，并未考慮單元3抱柱枋、裝板或木門窗對X向剛度的有利貢獻?；诖?，故后續建議對此棟樓采取整體性進行加強，可設置斜撐等措施。

3.2 受剪承載力之比

樓層最大彈性水平位移或層間位移大于該樓層兩端彈性水平位移或層間位移平均值的1.2倍，抗側力結構的層間抗剪承載力小于相鄰上一樓層的65%。

4 截面計算

模型按《工程結構通用規范》規定的工況組合方式進行荷載組合，選擇受力較大的木柱、木梁、樓芡等構件代表進行截面承載力驗算，以單元3木柱A、二層木梁B、木架梁C、二樓樓芡D為代表進行截面計算，如圖3所示。

4.1 非地震工況下

4.1.1木柱A

選取單元3木柱A（截面直徑280 mm，強度TC15-A，高度2.7 m）為代表進行木柱驗算。

最不利工況下，木梁最大內力77.65 kN，最大彎矩6.77 kN·m。木柱A在軸壓力和彎矩作用下最大應力比小于1.0，滿足要求。

4.1.2木梁B

選取單元3二層木梁2（截面矩形140 mm×350 mm，強度TC15-A，跨度3.6 m）為代表進行驗算。

最不利工況下，木梁最大內力17.99 kN，最大彎矩13.02 kN·m。

在彎矩作用下最大應力為4.54 MPa，滿足要求?？辜魬?.55MPa，滿足抗剪承載力要求。

4.1.3木架梁C

選取單元3屋面層木架梁（截面矩形140 mm×280 mm，強度TC15-A，跨度3.6 m，支承有3根童柱）為代表進行驗算。

最不利工況下，木架梁為拉彎構件，端部軸力4.81 kN，剪力19.12 kN，彎矩10.79 kN·m。

在拉力和彎矩作用下最大應力比為0.41，滿足要求?？辜魬?.75 MPa，滿足抗剪承載力要求。

4.1.4樓芡D

選取單元3二層樓面樓芡（直徑180 mm，強度TC15-A，跨度4.2 m、間距0.917 m，現場為單樓芡+單層板，未采用雙層板+龍骨樓芡形式）為代表進行樓芡構件驗算。

最不利工況下，跨中最大彎矩值9.49 kN·m，端部剪力8.26 kN。

在彎矩作用下最大受彎應力為16.58 MPa，滿足要求。最大受剪應力為0.43 MPa，滿足抗剪承載力要求。

4.2 地震工況下

當木結構建筑的結構不規則時，應進行地震作用計算和內力調整，并應對薄弱部位采取有效的抗震構造措施。本工程存在超高、超層、位移比大于1.2等超規范或不規則項，故補充地震力驗算。同樣以單元3木柱A、木梁2、木架梁C、樓芡D為代表進行截面計算[2]。

4.2.1木柱A

最不利工況下，跨中端部剪力86.35 kN，最大彎矩值27.95 kN.m。

在軸壓力和彎矩作用下最大應力比略大于1.0，滿足要求。

4.2.2木梁B

最不利工況下，木梁最大內力19.08 kN，最大彎矩24.21 kN·m。

在彎矩作用下最大應力為8.46 MPa，滿足計算要求?？辜魬?.58 MPa，滿足抗剪承載力要求。

4.2.3木架梁C

最不利工況下，木架梁為拉彎構件，軸力9.66 kN，剪力29.53 kN，彎矩18.69 kN·m。

在拉力和彎矩作用下最大應力比為0.70，滿足計算要求；木架梁C抗剪應力為1.13 MPa，滿足抗剪承載力要求。

4.2.4樓芡D

最不利工況下，跨中最大彎矩值9.49 kN·m，端部剪力8.26 kN。

在彎矩作用下最大受彎應力為16.58 MPa，滿足要求。最大受剪應力為0.43 MPa，小于滿足抗剪承載力要求。

4.2.3建議

根據模型計算的內力結果，按規范相關規定進行了構件截面驗算，發現在不考慮地震工況下，單元3木結構各構件受力能滿足計算要求，風荷載下的位移角滿足規范要求。在地震工況小震彈性階段下，單元3木結構部分抗側力構件也基本能滿足計算要求，局部部位位移角不滿足規范規定的位移角限值。

針對上述結論，建議本項目主要采取措施為：①通過調整構件尺寸（增大截面）、結構布置（增設支撐等）減小結構地震工況下的位移角。②通過加強結構整體穩固性（優化高寬比，取消中間一排排架，兩開間進行連接）方式使位移角滿足規范限值。

5 結束語

本文結合實際工程案例，利用數值模擬對模型進行理論分析，在設計階段作了較好技術支撐。且經理論計算，在局部薄弱部位，針對性采取輔助措施對結構進行加強。在特殊地段修建木結構房屋，使結構整體穩定性得到保證，效果較好，具有推廣意義。

參考文獻

[1] 許丹.穿斗式木結構抗震性能試驗研究及地震易損性分析[D].西安：西安建筑科技大學，2019.

[2] 郭濤.穿斗式木構架抗震性能試驗研究[D].重慶：重慶大學， 2016.