1、多层和混合轻型木结构抗震设计指南目录1.轻木结构抗震概述2.木基剪力墙的模拟3.抗震设计流程4.工程算例5.小结轻型木结构指用规格材和木基结构板材制作的木基剪力墙、木楼盖和木屋盖组成的结构体系。轻型木结构和混合结构墙 基 础地 梁 板墙 板底 梁 板桁 架 或 椽 条墙 骨 柱搁 栅墙 骨 柱顶 梁 板搁 栅托 木组 合 梁楼 面 板楼 面 板混合结构特指轻木结构与混凝土结构或钢结构等其它结构组合概述轻型木结构和混合结构概述轻型木结构在北美、欧洲和日本、澳大利亚等国家和地区应用广泛，特别是低层民用建筑和一些公共建筑。目前国内轻型木结构限制为3层，部分国家如加拿大等已允许6层混合结构限制为7层，
2、上部轻木结构限制为3层抗震性能概述轻型木结构的抗震性能优异。在历次大震中，轻型木结构的抗震性能得到了充分的体现和证明。在强烈地震中，多数轻木房屋完好无损，仅有不同程度的表面和结构损伤楼、屋盖地震作用剪力墙基础日本阪神地震中的轻型木结构住宅传力途径抗震设计方法抗震设计方法构 造 设 计 法工 程 设 计 法底部剪力法振型分解反应谱法分配剪力构件设计构件设计构件设计侧向按经验设计验算竖向承载力刚性楼盖柔性楼盖经验公式计算周期或直接取max重点研究采用振型分解反应谱法进行建模计算较简单建筑满足一定条件计算地震水平力建模计算复杂结构复杂结构2.木基剪力墙的模拟方法木基剪力墙的模拟方法木基剪力墙的模拟混
3、凝土和钢结构，按构件截面建模，线性材料，进行地震计算核心问题：木基剪力墙的模拟木基剪力墙构造复杂，受力与变形之间为非线性关系门 洞窗 洞覆 面 板覆 面 板覆 面 板覆 面 板覆 面 板钉短 骨 柱双 层 顶 梁 板过 梁洞 口 边 骨 柱洞 口 加 强 骨 柱普 通 墙 骨 柱窗 台 板底 梁 板端 柱木基剪力墙的模拟提出了大量的模型，多数采用了非线性假定，与试验结果很吻合，偏理论研究，直接应用于设计比较困难剪力墙的变形木基剪力墙的模拟弯曲变形竖向紧固件伸长覆面板剪切变形钉滑移钉连接在荷载的作用下的变形非线性特征明显因此木基剪力墙整体在单调和反复荷载作用下均表现出较强的非线性。目标目标准确性
4、准确性易用性易用性木基剪力墙的模拟trcstrcsfIEHMIEHV2323aissadLH,nsvssveHBLVH0025.0sivafiH1抗弯刚度抗剪刚度max其中，dTTdrfa22,)(其中，trcctrtrttryLAyAI22)77(其中，dvsenctrtcctrAALAy,nAAttrt,ctEEn从设计的需求出发，设计线性算法，使得构件变形符合规范公式弯曲变形竖向紧固件伸长面板剪切变形+钉滑移非线性新版木结构设计规范中的剪力墙变形公式抗弯刚度木基剪力墙的模拟cccccccacncompressioAEHTAEHTdd/,/,)(cccceqcEHEHEEHHE顶梁板底梁板
5、端柱TcTcEcEc,HHH2AcEc1压缩变形压缩变形等效受压弹性模量等效受压弹性模量maxdTTAEHTddrfttsfattensionmax,dTAEHHErttsseqt等效等效受拉受拉弹性模量弹性模量受拉变形受拉变形端柱底梁板抗拉紧固件E,AdTfatt使用常规抗拔紧固件顶梁板ceqteqEEnnAAttrt,ctrtcctrAALAy,22,)(trcctrtrttryLAyAIceqEE等效惯性矩从顶梁板、底梁板、端柱以及抗拔紧固件的变形进行推导剪切刚度木基剪力墙的模拟nsvssveHBLVH0025.0剪切刚度是非线性的，和承受的剪力相关2次方关系22)77(0025.0dv
6、sHBLVHsvss模拟时考虑三种形式：杆单元、壳单元和斜撑框架杆、壳元等代参数木基剪力墙的模拟Lb/)(ccccEHEHEEHHE)0025.01(2.1nnveqpVseBtG对于任一给定的剪力墙和承担的剪力，使用杆单元和壳模拟可以得到等代参数LL抗拔紧固件端柱E ,AcccE ,Attyt rbt等代杆件截面eq312LIttreqHL刚性杆截面长度截面宽度弹性模量剪切模量斜撑框架等代参数木基剪力墙的模拟对于给定的剪力墙和承担的剪力，可得到斜撑框架的等代参数HLSSS1S2)0025.0(2)(222nsvsseHBLVHLHLVK22LIAtrctr/,)(cccceqcEHEHEEH
7、HE抗弯由两根立杆的拉压实现，抗剪由斜撑弹簧实现弹性模量截面尺寸斜撑刚度设计流程3层对齐墙体的顶部位移（mm）首层2层3层位移误差位移误差位移误差规范公式12.68/31.86/53.51/杆元12.710.24%31.990.41%53.620.21%斜撑框架12.50-1.42%31.64-0.69%53.21-0.56%壳元12.09-4.62%30.51-4.24%51.83-3.14%对上下部剪力墙不对齐的情况，也分别进行了对比分析研究从构件层面与规范公式进行了对比研究，采用SAP2000建模3.设计流程振型分解反应谱法设计流程复核构件截面及连接节点底部剪力法计算水平地震力按楼盖假定
8、分配各墙剪力估计构件初始截面计算剪力墙的等效参数建立模型采用振型分解反应谱法计算由内力再次计算等效刚度更新参数后再次计算两次剪力相差小于5%两次剪力相差大于5%完成设计承载力满足要求承载力不满足要求开始设计剪切刚度和剪力相关需要迭代试算计算一般迭代1次设计流程构件设计 楼盖、屋盖平面内设计 剪力墙平面内设计 节点及连接设计得到剪力墙和楼盖屋盖内力后，对构件和连接节点进行设计构件设计剪力墙平面内设计抗剪承载力lkkfVvd21边界杆件边界杆件墙面板抗剪墙面板抗剪水平位移水平位移水平层间位移不宜超过结构层高的1/250RErttNN受拉验算受压验算强度计算RErccNN稳定计算cckfAN0局部承
9、压验算,90ccNfA连接计算连接计算钉子的受剪承载力验算和连接节点计算R顶、底梁板端柱覆面板MM=R1h1+R2(h1+h2)剪力分布弯矩分布顶、底梁板1bR2hR=R1+R2V=R/hM=R1h1+R2(h1+h2)R2端柱R1hh21V=R1+R2V=R2M=R2h2受力简图覆面板抗 剪 覆 面 板洞 口端 部 墙 骨 柱hb1b2RRb1+b2V=VVhb1b2C1M1T1VVC2M2T2VV构件设计楼盖平面内设计抗剪承载力边界杆件边界杆件楼盖楼盖抗剪抗剪垂直荷载方向杆件平行荷载方向杆件洞口周边杆件连接计算连接计算楼盖、屋盖与剪力墙的连接节点验算evdBkfV112araMMNB010
10、LLLLvNar020LLLLvNarwRRVbw L2w L2V=R=wRRMbw L8Mm a x=ccTT2MbT=C=M M构件设计连接件设计预埋螺栓一层墙体底梁板抗拔紧固件螺栓，上下两层墙体拉通墙骨柱下层墙体双层顶梁板上层墙体单层底梁板楼盖墙骨柱抗拔紧固件墙体与楼盖之间的连接墙体与基础/下部结构之间的连接墙骨柱螺栓承载力计算内容1）墙体与楼盖和基础的抗拔连接计算；2）墙体与楼盖和基础的抗剪连接计算。4.工程算例工程算例工程算例以向峨小学宿舍楼为原型改造，3层轻型木结构与2层混凝土的混合建筑，共5层。建筑各层层高均为3.6m，建筑物长度26.4m，宽度15.8m，总建筑面积为2020m
11、2。工程算例1、试算底部剪力法F5F4F3539536003600用底部剪力法计算，水平地震影响系数取水平地震影响系数最大值。16.0max1F5=167.217kNF4=193.05kNF3=97.103kN底部总剪力eqEKGF各层剪力分布)1(1nEKnjjjiiiFHGHGF初步试算时上部木结构和下部混凝土结构分别考虑。工程算例2、剪力分配 3层4层5层 南北向4660mm18.9414.926.92南北向1690mm6.875.412.51南北向1250mm5.084.001.86东西向2300mm16.2812.835.95东西向2000mm14.1611.155.18东西向145
12、0mm10.278.093.75东西向1100mm8.146.132.85东西向1000mm7.085.582.59各段墙体承担剪力(kN)illVV11按照剪力墙的长度按线性关系对每层的两个方向的剪力进行分配。工程算例按刚性楼板假定分配剪力根据剪力和剪力墙长度，初步估计剪力墙的截面设置3、计算等代参数/,)(cccceqcEHEHEEHHE312LIttreq=6056N/mm2=18.56mm3层南北向4660mm剪力墙剪力为18.94kN。采用的是双面9.5mm的定向刨花板，普通钢钉的直径为3.3mm，面板边缘钉的间距为150mm。采用普通紧固件依靠木底钉在墙的两端提供抗倾覆力矩。剪力墙
13、的边界杆件为剪力墙边界墙骨柱，为三根38mm140mm的c云杉松冷杉规格材。)0025.01(2.1nnveqpVseBtG=520N/mm工程算例根据剪力墙截面设置和剪力墙承担的剪力，计算等代参数截面长度截面宽度弹性模量剪切模量L=4660mm3、计算等代参数方向长度Lmm厚度Teqmm弹性模量EceqN/mm2剪切模量Gp N/mm3层4层5层南北向外墙（3/4层）466017.596056510567/南北向外墙（5层）466017.596056/811南北向内墙466017.596056510567811南北向内墙169035.736056216249356南北向内墙125039.89
14、6056180207296东西向内墙230029.996056282238/东西向内墙200032.676056/254东西向内墙145038.156056430363387东西向内墙110040.696056390329351东西向外墙（3/4层）100040.716056323272291东西向外墙（5层）100040.716056286244260建立计算表格，计算各墙体的等代参数工程算例4、建立计算模型工程算例杆元壳元斜撑框架下部混凝土自振振型-杆元工程算例T1=0.667s（X向）T2=0.426s（扭转）T3=0.417s（Y向）自振振型-壳元工程算例T1=0.668s（X向）T2
15、=0.419s（扭转）T3=0.400s（Y向）自振振型-斜撑框架工程算例T1=0.655s（X向）T2=0.406s（扭转）T3=0.398s（Y向）5、振型分解反应谱法计算 3层4层5层 南北向4660mm22.1218.048.46南北向1690mm5.793.200.42南北向1250mm3.651.760.28东西向2300mm15.1911.876.97东西向2000mm12.119.105.11东西向1450mm6.794.772.46东西向1100mm4.412.601.29东西向1000mm3.652.061.00各段墙体承担剪力(kN)按照振型分解反应谱法进行地震力计算工程
16、算例墙体受力与底部剪力法有一定不同6、重新计算剪切模量Gp方向剪切模量Gp（N/mm）3层4层5层南北向4660mm473519742南北向1690mm225304493南北向1250mm200288422东西向2300mm437373367东西向2000mm404353353东西向1450mm351319326东西向1100mm322307314东西向1000mm319307315各墙体等代参数（第一次迭代）按照第一次计算得到的剪力，更新表格中的剪力值，再次计算等代参数中的剪切模量Gp工程算例工程算例迭代计算结果 3层4层5层第1次第2次相差第1次第2次相差第1次第2次相差南北向4660mm
17、21.2421.591.65%17.3917.500.63%8.668.58-0.92%南北向1690mm6.446.12-4.97%3.683.59-2.45%0.650.673.08%南北向1250mm4.133.99-3.39%2.001.99-0.50%0.360.34-5.56%东西向2300mm15.0915.090.00%11.8511.850.00%6.986.980.00%东西向2000mm12.1212.130.08%9.209.18-0.22%5.185.180.00%东西向1450mm6.916.90-0.14%4.924.91-0.20%2.562.55-0.39%东
18、西向1100mm4.554.550.00%2.702.700.00%1.371.36-0.73%东西向1000mm3.763.75-0.27%2.152.150.00%1.071.070.00%各段墙体承担剪力标准值(kN)在SAP2000中更新各墙体杆单元的参数，再次进行振型分解反应谱法的计算迭代一次计算就基本收敛了工程算例3种模拟方法结果对比各段墙体承担剪力标准值(kN)三种模拟方法计算结果较为接近，从建模和提取结果方便程度上来讲，推荐杆单元 3层4层5层杆元壳元斜撑框架杆元壳元斜撑框架杆元壳元斜撑框架南北向4660mm22.6224.89 23.0718.3520.40 18.738.9
19、69.85 10.98南北向1690mm6.467.48 6.863.804.05 3.800.621.29 1.34南北向1250mm4.284.74 4.532.121.71 2.440.351.10 1.77东西向2300mm17.6815.05 15.0914.313.60 13.957.936.34 6.98东西向2000mm14.1612.56 12.1311.0710.44 11.185.793.51 5.18东西向1450mm8.0010.42 7.905.898.22 6.912.705.22 3.55东西向1100mm5.256.67 5.553.213.48 3.171.390.96 1.36东西向1000mm4.325.32 4.752.542.64 2.551.061.68 1.07小结小 结重点研究了如何通过建模计算，实现振型分解反应谱法进行抗震设计振型分解反应谱法比底部剪力法准确度更高，将来可用于复杂的多层轻型木结构及混合结构的设计。总结了轻木结构各种抗震设计方法、流程和要求。通过公式推导，得到了用杆、壳单元以及斜撑框架模拟木基剪力墙的方法谢 谢北京市朝阳区北三环东路30号 中国建筑科学研究院主楼C座10/11层
