轻型木结构的抗震性能及其构件的多重运用

[资料来源:互联网] [阅读次数:12485] [加入时间:2010年9月9日] [字号: ]

四大特性决定现代轻型木结构建筑为何抗震:

1、典型的木框架房屋具有无数的小连接点,而非少数的几个关键的连接点,从而为地震力提供了附加的转力路径。地震发生时,一旦某连接点超载,其超载部分可由相邻的连接点分担。

2、木材具有较高的强度重量比,因而木结构一般比其它类型的结构重量轻。重量轻在地震是一大优势。

3、木框架体系采用钉接节点,因而使结构体系有很好的柔性,因此能够在地震中吸收和耗散能量。

4、经工程设计建造的木框架建筑,其结构用面板(胶合板或定向刨花板)与墙骨柱组成有效的抗侧向力的建筑组件。

木结构分传统木结构和现代木结构,轻型木结构属于现代木结构范畴,现代轻型木结构与传统木结构的重大区别在于设计、制造和安装中具备防火、防蚁、防腐和抗震功能。轻型木结构体系,是将小截面规格材构件墙体、楼盖和屋盖构成的箱形建筑体系。

轻型木结构住宅在国外已有数百年的历史,美国、加拿大有95%人住轻型木结构住宅,另外在日本、韩国、台湾、土耳其等国家轻型木结构都广为普及。在国内,轻型木结构住宅近十多年有了较大的发展,建设部近年先后发布了国家标准,木结构工程施 工质量验收规范,木结构设计规范,木骨架组合墙体技术规范,进一步促进了我国轻型木结构建筑的发展。在地震多发地区如日本,台湾等地,人们都不约而同的选 择轻型木结构住宅作为重建的不二之选。

根据中国工程院士和建设部专家分析,我国的大地震致死原因,95%的人是被建筑物倒塌压死的。建筑物大部分倒塌除建筑质量,就是建筑结构选择问题,地震带附近地区,应多选抗震型结构建筑。日本在95年神户大地震后广泛的使用了轻型木结构体系,这也是自此之后,日本每次大地震都极少发生大规模伤亡的一个重要原因。

从结构设计的角度来看,建筑结构的重量、阻尼、强度、刚度、延性和整体性都是决定建筑物地震反应的因素。地震是一种自然现象,当发生地震时,地面运动决定了其本身的加速度、速度和位移,但是上述结构自身的特性就像一个“转换器”,在各种因素的共同作用下,可以改变地面上建筑物的地震反应,也就是说在同一场地震中,相同的地面运动,不同的建筑结构有不同的地震反应,有的建筑物经过大震依然可用,但有的建筑物已然成为废墟。我们说,根据建设场地地质条件的特征和地震的特点,通过调整“转换器”中各种影响因素的大小,进行合理的设计,是可以做到建筑物大震不倒的设防要求的。

说到木结构,我们不得不提一下中国传统的木结构。木结构在中国的使用和建造有着非常悠久的历史和丰富的经验,其中隼卯连接是传统木结构最典型的连接方法,隼卯节点不用铁钉,不用钢销,通过能工巧匠的刻凿,就能将梁和柱牢固的连接在一起。举个身边的例子来说,就是普通的木椅,其各个构件之间均采用隼卯连接,使用时间久了或使用不当时,木椅节点会松动,当你用手去摇动木椅时,虽然会有明显的变形,但木椅不会散架破坏。其实这其中蕴含了一个非常重要的抗震思想,就是“以柔克刚”。通过结构在允许范围内的变形和错动来消耗地震的能量,这样就能保证结构的整体安全。

轻型木结构是一种采用小断面规格木材通过钉和金属连接件连接固定建造而成的建筑物。木材本身就具有弹性,在外力作用下有一定的变形和恢复能力;而钉节点和金属连接件节点和我们传统木结构中的隼卯节点可谓异曲同工,都具有一定的变形能力,这样轻型木结构就形成了一个柔性结构。轻型木结构有三大特点,首先,结构自重轻,木材的重量仅为混凝土重量的1/4到1/5,相同体量的建筑物,结构自重越小受到的地震作用也越小,所以轻质的木结构受到的地震作用比较小;其次,轻型木结构采用规格材做墙体骨柱,定向刨花板或胶合板等结构性能稳定的板材做覆面板,形成具有良好抗侧能力的木剪力墙,这也是结构主要的抗侧力构件;最后,小断面密布的轻型木结构是柔性结构,有很大的结构冗余度以及一定范围内的变形能力,结构可以通过自身的变形来消耗能量,提高整体安全性。当发生地震时,在三大特点的共同作用下,轻型木结构体现出良好的“以柔克刚”的抗震性能。

以世界范围内的几次大震中轻型木结构的实际表现来看,轻型木结构的抗震性能是稳定和经得起考验的。轻型木结构大量的用于北美地区的住宅建筑,所占比例在95%以上,1964年阿拉斯加地震,1971年加州圣佛南多地震,1987年纽西兰艾几坎比地震,1988年魁北克萨坤内地震,1989年加州娄玛布理塔地震以及1994年加州北岭地震,20世纪以来的历次大震中,轻型木结构的抗震性能得到了充分的体现和证明。

在汶川地震中,位于震区的轻型木结构再一次经住了里氏8级的大震考验。都江堰青城山前山的中国青城项目中有部分别墅的结构采用了轻型木结构,在灾后的实地调查中发现,建筑面积约200平方米的轻型木结构房屋底层裂缝最多出现了6处,二层的裂缝最多出现了2出,多为门窗洞口等角部的细小裂缝以及厨房卫生转角和镜子周围的裂缝,经过专家的仔细分析,部分裂缝是墙体石膏板覆面在地震中发生错动而引起的表面装修层的开裂,并不影响结构的安全性以及正常的使用。和轻型木结构别墅相邻的混凝土框架和砌体填充墙结构虽然混凝土主体框架并没有发生严重的破坏,但其间的砌体填充墙却在地震中严重破坏,掉落的砌块和出现的明显裂缝严重影响了建筑物的使用和安全。

通过大量的实际震害调查结果以及这次汶川地震的震害比较,轻型木结构的房屋较相同体量的钢筋混凝土或砌体结构具有更好的抗震性能,没有明显和致命的破坏;另外,木结构墙体不会像砌体填充墙那样破坏并大面积的砸落引起伤害事故;根据中国抗震设计规范,轻型木结构的设计相对北美的设计更加保守偏安全,因为不考虑石膏板对抗侧力构件的贡献,但北美的研究结果表明,石膏板在作为墙体覆面板时,是可以提高墙体抗侧能力的,这无疑是提高了轻型木结构的安全储备。

目前,在很多国家和地区,轻型木结构都得到了很多的应用和大力的推广,例如地震多发的美国加州地区、新西兰、台湾地区、土耳其以及日本。很多国家或地区都在大震中看到了轻型木结构的优势,所以积极的推广并鼓励人们采用轻型木结构建造房屋,提高建筑的抗震能力。另外,很多实际工程还创新性地将轻型木结构与混凝土框架等不同的结构形式混合使用,既利用混凝土框架开较大洞口满足商业需要,又利用轻型木结构提高了结构整体的抗震性能。最好的例子当属木桁架屋架体系以及木骨架填充墙系统。

我们认为由于中国现有森林资源宝贵,大力发展木结构建筑一方面完全可以依靠利用国外林产丰富,科学管理,合法来源的森林资源,一方面又可进一步提升国内建筑行业可持续发展水平,提升建筑节能效率。

当然,任何结构都需要进行合理的设计和良好的施工才能发挥其特点和作用,轻型木结构也不例外。


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