《重力侧力体系分离式钢胶合木混合框架抗震性能试验研究》

来源：《建筑结构学报》(清华大学主办) 2023

中文标题：《重力侧力体系分离式钢胶合木混合框架抗震性能试验研究》

英文标题：Experimental Study on Seismic Performance of SteelGlulam Hybrid Frames with Decoupled GravityLateral Force Resisting Systems

作者：李征，王振，何敏娟，舒展

发表期刊：《建筑结构学报》

发表信息：2023 年，第 44 卷第 12 期，第 112 页 · DOI：10.14006/j.jzjgxb.2022.0579

作者单位：同济大学土木工程学院

基金项目：国家自然科学基金项目（52078342）

摘要

钢胶合木混合结构能够充分发挥钢材抗侧刚度高与胶合木自重轻、低碳环保的优势。传统钢木混合框架重力构件与抗侧构件耦合受力，地震作用下木构件容易发生脆性损伤。本文研究重力侧力承载体系分离的钢胶合木混合框架，采用钢板剪力墙作为独立抗侧力体系，胶合木框架仅承担竖向重力荷载，二者之间设置可变形连接实现受力解耦。完成 2 榀 1/2 比例混合框架低周往复拟静力试验，对比普通耦合体系与分离式体系的破坏模式、滞回特性、刚度退化、耗能能力。试验表明：重力侧力分离构造可以显著降低胶合木构件地震内力，避免木构件出现剪切、劈裂脆性破坏；结构塑性损伤集中于钢板剪力墙，木框架基本保持弹性，震后仅需更换钢板剪力墙即可完成修复。基于增量动力分析开展概率地震需求评估，给出该类混合框架在不同性能水准下的层间位移角建议限值。研究成果为装配式钢木混合建筑抗震设计提供试验依据与参考。

English Abstract

Steelglulam hybrid structures make full use of high lateral stiffness of steel and lowweight, lowcarbon advantages of glulam. Conventional steeltimber hybrid frames couple gravitycarrying members and lateralforceresisting components, which may lead to brittle damage of timber members under earthquakes. This paper investigates steelglulam hybrid frames with decoupled gravitylateral force resisting systems. Steel plate shear walls serve as independent lateralforceresisting components, while glulam frames only resist vertical gravity loads. Deformable connections are adopted to realize mechanical decoupling between two subsystems. Lowcycle reversed quasistatic tests on two 1/2scale hybrid frame specimens were carried out. Failure modes, hysteretic responses, stiffness degradation and energydissipation capacity were compared between conventional coupled system and decoupled system. Test results show that the decoupled configuration significantly reduces seismic internal forces in glulam members and prevents brittle shearsplitting failures of timber components. Plastic damage concentrates on steel plate shear walls while glulam frames remain nearly elastic, and postearthquake repair can be realized merely by replacing steel plate shear walls. Incremental dynamic analysis and probabilistic seismic demand assessment were performed, and recommended interstory drift limits corresponding to different performance levels were proposed. This study provides experimental basis for seismic design of prefabricated steeltimber hybrid buildings.

研究背景

一、钢木混合建筑发展机遇

双碳目标背景下，胶合木作为低碳可再生建材，在装配式建筑领域得到快速推广。纯木框架抗侧能力有限；纯钢框架碳排放相对更高。钢胶合木混合结构结合两类材料优势，是高层装配式建筑重要发展方向。但传统钢木混合框架将木构件同时承担竖向重力与水平地震作用，木材抗剪、抗劈裂能力弱，地震下容易发生不可修复的脆性开裂，制约钢木混合结构向中高层建筑推广。

二、重力侧力分离结构理念

为规避木构件承受过大水平地震作用，学术界提出重力侧力承载体系分离思路：将建筑竖向重力荷载、水平地震荷载交由两套独立子体系分别承担。胶合木框架只承受楼面、屋面竖向重力；钢板剪力墙、钢支撑等钢结构独立承担全部水平地震和风荷载；两套子体系之间设置可变形连接，允许二者产生相对侧向变形，切断地震作用向木构件传递路径，保护木构件不受地震损伤，实现震后可快速修复。

三、现有研究不足

国内对钢木混合结构大多研究构件耦合受力体系，针对重力侧力完全分离的整体框架试验研究较少，缺少对应的破坏模式、滞回性能数据，不同抗震性能水准下的层间位移角限值缺乏系统标定，难以直接指导工程设计。基于上述现状，本文开展缩尺框架拟静力试验，揭示分离式钢胶合木混合框架抗震机理，给出设计建议。

研究内容

（一）试件方案与加载制度

设计 2 榀 1/2 比例两层钢胶合木混合框架： 试件 1（对照组）：普通耦合式钢胶合木混合框架，木梁柱同时承受竖向、水平荷载； 试件 2（试验组）：重力侧力分离式框架，胶合木框架承担竖向荷载，钢板剪力墙独立抗侧，子体系之间设置可变形连接。

试验采用竖向恒定轴压加载 + 水平位移控制低周往复加载，全程记录荷载位移滞回曲线，观测构件裂缝、塑性发展，采集木构件、钢板剪力墙应变数据。

（二）破坏模式与滞回性能对比

对照组耦合框架：往复加载后期胶合木梁、柱出现明显劈裂、剪切脆性裂缝，木构件发生不可逆损伤，滞回环捏缩明显，后期承载力快速下降。 分离式试验组：全部塑性变形与损伤集中在钢板剪力墙，胶合木梁柱全程基本保持弹性，没有出现木材劈裂破坏；整体滞回环饱满，等效黏滞阻尼比稳定，刚度退化平缓。可变形连接能够有效释放相对侧向位移，实现重力子体系与抗侧子体系受力解耦。

（三）参数分析与性能水准限值标定

建立经过试验校准的有限元模型，开展大量增量动力分析 IDA，进行概率地震需求分析。统计不同地震强度下结构损伤状态，划分立即居住、生命安全、防止倒塌三档抗震性能水准，给出对应层间位移角建议限值：立即居住 0.2%、生命安全 0.7%、防止倒塌 2.6%。

（四）关键构造设计要点讨论

可变形连接刚度取值至关重要：连接刚度过大，无法实现解耦，地震内力依旧传递给木构件；连接刚度过小，竖向传递能力不足，会影响重力荷载传递。同时钢板剪力墙需要设置边界框架，避免局部过早撕裂；胶合木构件需要控制螺栓开孔，减少应力集中。

结论

（1）重力侧力承载分离式钢胶合木混合框架可实现损伤可控：地震塑性损伤集中于可更换钢板剪力墙，胶合木构件基本维持弹性，规避木材脆性劈裂破坏，具备震后快速修复的韧性建筑特征。

（2）传统耦合钢木混合框架地震下木构件容易发生不可修复的脆性损伤，滞回耗能能力较差；分离式体系滞回性能更稳定。

（3）基于概率地震需求分析，给出该类混合框架三档性能水准对应的层间位移角建议限值，可供工程参考。

（4）可变形连接是实现两套子体系受力解耦的核心，连接刚度需要兼顾侧向变形释放与竖向荷载传递双重需求。

（5）后续研究建议进一步开展足尺构件试验，研究不同类型可变形连接、不同抗侧构件（屈曲约束支撑）对整体体系性能的影响，完善配套设计条文。