协议对木剪力墙抗侧性能的影响

　　1. 引言

　　轻型木结构中，房屋主要通过木框架剪力墙来承受风和地震作用引起的侧向荷载。木剪力墙试验在研究木框架抗震性能、分析足尺结构性能等方面发挥着巨大作用，研究人员主要通过木剪力墙试验的结果来判断目前设计程序和设计值的可靠性，研究墙体、基础锚栓等构造措施。试验协议对木剪力墙试验来讲，又是至关重要的。结构的试验协议有三部分内容：首先是确定试件模型包括材料、构造和边界条件，其次是要确定试件的位移或力的历程；第三是要对试验结果进行分析，并利用试验结果对结构设计进行评价，研究延性和其薄弱连接件的性能。这三部分内容都是同等重要的，目前木剪力墙试验也主要是根据这三部分内容展开研究。

　　研究者在试验过程中所采用的加载协议各不相同，主要包括静力加载、低周循环往复加载、伪动力加载与振动台试验等。本文主要介绍目前国际上常用的木剪力墙静力加载协议和循环加载协议。?

　　2. 静力加载协议

　　木剪力墙的侧向力主要由面板承受，然后通过钉子传递给木框架。根据覆面板和钉子的类型以及钉子的数量，国际结构规范（ICC 2000）规定了木结构剪力墙容许的单位承载力。设计人员主要是通过表格查询得到具体木剪力墙的抗侧承载力作为设计值，它们主要是由APA(美国工程木协会)利用ASTM E-72和ASTM E-564试验协议进行单向加载试验推导得出的〔1〕。我国《木结构设计规范》GB50005-2003〔2〕中附录Q也给出了相应木结构剪力墙抗侧力设计查询表，这些值是参考加拿大与美国的相关木结构标准得来的。?

　　2.1 ASTM E72标准。

　　ASTM E72(1995)标准是美国材料与试验协会制定的建筑用面板传导强度的试验方法〔3〕。该方法规定对试件以一定速度分别加载至3.0KN，7.0KN，10.5KN后完全卸载再重新加载至下一个荷载点，当荷载达到10.5KN后完全卸载，重新加载直到试件破坏。

　　ASTM E72（1995）包括了确定部分墙体、地面、屋面结构性能的一些步骤。它主要是量测出地震荷载作用下，普通面板如胶合板、定向结构刨花板、石膏板等材料作为覆面板的木框架的承载力，即确定覆面板材料的相对性能。APA(美国工程木协会)根据ASTM E72（1995）标准，进行了覆面板-钉子连接件的试验研究。其试验装置假定：墙体试验主要用来确定覆面板-钉子连接件的剪切能力。但实际试验时需要考虑试件的形式以及边界条件的影响,并且试验协议发展的趋势是对足尺构件进行试验而不单是对覆面板进行试验。

　　2.2 ASTM E564标准。ASTM E564(1995)标准是美国材料与试验协会制定的剪力墙抗剪性能静力加载试验方法〔4〕。该试验方法提供两种加载顺序：静力加载和可选择的循环加载。静力加载规定先对试件以一定速度加载至10%期望极限荷载持续5分钟后完全卸载，再分别以1/3期望极限荷载为一级重新加载至荷载点后完全卸载再重新加载至下一个荷载点;可选择地循环往复加载方法规定先对试件以一定速度加载至10%期望极限荷载后完全卸载，再分别以1/3期望极限荷载为一级重新加载至荷载点后完全卸载，然后以相同的加载方式反方向加载，如此形成循环往复加载方案，最后经过5轮循环加载直至试件破坏。

　　ASTM E564（1995）标准要求墙体尺寸为2.4m×2.4m（8ft×8ft），若对不同尺寸和布置情况的墙体进行加载时，加载程序需进行修改，同时它要求试验施加约束要反映墙体与基础间的实际连接情况；ASTM E72（1995）标准要求试验墙体由于水平荷载的作用，在底梁板与墙骨柱分离处施加抗倾覆锚固件。因此，试验中采用ASTM E72（1995）标准所获得的墙体极限抗侧承载力和刚度比ASTM E564（1995）标准要高。

　　3. 循环往复加载协议

　　木剪力墙试验以及试验协议的重点仍然停留在木结构覆面板剪力墙上，近年来才对胶合板剪力墙进行了试验研究。

　　试验在选择使用的力-位移历程时，需要确定控制的类型（力或位移）、加载类型（单调或循环）、要求类型（近断层，非近断层）、加载速率（拟静力，动力）等。大多数剪力墙、连接件及其他构件的试验都采用静力加载模式，根据试件结构来调整加载速率，得到持时5~10分钟的破坏荷载。研究表明，由静力加载试验得出的结构强度和刚度能满足抗风设计的要求，但并不适用于抗震设计。此外，静力加载试验不能很好地描述地震反应，如加载历程以及结构耗能（结构阻尼）等因素对木剪力墙的影响。普遍认为循环往复加载协议更能很好的反映木框架剪力墙的抗震性能。

　　目前，有3个主要的木剪力墙试验协议来验证木结构的抗震性能。它们是CUREE试验协议、SPD 试验协议和ISO试验协议，但是目前尚缺乏统一标准的加载协议。

　　3.1 CUREE试验协议。研究者们认为试件协议应符合现场条件，准确模拟材料性能、施工技术和边界条件。由此提出了两个变形控制的拟静力循环试验协议：CUREE-Caltech协议（CUREE）、CUREE-Caltech近断层协议（CUREE-NF）〔注〕。CUREE-Caltech协议主要是针对木结构房屋的滞回反应而制定的，用来模拟远场地震地面运动对木结构产生的影响;CUREE-Caltech近断层协议主要是模拟近断层地震地面运动对木结构的影响CUREE-Caltech协议的位移历程是根据试件最大循环承载力处的估计变形（参考变形Δ）建立的。使用这个位移协议时，循环试验前需要预估出参考变形Δ，可以通过单调试验、分析预测、以及从类似试验的数据中确定出Δ。单调加载试验是木框架结构研究人员确定参考变形Δ的主要方法。图1说明了由单调试验结果确定的参考变形Δ。单调变形能力Δm是最大承载力下降到80%处的位移。参考变形Δ是单调变形能力Δm的函数。建议使用公式Δ=0.6×Δm初步估计出循环荷载峰值承载力处的变形。木框架结构研究人员根据他们的循环加载试验经验判断得出了“0.6”这个值。为保证到达参考变形前能出现预计的循环次数，在某些情况下也可以对“0.6”进行修改。

　　CUREE近断层协议(CUREE-NF)与CUREE-Caltech协议都利用了记录的近断层地面运动。CUREE近断层协议（CUREE-NF）是根据近断层参考变形Δm定义的，试件要求与单调加载相类似。

　　当不能定义出合适的参考变形时，结构试验可采用CUREE力控制试验协议，它是根据参考力 定义的， 是试件经历地震时的承载力，可以通过单调试验或者经验得出。由于小循环对力控制构件的最大承载力影响不大，故小于0.7 的循环次数非常少。

　　3.2 SPD试验协议。SPD加载协议最早是由美国砌体研究技术协调委员会（TCCMAR）提出，后经南加州结构工程协会（SEAOSC 1995）改进和采用，该加载协议必须依据静力加载下试件达到破坏状态时的位移，加载过程中振幅按该破坏位移的一定比例逐渐增加。

　　SPD试验协议与CUREE试验协议有很多相似之处。剪力墙试验采用的都是位移控制而不是力控制；都使用反复循环加载而不是单调加载来确定木剪力墙的抗震性能。

　　SPD与CUREE还有三个主要区别。首先SPD试验协议以试件初始破坏的特征为基础，其性能与理想的弹塑性材料模型有关，而CUREE试验协议用加载历程来评价一系列地震时地面运动的需求。

　　第二点差别在于CUREE试验协议采用循环加载时最大承载力处的估计值来建立加载历程，而SPD试验协议更关注于首先出现破坏的情况，这与SPD试验协议中屈服的定义相近。当首个指定位移路径下的承载力明显高于随后位移路径的承载力时判断这一点为屈服。屈服极限状态（YLS）是指，最后循环路径与首个循环路径相比，承载力下降5%或更多则认为是屈服。

　　第三点区别与约束有关。CUREE试验协议要求约束条件更能代表实际结构的约束情况。SPD试验协议特别要求使用刚性约束来消除由于剪力墙变形引起的墙骨柱上拔。由于覆面板和连接件的共同作用，这种边界条件的方法更侧重于抗剪性能，因此它的约束条件与美国ASTM E72〔ASTM，1995〕试验标准大致相同。

　　使用SPD试验协议时，需要通过预先的循环试验来确定一片或一组墙的首个主要的试验现象。SPD协议在试验多次循环以后，比预期地震能吸收更多的能量。这时的最大承载力是真实的，但应注意出现首个主要试验现象的循环次数在10-12次左右。除了循环次数外，位移大小以及相同位移水平下的循环次数对试验协议来说也十分重要。SPD试验协议的研究者们近来建议减小试验循环次数。

　　SPD试验协议建议从试验结果推导出设计值。对于强度的设计步骤来说，名义承载力是根据3-5个试验得出的平均屈服荷载定义的。对于容许应变来说，名义承载力应乘以1.4的系数。由于试验中观察的典型破坏机制与地震或飓风作用下观察到的破坏有着显著的不同，SPD试验协议没有得到普遍认可。

　　3.3 ISO试验协议。ISO加载协议和SPD加载协议相似，加载过程中位移按极限荷载下的位移以一定比例逐渐增加。

　　ISO试验协议的标题为“木结构——机械连接点——拟静力反复循环试验方法”〔5〕。尽管这个方法是专门为节点提出来的。反复荷载取用相同试件单向荷载试验所确定的极限位移（荷载下降至极限荷载的80%或者试件出现严重破坏时的位移）作为控制位移，位移速率为5 mm/秒，加载循环为：峰值位移为控制位移的1.25%，2.5%，5%，10%三角形波依次进行一次循环，峰值位移为控制位移的20%、40%、60%、80%、100%和120%三角形波依次进行三个循环后终止试验。

　　ISO试验协议与CUREE试验协议的相似点在于，它主要研究最大承载力处的性能，要求在正式试验前估计出最大承载力处的位移，并要求在20次循环内到达估计的最大位移（Vu）。而不同点在于，ISO试验协议在相同位移下要循环多次，它的能量吸收与一系列地震地面运动的能量吸收有关。

　　近年来有关木剪力墙的抗侧试验中多采用了循环往复加载试验协议来模拟地震作用，研究者们研究了不同加载协议（CUREE、SPD、ISO等）对木剪力墙受力性能影响〔6-7〕，发现加载序列对剪力墙的性能影响较大, 但对墙体初始刚度影响不明显，同时还发现剪力墙的破坏模式与加载协议有关，循环次数多的SPD加载协议使得钉子发生剪切疲劳破坏，使得剪力墙的极限承载力与变形能力降低；它所需能量比CUREE、ISO加载协议明显要大，但这个协议下木剪力墙的破坏现象在实际的地震作用中并不常见。CUREE方案和静力加载方案下墙体性能最为接近。不同加载协议下的最大荷载基本差不多（10%以内），SPD最大荷载时的位移小于其它加载协议。但目前尚无一个统一的加载协议来完全反映地震作用下木剪力墙的抗侧性能，目前推荐将ISO试验协议作为我国剪力墙试验加载协议。

　　4. 结论

　　加载协议对木结构剪力墙抗侧性能有明显地影响。木框架剪力墙试验时，研究其在静力加载协议下的抗侧性能是非常必要的。但仅采用静载下的木结构剪力墙承载力作为设计值可能导致结构的不安全，而且采这种设计方法并不能代表木剪力墙在地震作用下的真实反应（强度、刚度、延性、耗能能力等），由此发展了循环往复加载协议（CUREE、SPD、ISO）等来更好地反映木框架剪力墙的抗震性能，但目前需要拟定一份合理的循环试验协议来准确模拟地震作用对木剪力墙的影响，目前推荐将ISO试验协议作为我国剪力墙试验加载协议。

　　〔注〕：1988年成立的地震工程研究大学联合会（CU REE）是一个非营利组织，旨在推进地震工程的研究、教学与实施。该项目由美国联邦紧急事务管理署（FEMA）资助，项目专款由加州紧急事务州长办公室管理。其中美国加州的CU REE 项目特别引人关注。

　　参考文献

　　〔1〕Dolan, J.D., and Madsen，B. Monotonic and Cyclic Tests of Timber Shear Walls. Can. J. Civ. Eng.,1992,19(3),115-422。

　　〔2〕《木结构设计规范》(GB50005-2003).北京：中国建筑工业出版社，2003。

　　〔3〕ASTM E-72，Standard Test Methods of Conducting Strength Test of Panels for Building Construction，1995，USA: ASTM international。

　　〔4〕ASTM E-564 Standard Practice for Static Load Test for Shear Resistance of Framed Walls for buildings，1995，USA: ASTM international。

　　〔5〕ISO-16670, Timber structure - Joints made with mechanical fasters - Quasi-static reversed cyclic test method. 2003: International Organization for Standard。

　　〔6〕Karacabeyli, E., and Ceccotti,A.,(1998).Nailed Wood-Frame Shear Walls for Seismic Loads: Test Results and Design Considerations. Structural Engineering World Wide, New York, Elsevier Science,1998: paper No.T207-6。

　　〔7〕Effects of Loading Protocol on the Cyclic Response of Wood frame Shear walls, Kip Gatto and Cha-Ming Uang, JOURNAL OF STRUCTURAL ENGINEERING, 2003 /10,1384-1393。