輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻研究綜述

李鐵強(qiáng) 左宏亮

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

木材自古以來(lái)就是人類(lèi)首選的建筑材料，其節(jié)能環(huán)保、材料可再生、外表美觀、抗震性好的優(yōu)良特性使之直到今日依舊被廣泛運(yùn)用在民用住宅的建造之中，其在北美及日本等國(guó)家和地區(qū)的運(yùn)用則更為普遍。隨著科技的進(jìn)步，木材早已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，人們開(kāi)始以原木為原材料大規(guī)模生產(chǎn)規(guī)格材等木材產(chǎn)品，并將這些木材產(chǎn)品運(yùn)用于房屋的建造之中，于是輕型木結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)運(yùn)而生。

輕型木結(jié)構(gòu)是指由間距較密的規(guī)格材和覆面材料用釘子連接組成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一種木結(jié)構(gòu)房屋體系。規(guī)格材等木材產(chǎn)品的運(yùn)用使輕型木結(jié)構(gòu)獲得了以下的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1)設(shè)計(jì)較靈活，可以滿足人們對(duì)房屋的不同需求。2)預(yù)制程度高，易于施工，建造速度快。3)施工現(xiàn)場(chǎng)干凈整潔?？偠灾?，規(guī)格材的運(yùn)用使建造房屋變成了“搭積木”，極大地降低了設(shè)計(jì)與施工的難度，這是混凝土、鋼材和砌體等建筑材料無(wú)法比擬的。作為輕型木結(jié)構(gòu)房屋三大重要組成部分之一的木剪力墻，是輕型木結(jié)構(gòu)體系之中最重要的抗側(cè)力構(gòu)件，對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)荷載、地震荷載等水平作用起著至關(guān)重要的作用。因此，相關(guān)科研人員對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻做了大量的研究工作，本文將對(duì)相關(guān)的較典型的研究進(jìn)行梳理與總結(jié)。

1 對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻抗側(cè)性能的研究

剪力墻是輕型木結(jié)構(gòu)房屋中的關(guān)鍵抗側(cè)力構(gòu)件，因此輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻抗側(cè)力性能自然成為人們的首要研究對(duì)象。已有的研究主要集中在墻體材料、釘連接、墻體尺寸等因素對(duì)墻體抗側(cè)性能的影響。

1.1 墻體材料的影響

墻體材料主要包括墻骨柱的材料和覆面板的材料。

文獻(xiàn)[1]采用小徑木作為輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的墻骨柱材料，并進(jìn)行了往復(fù)加載，證明了小徑木墻骨剪力墻的抗震性能能滿足工程使用要求。

文獻(xiàn)[2]則大膽嘗試使用毛竹作為墻骨柱材料，并對(duì)圓竹墻體進(jìn)行了抗側(cè)力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，圓竹墻體的抗側(cè)力約為同類(lèi)型輕型木結(jié)構(gòu)墻體的65%。

文獻(xiàn)[3]則用膠合木來(lái)制作墻骨柱，分別制作了膠合木純框架、木剪力墻、膠合木框架—剪力墻三種墻體，分析了這三者之間剛度和極限承載力的相對(duì)的關(guān)系，結(jié)果證明膠合木框架—剪力墻的彈性抗側(cè)剛度可視作膠合木框架以及木剪力墻的彈性抗側(cè)剛度之和，但其極限承載力要大于膠合木框架與木剪力墻二者之和。

可以說(shuō)，對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻墻骨柱材料對(duì)墻體抗側(cè)性能影響的研究有很多，對(duì)其進(jìn)行綜合分析后，基本可以得出墻骨柱并非影響墻體抗側(cè)性能的關(guān)鍵因素的結(jié)論。

文獻(xiàn)[4]制作墻體時(shí)所用的覆面板并非常規(guī)的OSB板等規(guī)格板產(chǎn)品，而是采用了竹膠合板。在對(duì)墻體進(jìn)行單調(diào)加載和滯回加載后，結(jié)果表明這種墻體具有良好的承載力及延性，其力學(xué)性能可以滿足目前國(guó)內(nèi)外規(guī)范針對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)墻體提出的抗側(cè)力設(shè)計(jì)要求。

1.2 釘連接的影響

釘連接是輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的首選連接形式，也是墻體發(fā)生破壞的主要部位，其強(qiáng)度影響著墻體的強(qiáng)度，對(duì)其進(jìn)行研究是非常有必要的。

例如，文獻(xiàn)[5]對(duì)由普通圓釘連接而成的墻板釘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，總結(jié)出了釘連接的六種破壞形式，其所得釘節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度與通過(guò)歐洲規(guī)范公式計(jì)算所得結(jié)果吻合。

文獻(xiàn)[6]采用括63 mm熱鍍麻花釘子、SPF規(guī)格材、國(guó)產(chǎn)杉木規(guī)格材、進(jìn)口OSB面板、國(guó)產(chǎn)膠合板面板制作了兩類(lèi)四組共80個(gè)試件，進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，其結(jié)果證明，面板作用對(duì)釘接點(diǎn)的極限荷載影響最大，而完全采用國(guó)產(chǎn)材料制作的面板釘接點(diǎn)具有較高的極限承載力。該實(shí)驗(yàn)為國(guó)產(chǎn)材料應(yīng)用于輕型木結(jié)構(gòu)提供了面板與木框架釘節(jié)點(diǎn)連接性能的基礎(chǔ)資料。

1.3 墻體尺寸的影響

輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的覆面板平面尺寸大都為1.22 m×2.44 m，所以墻體尺寸受覆面板的制約也通常取為1.22 m×2.44 m，尺寸較固定。所以，人們開(kāi)始嘗試研究尺寸對(duì)于墻體性能的影響，來(lái)突破當(dāng)前墻體尺寸的局限性。

文獻(xiàn)[7]制作了兩類(lèi)非常規(guī)尺寸的木墻，尺寸分別為4.88 m×4.88 m和6.10 m×6.10 m，并對(duì)墻體中的橫撐的影響進(jìn)行了研究。

2 對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻建筑使用功能的研究

輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻雖是抗側(cè)力構(gòu)件，但其也是房屋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，自然在滿足力學(xué)要求的同時(shí)，還要滿足建筑功能上的要求。因此，有很多研究圍繞著輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的保溫、隔音性能展開(kāi)。

2.1 墻體保溫性能

文獻(xiàn)[8]采用防護(hù)和標(biāo)定熱箱法研究了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體的穩(wěn)態(tài)熱物理性能及墻骨柱類(lèi)型、墻骨柱間距、保溫材料種類(lèi)等因素的影響，獲得了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅墻體的溫度場(chǎng)，對(duì)木結(jié)構(gòu)住宅建筑的節(jié)能性能進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)，獲得了其耗能值。

文獻(xiàn)[9]以國(guó)產(chǎn)杉木規(guī)格材、落葉松結(jié)構(gòu)膠合板、石膏板和保溫材料制作了12種輕型木結(jié)構(gòu)墻體，通過(guò)試驗(yàn)得到了墻體中各層的溫度，分析了墻體溫度分布規(guī)律及各組成材料對(duì)墻體傳熱的影響。結(jié)果表明：輕型木結(jié)構(gòu)墻體具有木墻骨之間填充和外墻板外覆面的雙重保溫構(gòu)造，對(duì)其良好的保溫性能予以了有效的證明。

2.2 墻體隔音性能

文獻(xiàn)[10]以輕型木結(jié)構(gòu)建筑的墻體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，運(yùn)用傳遞函數(shù)法測(cè)量同一墻體結(jié)構(gòu)中3種不同保溫棉材料的吸聲系數(shù)，并分析不同的保溫棉填充材料與其構(gòu)成的墻體結(jié)構(gòu)在不同頻率段的吸聲效果及其性?xún)r(jià)比。主要結(jié)論表明，美國(guó)佳殿牛皮紙R13玻璃棉材料的總體吸聲性能最佳，性?xún)r(jià)比最高。提出了不同保溫棉材料適合運(yùn)用的頻率段范圍。該研究對(duì)優(yōu)化我國(guó)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的聲學(xué)設(shè)計(jì)，促進(jìn)工程應(yīng)用有一定的借鑒意義。

文獻(xiàn)[11]采用兩種玻璃保溫棉作為填充材料，放置在輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻中，采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量法，結(jié)合其頻譜進(jìn)行頻率成分及其聲音源分析，進(jìn)行了墻體隔聲性能分析與比較，結(jié)果證實(shí)了這種填充材料具有良好的隔聲性能，為墻體隔聲處理提供了一種較有效的辦法。

3 對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的改進(jìn)

輕型木結(jié)構(gòu)雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是隨著人們對(duì)其的了解日益深入，它的缺點(diǎn)也日益顯現(xiàn)。其中，輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻在颶風(fēng)、地震等災(zāi)害中的破壞也引起了人們的重視。目前其主要存在的問(wèn)題包括墻身整體性差、釘節(jié)點(diǎn)等。所以，對(duì)墻體進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)的相關(guān)研究也正逐漸展開(kāi)。

文獻(xiàn)[12]為了增加輕型木結(jié)構(gòu)墻體的整體性，提出了一種新型木骨架墻體，并已經(jīng)證明這種墻體具有較高的抗剪承載力、耗能性能良好、施工更加簡(jiǎn)單。

文獻(xiàn)[13]則在常規(guī)輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的基礎(chǔ)上配置了角部錨固件和鋼筋，并在鋼筋中施加預(yù)加力，證明了這種新型墻體的抗側(cè)力性能相比于常規(guī)輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻有了明顯提高。

可見(jiàn)，對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的改進(jìn)大都以提高其整體性為主，通常的方式包括增加錨固件和提出墻體新形式等。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)正處在飛速發(fā)展的時(shí)期，而在發(fā)展的同時(shí)，環(huán)境、能源問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)。建筑業(yè)作為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，其能源消耗量已經(jīng)占到全國(guó)總能源消耗量的1/3[14]，其所帶來(lái)的污染量可想而知。因此走可持續(xù)發(fā)展道路必然成為今后建筑業(yè)發(fā)展的首要方向，在這樣的大環(huán)境下，木結(jié)構(gòu)以其優(yōu)良的特性，必然會(huì)大放異彩。

輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻是輕型木結(jié)構(gòu)中主要的抗側(cè)力構(gòu)件，國(guó)內(nèi)對(duì)于輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的研究目前比較全面，但是深度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，其設(shè)計(jì)施工相關(guān)規(guī)范也有很大的可完善空間。但是可以確定的是，經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力，關(guān)于輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的更多實(shí)用的理論會(huì)被得出，從而有效地推動(dòng)木結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

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