1. 引言

　　輕型木結(jié)構(gòu)中，房屋主要通過木框架剪力墻來承受風(fēng)和地震作用引起的側(cè)向荷載。木剪力墻試驗(yàn)在研究木框架抗震性能、分析足尺結(jié)構(gòu)性能等方面發(fā)揮著巨大作用，研究人員主要通過木剪力墻試驗(yàn)的結(jié)果來判斷目前設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)值的可靠性，研究墻體、基礎(chǔ)錨栓等構(gòu)造措施。試驗(yàn)協(xié)議對(duì)木剪力墻試驗(yàn)來講，又是至關(guān)重要的。結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)協(xié)議有三部分內(nèi)容：首先是確定試件模型包括材料、構(gòu)造和邊界條件，其次是要確定試件的位移或力的歷程；第三是要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究延性和其薄弱連接件的性能。這三部分內(nèi)容都是同等重要的，目前木剪力墻試驗(yàn)也主要是根據(jù)這三部分內(nèi)容展開研究。

　　研究者在試驗(yàn)過程中所采用的加載協(xié)議各不相同，主要包括靜力加載、低周循環(huán)往復(fù)加載、偽動(dòng)力加載與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等。本文主要介紹目前國際上常用的木剪力墻靜力加載協(xié)議和循環(huán)加載協(xié)議。��

　　2. 靜力加載協(xié)議

　　木剪力墻的側(cè)向力主要由面板承受，然后通過釘子傳遞給木框架。根據(jù)覆面板和釘子的類型以及釘子的數(shù)量，國際結(jié)構(gòu)規(guī)范（ICC 2000）規(guī)定了木結(jié)構(gòu)剪力墻容許的單位承載力。設(shè)計(jì)人員主要是通過表格查詢得到具體木剪力墻的抗側(cè)承載力作為設(shè)計(jì)值，它們主要是由APA(美國工程木協(xié)會(huì))利用ASTM E-72和ASTM E-564試驗(yàn)協(xié)議進(jìn)行單向加載試驗(yàn)推導(dǎo)得出的〔1〕。我國《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50005-2003〔2〕中附錄Q也給出了相應(yīng)木結(jié)構(gòu)剪力墻抗側(cè)力設(shè)計(jì)查詢表，這些值是參考加拿大與美國的相關(guān)木結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)得來的。��

　　2.1 ASTM E72標(biāo)準(zhǔn)。

　　ASTM E72(1995)標(biāo)準(zhǔn)是美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的建筑用面板傳導(dǎo)強(qiáng)度的試驗(yàn)方法〔3〕。該方法規(guī)定對(duì)試件以一定速度分別加載至3.0KN，7.0KN，10.5KN后完全卸載再重新加載至下一個(gè)荷載點(diǎn)，當(dāng)荷載達(dá)到10.5KN后完全卸載，重新加載直到試件破壞。

　　ASTM E72（1995）包括了確定部分墻體、地面、屋面結(jié)構(gòu)性能的一些步驟。它主要是量測(cè)出地震荷載作用下，普通面板如膠合板、定向結(jié)構(gòu)刨花板、石膏板等材料作為覆面板的木框架的承載力，即確定覆面板材料的相對(duì)性能。APA(美國工程木協(xié)會(huì))根據(jù)ASTM E72（1995）標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了覆面板-釘子連接件的試驗(yàn)研究。其試驗(yàn)裝置假定：墻體試驗(yàn)主要用來確定覆面板-釘子連接件的剪切能力。但實(shí)際試驗(yàn)時(shí)需要考慮試件的形式以及邊界條件的影響,并且試驗(yàn)協(xié)議發(fā)展的趨勢(shì)是對(duì)足尺構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)而不單是對(duì)覆面板進(jìn)行試驗(yàn)。

　　2.2 ASTM E564標(biāo)準(zhǔn)。ASTM E564(1995)標(biāo)準(zhǔn)是美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的剪力墻抗剪性能靜力加載試驗(yàn)方法〔4〕。該試驗(yàn)方法提供兩種加載順序：靜力加載和可選擇的循環(huán)加載。靜力加載規(guī)定先對(duì)試件以一定速度加載至10%期望極限荷載持續(xù)5分鐘后完全卸載，再分別以1/3期望極限荷載為一級(jí)重新加載至荷載點(diǎn)后完全卸載再重新加載至下一個(gè)荷載點(diǎn);可選擇地循環(huán)往復(fù)加載方法規(guī)定先對(duì)試件以一定速度加載至10%期望極限荷載后完全卸載，再分別以1/3期望極限荷載為一級(jí)重新加載至荷載點(diǎn)后完全卸載，然后以相同的加載方式反方向加載，如此形成循環(huán)往復(fù)加載方案，最后經(jīng)過5輪循環(huán)加載直至試件破壞。

　　ASTM E564（1995）標(biāo)準(zhǔn)要求墻體尺寸為2.4m×2.4m（8ft×8ft），若對(duì)不同尺寸和布置情況的墻體進(jìn)行加載時(shí)，加載程序需進(jìn)行修改，同時(shí)它要求試驗(yàn)施加約束要反映墻體與基礎(chǔ)間的實(shí)際連接情況；ASTM E72（1995）標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)墻體由于水平荷載的作用，在底梁板與墻骨柱分離處施加抗傾覆錨固件。因此，試驗(yàn)中采用ASTM E72（1995）標(biāo)準(zhǔn)所獲得的墻體極限抗側(cè)承載力和剛度比ASTM E564（1995）標(biāo)準(zhǔn)要高。

　　3. 循環(huán)往復(fù)加載協(xié)議

　　木剪力墻試驗(yàn)以及試驗(yàn)協(xié)議的重點(diǎn)仍然停留在木結(jié)構(gòu)覆面板剪力墻上，近年來才對(duì)膠合板剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

　　試驗(yàn)在選擇使用的力-位移歷程時(shí)，需要確定控制的類型（力或位移）、加載類型（單調(diào)或循環(huán)）、要求類型（近斷層，非近斷層）、加載速率（擬靜力，動(dòng)力）等。大多數(shù)剪力墻、連接件及其他構(gòu)件的試驗(yàn)都采用靜力加載模式，根據(jù)試件結(jié)構(gòu)來調(diào)整加載速率，得到持時(shí)5~10分鐘的破壞荷載。研究表明，由靜力加載試驗(yàn)得出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度能滿足抗風(fēng)設(shè)計(jì)的要求，但并不適用于抗震設(shè)計(jì)。此外，靜力加載試驗(yàn)不能很好地描述地震反應(yīng)，如加載歷程以及結(jié)構(gòu)耗能（結(jié)構(gòu)阻尼）等因素對(duì)木剪力墻的影響。普遍認(rèn)為循環(huán)往復(fù)加載協(xié)議更能很好的反映木框架剪力墻的抗震性能。

　　目前，有3個(gè)主要的木剪力墻試驗(yàn)協(xié)議來驗(yàn)證木結(jié)構(gòu)的抗震性能。它們是CUREE試驗(yàn)協(xié)議、SPD 試驗(yàn)協(xié)議和ISO試驗(yàn)協(xié)議，但是目前尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的加載協(xié)議。

　　3.1 CUREE試驗(yàn)協(xié)議。研究者們認(rèn)為試件協(xié)議應(yīng)符合現(xiàn)場條件，準(zhǔn)確模擬材料性能、施工技術(shù)和邊界條件。由此提出了兩個(gè)變形控制的擬靜力循環(huán)試驗(yàn)協(xié)議：CUREE-Caltech協(xié)議（CUREE）、CUREE-Caltech近斷層協(xié)議（CUREE-NF）〔注〕。CUREE-Caltech協(xié)議主要是針對(duì)木結(jié)構(gòu)房屋的滯回反應(yīng)而制定的，用來模擬遠(yuǎn)場地震地面運(yùn)動(dòng)對(duì)木結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響;CUREE-Caltech近斷層協(xié)議主要是模擬近斷層地震地面運(yùn)動(dòng)對(duì)木結(jié)構(gòu)的影響CUREE-Caltech協(xié)議的位移歷程是根據(jù)試件最大循環(huán)承載力處的估計(jì)變形（參考變形Δ）建立的。使用這個(gè)位移協(xié)議時(shí)，循環(huán)試驗(yàn)前需要預(yù)估出參考變形Δ，可以通過單調(diào)試驗(yàn)、分析預(yù)測(cè)、以及從類似試驗(yàn)的數(shù)據(jù)中確定出Δ。單調(diào)加載試驗(yàn)是木框架結(jié)構(gòu)研究人員確定參考變形Δ的主要方法。圖1說明了由單調(diào)試驗(yàn)結(jié)果確定的參考變形Δ。單調(diào)變形能力Δm是最大承載力下降到80%處的位移。參考變形Δ是單調(diào)變形能力Δm的函數(shù)。建議使用公式Δ=0.6×Δm初步估計(jì)出循環(huán)荷載峰值承載力處的變形。木框架結(jié)構(gòu)研究人員根據(jù)他們的循環(huán)加載試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)判斷得出了“0.6”這個(gè)值。為保證到達(dá)參考變形前能出現(xiàn)預(yù)計(jì)的循環(huán)次數(shù)，在某些情況下也可以對(duì)“0.6”進(jìn)行修改。

　　CUREE近斷層協(xié)議(CUREE-NF)與CUREE-Caltech協(xié)議都利用了記錄的近斷層地面運(yùn)動(dòng)。CUREE近斷層協(xié)議（CUREE-NF）是根據(jù)近斷層參考變形Δm定義的，試件要求與單調(diào)加載相類似。

　　當(dāng)不能定義出合適的參考變形時(shí)，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)可采用CUREE力控制試驗(yàn)協(xié)議，它是根據(jù)參考力 定義的， 是試件經(jīng)歷地震時(shí)的承載力，可以通過單調(diào)試驗(yàn)或者經(jīng)驗(yàn)得出。由于小循環(huán)對(duì)力控制構(gòu)件的最大承載力影響不大，故小于0.7 的循環(huán)次數(shù)非常少。

　　3.2 SPD試驗(yàn)協(xié)議。SPD加載協(xié)議最早是由美國砌體研究技術(shù)協(xié)調(diào)委員會(huì)（TCCMAR）提出，后經(jīng)南加州結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（SEAOSC 1995）改進(jìn)和采用，該加載協(xié)議必須依據(jù)靜力加載下試件達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)的位移，加載過程中振幅按該破壞位移的一定比例逐漸增加。

　　SPD試驗(yàn)協(xié)議與CUREE試驗(yàn)協(xié)議有很多相似之處。剪力墻試驗(yàn)采用的都是位移控制而不是力控制；都使用反復(fù)循環(huán)加載而不是單調(diào)加載來確定木剪力墻的抗震性能。

　　SPD與CUREE還有三個(gè)主要區(qū)別。首先SPD試驗(yàn)協(xié)議以試件初始破壞的特征為基礎(chǔ)，其性能與理想的彈塑性材料模型有關(guān)，而CUREE試驗(yàn)協(xié)議用加載歷程來評(píng)價(jià)一系列地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的需求。

　　第二點(diǎn)差別在于CUREE試驗(yàn)協(xié)議采用循環(huán)加載時(shí)最大承載力處的估計(jì)值來建立加載歷程，而SPD試驗(yàn)協(xié)議更關(guān)注于首先出現(xiàn)破壞的情況，這與SPD試驗(yàn)協(xié)議中屈服的定義相近。當(dāng)首個(gè)指定位移路徑下的承載力明顯高于隨后位移路徑的承載力時(shí)判斷這一點(diǎn)為屈服。屈服極限狀態(tài)（YLS）是指，最后循環(huán)路徑與首個(gè)循環(huán)路徑相比，承載力下降5%或更多則認(rèn)為是屈服。

　　第三點(diǎn)區(qū)別與約束有關(guān)。CUREE試驗(yàn)協(xié)議要求約束條件更能代表實(shí)際結(jié)構(gòu)的約束情況。SPD試驗(yàn)協(xié)議特別要求使用剛性約束來消除由于剪力墻變形引起的墻骨柱上拔。由于覆面板和連接件的共同作用，這種邊界條件的方法更側(cè)重于抗剪性能，因此它的約束條件與美國ASTM E72〔ASTM，1995〕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)大致相同。

　　使用SPD試驗(yàn)協(xié)議時(shí)，需要通過預(yù)先的循環(huán)試驗(yàn)來確定一片或一組墻的首個(gè)主要的試驗(yàn)現(xiàn)象。SPD協(xié)議在試驗(yàn)多次循環(huán)以后，比預(yù)期地震能吸收更多的能量。這時(shí)的最大承載力是真實(shí)的，但應(yīng)注意出現(xiàn)首個(gè)主要試驗(yàn)現(xiàn)象的循環(huán)次數(shù)在10-12次左右。除了循環(huán)次數(shù)外，位移大小以及相同位移水平下的循環(huán)次數(shù)對(duì)試驗(yàn)協(xié)議來說也十分重要。SPD試驗(yàn)協(xié)議的研究者們近來建議減小試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)。

　　SPD試驗(yàn)協(xié)議建議從試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出設(shè)計(jì)值。對(duì)于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)步驟來說，名義承載力是根據(jù)3-5個(gè)試驗(yàn)得出的平均屈服荷載定義的。對(duì)于容許應(yīng)變來說，名義承載力應(yīng)乘以1.4的系數(shù)。由于試驗(yàn)中觀察的典型破壞機(jī)制與地震或颶風(fēng)作用下觀察到的破壞有著顯著的不同，SPD試驗(yàn)協(xié)議沒有得到普遍認(rèn)可。

　　3.3 ISO試驗(yàn)協(xié)議。ISO加載協(xié)議和SPD加載協(xié)議相似，加載過程中位移按極限荷載下的位移以一定比例逐漸增加。

　　ISO試驗(yàn)協(xié)議的標(biāo)題為“木結(jié)構(gòu)——機(jī)械連接點(diǎn)——擬靜力反復(fù)循環(huán)試驗(yàn)方法”〔5〕。盡管這個(gè)方法是專門為節(jié)點(diǎn)提出來的。反復(fù)荷載取用相同試件單向荷載試驗(yàn)所確定的極限位移（荷載下降至極限荷載的80%或者試件出現(xiàn)嚴(yán)重破壞時(shí)的位移）作為控制位移，位移速率為5 mm/秒，加載循環(huán)為：峰值位移為控制位移的1.25%，2.5%，5%，10%三角形波依次進(jìn)行一次循環(huán)，峰值位移為控制位移的20%、40%、60%、80%、100%和120%三角形波依次進(jìn)行三個(gè)循環(huán)后終止試驗(yàn)。

　　ISO試驗(yàn)協(xié)議與CUREE試驗(yàn)協(xié)議的相似點(diǎn)在于，它主要研究最大承載力處的性能，要求在正式試驗(yàn)前估計(jì)出最大承載力處的位移，并要求在20次循環(huán)內(nèi)到達(dá)估計(jì)的最大位移（Vu）。而不同點(diǎn)在于，ISO試驗(yàn)協(xié)議在相同位移下要循環(huán)多次，它的能量吸收與一系列地震地面運(yùn)動(dòng)的能量吸收有關(guān)。

　　近年來有關(guān)木剪力墻的抗側(cè)試驗(yàn)中多采用了循環(huán)往復(fù)加載試驗(yàn)協(xié)議來模擬地震作用，研究者們研究了不同加載協(xié)議（CUREE、SPD、ISO等）對(duì)木剪力墻受力性能影響〔6-7〕，發(fā)現(xiàn)加載序列對(duì)剪力墻的性能影響較大, 但對(duì)墻體初始剛度影響不明顯，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)剪力墻的破壞模式與加載協(xié)議有關(guān)，循環(huán)次數(shù)多的SPD加載協(xié)議使得釘子發(fā)生剪切疲勞破壞，使得剪力墻的極限承載力與變形能力降低；它所需能量比CUREE、ISO加載協(xié)議明顯要大，但這個(gè)協(xié)議下木剪力墻的破壞現(xiàn)象在實(shí)際的地震作用中并不常見。CUREE方案和靜力加載方案下墻體性能最為接近。不同加載協(xié)議下的最大荷載基本差不多（10%以內(nèi)），SPD最大荷載時(shí)的位移小于其它加載協(xié)議。但目前尚無一個(gè)統(tǒng)一的加載協(xié)議來完全反映地震作用下木剪力墻的抗側(cè)性能，目前推薦將ISO試驗(yàn)協(xié)議作為我國剪力墻試驗(yàn)加載協(xié)議。

　　4. 結(jié)論

　　加載協(xié)議對(duì)木結(jié)構(gòu)剪力墻抗側(cè)性能有明顯地影響。木框架剪力墻試驗(yàn)時(shí)，研究其在靜力加載協(xié)議下的抗側(cè)性能是非常必要的。但僅采用靜載下的木結(jié)構(gòu)剪力墻承載力作為設(shè)計(jì)值可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不安全，而且采這種設(shè)計(jì)方法并不能代表木剪力墻在地震作用下的真實(shí)反應(yīng)（強(qiáng)度、剛度、延性、耗能能力等），由此發(fā)展了循環(huán)往復(fù)加載協(xié)議（CUREE、SPD、ISO）等來更好地反映木框架剪力墻的抗震性能，但目前需要擬定一份合理的循環(huán)試驗(yàn)協(xié)議來準(zhǔn)確模擬地震作用對(duì)木剪力墻的影響，目前推薦將ISO試驗(yàn)協(xié)議作為我國剪力墻試驗(yàn)加載協(xié)議。

　　〔注〕：1988年成立的地震工程研究大學(xué)聯(lián)合會(huì)（CU REE）是一個(gè)非營利組織，旨在推進(jìn)地震工程的研究、教學(xué)與實(shí)施。該項(xiàng)目由美國聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署（FEMA）資助，項(xiàng)目專款由加州緊急事務(wù)州長辦公室管理。其中美國加州的CU REE 項(xiàng)目特別引人關(guān)注。

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