帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻抗震性能研究：原理、影響與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義隨著全球?qū)沙掷m(xù)建筑材料需求的增長，正交膠合木（Cross-LaminatedTimber，CLT）作為一種新型的工程木產(chǎn)品，在建筑領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。正交膠合木通常由至少3層實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合板材正交組坯，使用結(jié)構(gòu)膠黏劑膠合成，具有抗側(cè)剛度大、承載能力好、尺寸穩(wěn)定、雙向力學(xué)性能優(yōu)異、綠色環(huán)保、工業(yè)化程度高等特點(diǎn)。在多高層木結(jié)構(gòu)建筑中，CLT常被用于樓板、剪力墻等關(guān)鍵構(gòu)件，其中正交膠合木剪力墻作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗震性能起著決定性作用。在地震頻發(fā)的地區(qū)，建筑的抗震性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的正交膠合木剪力墻在地震作用下，往往存在一些問題。例如，節(jié)點(diǎn)區(qū)容易過早破壞，導(dǎo)致抗側(cè)承載力喪失，形成“弱節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)構(gòu)件”的破壞模式；墻體抗側(cè)剛度相對(duì)較小，難以有效抵抗較大的地震力；震后殘余變形較大，影響建筑的后續(xù)使用，修復(fù)成本高昂。這些問題限制了正交膠合木剪力墻在高烈度地震區(qū)的廣泛應(yīng)用。耗能錨固件作為一種能夠有效提高結(jié)構(gòu)抗震性能的裝置，逐漸受到研究者的關(guān)注。耗能錨固件通過自身的變形和耗能機(jī)制，在地震作用下能夠吸收和耗散大量的地震能量，從而減小主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。其工作原理主要基于材料的屈服、摩擦、黏滯阻尼等耗能方式。例如，一些耗能錨固件采用軟鋼等材料，利用軟鋼的屈服變形來耗散能量；還有一些通過摩擦界面的相對(duì)滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)耗能。在結(jié)構(gòu)中合理設(shè)置耗能錨固件，可以改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性。研究帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻的抗震性能具有重要的理論意義和實(shí)際工程價(jià)值。從理論層面來看，目前對(duì)于耗能錨固件與正交膠合木剪力墻協(xié)同工作的力學(xué)機(jī)理研究還不夠深入，通過本研究可以進(jìn)一步揭示其工作原理，完善相關(guān)理論體系。例如，研究耗能錨固件的布置方式、數(shù)量、力學(xué)性能等因素對(duì)正交膠合木剪力墻抗震性能的影響規(guī)律，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際工程應(yīng)用方面，提高正交膠合木剪力墻的抗震性能，能夠擴(kuò)大其在地震區(qū)的應(yīng)用范圍，促進(jìn)綠色建筑的發(fā)展。以某地震頻發(fā)地區(qū)的建筑項(xiàng)目為例，采用帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻后，建筑在地震中的安全性得到了顯著提高，同時(shí)由于正交膠合木的綠色環(huán)保特性，也符合當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展的要求。這不僅可以減少地震災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)的威脅，還能推動(dòng)建筑行業(yè)向更加環(huán)保、可持續(xù)的方向發(fā)展，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1正交膠合木剪力墻研究進(jìn)展正交膠合木剪力墻作為多高層木結(jié)構(gòu)建筑的關(guān)鍵抗側(cè)力構(gòu)件，其研究涵蓋了多個(gè)方面。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論上，國內(nèi)外學(xué)者通過大量的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬，深入探究了正交膠合木剪力墻的受力性能與破壞模式。例如，有研究對(duì)不同墻體尺寸、層數(shù)、連接方式的正交膠合木剪力墻進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明，墻體的抗側(cè)力性能與墻體的高寬比密切相關(guān)，高寬比越小，抗側(cè)力性能越好。在材料特性方面，對(duì)正交膠合木的力學(xué)性能研究不斷深入。正交膠合木由實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合板材正交組坯膠合而成，其各向異性的力學(xué)特性成為研究重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，正交膠合木在順紋方向的抗壓、抗拉強(qiáng)度明顯高于橫紋方向，且膠合層的質(zhì)量對(duì)整體力學(xué)性能也有顯著影響。在連接節(jié)點(diǎn)研究領(lǐng)域，連接節(jié)點(diǎn)作為正交膠合木剪力墻的薄弱環(huán)節(jié)，備受關(guān)注。傳統(tǒng)的連接方式如釘連接、螺栓連接等，在地震作用下容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)破壞、連接失效等問題。有學(xué)者研發(fā)了新型的連接節(jié)點(diǎn)，如采用榫卯連接與金屬連接件相結(jié)合的方式，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該新型節(jié)點(diǎn)能夠有效提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和延性，改善剪力墻的抗震性能。在實(shí)際工程應(yīng)用方面，正交膠合木剪力墻在歐美等國家已廣泛應(yīng)用于住宅、商業(yè)建筑等領(lǐng)域。在我國，隨著綠色建筑理念的推廣，正交膠合木剪力墻也逐漸應(yīng)用于一些試點(diǎn)項(xiàng)目中，如某綠色示范建筑采用正交膠合木剪力墻，不僅實(shí)現(xiàn)了建筑的綠色環(huán)保目標(biāo)，還通過合理的設(shè)計(jì)與施工，確保了建筑的結(jié)構(gòu)安全和抗震性能。1.2.2耗能錨固件相關(guān)研究耗能錨固件的研究主要集中在其類型、工作原理及在各類結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。耗能錨固件的類型豐富多樣，根據(jù)耗能方式的不同，可分為金屬屈服型、摩擦型、黏滯阻尼型等。金屬屈服型耗能錨固件通常采用軟鋼等材料，利用材料的屈服變形來耗散能量。例如，一種軟鋼耗能錨固件，在低周反復(fù)荷載作用下，軟鋼發(fā)生屈服，通過塑性變形吸收大量能量，有效降低了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。摩擦型耗能錨固件則是通過摩擦界面的相對(duì)滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)耗能，其工作原理基于摩擦力做功。有研究設(shè)計(jì)了一種摩擦型耗能錨固件，通過調(diào)整摩擦界面的材料和壓力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)耗能能力的有效控制。黏滯阻尼型耗能錨固件利用黏滯流體的阻尼特性，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻尼力，耗散能量。在工作原理方面，耗能錨固件的耗能機(jī)制主要基于材料的非線性力學(xué)行為。金屬屈服型耗能錨固件利用材料的屈服強(qiáng)度和塑性變形能力，在地震作用下，材料進(jìn)入塑性階段，通過塑性功來耗散能量；摩擦型耗能錨固件依靠摩擦界面的摩擦力，在相對(duì)滑動(dòng)過程中，摩擦力做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而實(shí)現(xiàn)耗能；黏滯阻尼型耗能錨固件則是利用黏滯流體的黏滯阻力，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，黏滯流體產(chǎn)生剪切變形，消耗能量。在應(yīng)用研究方面，耗能錨固件在混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)中已有較多應(yīng)用實(shí)例。在混凝土框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能錨固件，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，耗能錨固件能夠有效降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能；在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中應(yīng)用耗能錨固件，可顯著減小橋梁在地震作用下的位移和內(nèi)力，提高橋梁的抗震安全性。然而，耗能錨固件在正交膠合木剪力墻中的應(yīng)用研究相對(duì)較少，目前還處于探索階段，其與正交膠合木剪力墻的協(xié)同工作性能、合理布置方式等方面仍有待進(jìn)一步深入研究。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在全面深入地探究帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻的抗震性能，具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：耗能錨固件力學(xué)性能研究：針對(duì)不同類型的耗能錨固件，如金屬屈服型、摩擦型和黏滯阻尼型等，開展力學(xué)性能測試。通過單向拉伸試驗(yàn)，獲取耗能錨固件的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、彈性模量等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)，深入分析其在單調(diào)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。同時(shí)，進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，研究耗能錨固件在循環(huán)荷載作用下的滯回性能，包括滯回曲線的形狀、耗能能力、剛度退化等特征。例如，對(duì)于金屬屈服型耗能錨固件，分析其在反復(fù)屈服過程中的能量耗散機(jī)制和累積損傷規(guī)律；對(duì)于摩擦型耗能錨固件，研究摩擦界面的摩擦系數(shù)變化對(duì)耗能性能的影響；對(duì)于黏滯阻尼型耗能錨固件，探討阻尼系數(shù)與耗能能力之間的關(guān)系。通過這些研究，明確不同類型耗能錨固件的力學(xué)性能特點(diǎn)，為后續(xù)在正交膠合木剪力墻中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。帶耗能錨固件正交膠合木剪力墻試驗(yàn)研究：設(shè)計(jì)并制作一系列不同參數(shù)的帶耗能錨固件正交膠合木剪力墻試件，包括耗能錨固件的布置方式（如均勻布置、集中布置等）、數(shù)量（不同間距設(shè)置）以及正交膠合木剪力墻的尺寸（高寬比變化）、層數(shù)等。對(duì)這些試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)施加低周反復(fù)水平荷載，記錄試件在加載過程中的荷載-位移曲線、應(yīng)變分布、裂縫開展等數(shù)據(jù)。觀察試件的破壞模式，分析耗能錨固件在不同工況下對(duì)剪力墻抗震性能的影響，如對(duì)承載能力、剛度、延性、耗能能力等方面的提升效果。例如，對(duì)比不同耗能錨固件布置方式下剪力墻的破壞形態(tài)，研究如何通過合理布置耗能錨固件來避免墻體過早出現(xiàn)脆性破壞，提高結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力。有限元模型建立與驗(yàn)證：利用通用有限元軟件，如ABAQUS、ANSYS等，建立帶耗能錨固件正交膠合木剪力墻的精細(xì)化有限元模型。在模型中，合理模擬正交膠合木的各向異性材料特性、耗能錨固件的非線性力學(xué)行為以及兩者之間的連接關(guān)系。通過與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，調(diào)整模型參數(shù)，確保有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬帶耗能錨固件正交膠合木剪力墻的力學(xué)性能和破壞過程。利用驗(yàn)證后的有限元模型，開展參數(shù)分析，進(jìn)一步研究耗能錨固件的力學(xué)性能參數(shù)（如屈服強(qiáng)度、阻尼系數(shù)等）、布置位置和數(shù)量等因素對(duì)剪力墻抗震性能的影響規(guī)律，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更全面的數(shù)據(jù)支持?？拐鹦阅茉u(píng)估方法與設(shè)計(jì)理論研究：基于試驗(yàn)研究和有限元分析結(jié)果，建立帶耗能錨固件正交膠合木剪力墻的抗震性能評(píng)估指標(biāo)體系，包括承載能力、剛度、延性、耗能能力、自復(fù)位能力等多個(gè)方面。提出適用于該結(jié)構(gòu)體系的抗震性能評(píng)估方法，如基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，明確不同性能水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)要求。研究帶耗能錨固件正交膠合木剪力墻的設(shè)計(jì)理論，包括耗能錨固件與正交膠合木剪力墻的協(xié)同工作機(jī)理、內(nèi)力分配規(guī)律等，建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算公式和設(shè)計(jì)流程，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。例如，推導(dǎo)考慮耗能錨固件耗能作用的正交膠合木剪力墻內(nèi)力計(jì)算方法，制定基于抗震性能的耗能錨固件選型和布置設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等多種研究方法：試驗(yàn)研究方法：試驗(yàn)研究是本項(xiàng)目的重要研究手段之一。通過設(shè)計(jì)并制作帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻試件，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，嚴(yán)格按照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行操作，采用高精度的測量儀器，如位移計(jì)、應(yīng)變片等，對(duì)試件的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行精確測量。通過試驗(yàn)，能夠直接獲取帶耗能錨固件正交膠合木剪力墻的力學(xué)性能參數(shù)和破壞模式，為后續(xù)的數(shù)值模擬和理論分析提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，試驗(yàn)研究還可以驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)新的問題和現(xiàn)象，為進(jìn)一步深入研究提供方向。數(shù)值模擬方法：利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬是本研究的另一個(gè)重要方法。通過建立帶耗能錨固件正交膠合木剪力墻的有限元模型，可以對(duì)結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的力學(xué)性能進(jìn)行全面分析。在數(shù)值模擬過程中，可以方便地改變各種參數(shù)，如耗能錨固件的類型、布置方式、力學(xué)性能參數(shù)等，快速獲取不同參數(shù)組合下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)結(jié)果，從而深入研究各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律。數(shù)值模擬方法具有成本低、效率高、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的不足，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的工具。理論分析方法：理論分析是研究帶耗能錨固件正交膠合木剪力墻抗震性能的基礎(chǔ)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的分析，運(yùn)用力學(xué)原理和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，深入研究耗能錨固件與正交膠合木剪力墻的協(xié)同工作機(jī)理、內(nèi)力分配規(guī)律以及抗震性能評(píng)估方法等。建立相應(yīng)的理論模型和計(jì)算公式，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析提供理論依據(jù)。理論分析方法能夠從本質(zhì)上揭示結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，為試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)，三者相互結(jié)合，形成一個(gè)完整的研究體系，共同推動(dòng)對(duì)帶耗能錨固件正交膠合木剪力墻抗震性能的研究。二、帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻概述2.1正交膠合木簡介正交膠合木（Cross-LaminatedTimber，CLT）作為一種新型的工程木產(chǎn)品，近年來在建筑領(lǐng)域中嶄露頭角。它通常是由至少3層實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合板材，按照相鄰層木材纖維方向相互垂直的方式正交組坯，再使用結(jié)構(gòu)膠黏劑膠合成型。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得正交膠合木具備諸多優(yōu)異特性，在建筑行業(yè)中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。正交膠合木的特點(diǎn)十分顯著。在力學(xué)性能方面，由于其各層纖維方向正交，使得它在兩個(gè)相互垂直的方向上都具有良好的力學(xué)性能，能夠有效抵抗不同方向的荷載作用。研究表明，正交膠合木順紋方向的抗壓強(qiáng)度可達(dá)30-50MPa，橫紋方向的抗壓強(qiáng)度也能達(dá)到10-20MPa，這種雙向受力性能是許多傳統(tǒng)木材所不具備的。在尺寸穩(wěn)定性上，正交膠合木也表現(xiàn)出色。由于相鄰層木材纖維方向的相互約束，有效減少了木材因含水率變化而產(chǎn)生的干縮濕脹變形，其尺寸穩(wěn)定性相較于普通實(shí)木大幅提高。例如，在環(huán)境濕度變化較大的情況下，普通實(shí)木板材的尺寸變化率可能達(dá)到5%-10%，而正交膠合木的尺寸變化率可控制在1%-3%。正交膠合木的制作工藝較為復(fù)雜，涉及多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先是原材料的選擇，通常選用質(zhì)地均勻、強(qiáng)度較高的木材，如松木、云杉、花旗松等。這些木材在加工前需要進(jìn)行嚴(yán)格的干燥處理，將含水率控制在12%-18%的范圍內(nèi)，以保證后續(xù)膠合質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定性。接著是鋸材分等，根據(jù)木材的材質(zhì)、缺陷等情況，將其分為不同等級(jí)，確保同一批次用于制作正交膠合木的木材質(zhì)量均勻。鋸材表面加工也是重要步驟，需對(duì)木材表面進(jìn)行刨光、砂光等處理，以獲得平整光滑的膠合面，提高膠合強(qiáng)度。在施膠環(huán)節(jié)，采用專用的結(jié)構(gòu)膠黏劑，通過機(jī)械淋膠等方式，將膠均勻地涂抹在木材表面。組坯時(shí)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，將不同層的木材正交疊放，確保各層纖維方向垂直。壓制過程一般采用高壓壓制，使木材緊密膠合在一起，形成堅(jiān)固的整體。壓制完成后，還需對(duì)正交膠合木進(jìn)行后期加工，如切割成所需尺寸、進(jìn)行表面處理等，最后進(jìn)行包裝運(yùn)輸。2.2正交膠合木剪力墻結(jié)構(gòu)形式與工作原理正交膠合木剪力墻的結(jié)構(gòu)形式豐富多樣，常見的有板式結(jié)構(gòu)和箱形結(jié)構(gòu)。板式結(jié)構(gòu)的正交膠合木剪力墻是較為基礎(chǔ)的形式，由正交膠合木板材直接構(gòu)成墻體，在建筑中獨(dú)立承擔(dān)水平荷載與豎向荷載。在一些小型木結(jié)構(gòu)住宅中，常采用這種板式結(jié)構(gòu)的正交膠合木剪力墻，其施工簡便，能快速搭建起建筑的承重體系。箱形結(jié)構(gòu)則是通過將正交膠合木剪力墻與樓面板、屋面板等相互連接，形成一個(gè)封閉的箱形空間結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式在大型公共建筑或多層木結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用廣泛，箱形結(jié)構(gòu)具有良好的空間穩(wěn)定性和抗扭性能，能夠有效抵抗來自各個(gè)方向的荷載作用，提高建筑結(jié)構(gòu)的整體安全性。正交膠合木剪力墻在建筑結(jié)構(gòu)中的工作原理基于其自身的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在承受豎向荷載時(shí)，正交膠合木剪力墻主要依靠自身的抗壓強(qiáng)度來支撐上部結(jié)構(gòu)傳來的重力。由于正交膠合木的多層正交結(jié)構(gòu)，使得它在順紋和橫紋方向都具有一定的抗壓能力，能夠均勻地將豎向荷載傳遞到基礎(chǔ)上。在水平荷載作用下，如地震力或風(fēng)力，正交膠合木剪力墻則通過自身的抗側(cè)剛度來抵抗水平位移。其抗側(cè)力機(jī)制主要包括墻體的彎曲變形和剪切變形。當(dāng)墻體受到水平力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生彎曲，通過墻體材料的抗拉和抗壓性能來抵抗彎矩；同時(shí)，墻體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生剪力，依靠材料的抗剪強(qiáng)度來抵抗剪切變形。例如，在地震發(fā)生時(shí)，正交膠合木剪力墻能夠通過自身的變形來消耗地震能量，減小建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，從而保護(hù)建筑的主體結(jié)構(gòu)安全。此外，正交膠合木剪力墻與其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如梁、柱等）通過連接節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系，共同承擔(dān)荷載，確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。2.3耗能錨固件的類型與工作機(jī)制2.3.1耗能錨固件類型耗能錨固件的類型豐富多樣，根據(jù)其耗能原理和構(gòu)造形式的不同，主要可分為金屬耗能型、摩擦耗能型和黏滯阻尼型等。金屬耗能型錨固件通常采用軟鋼、低屈服點(diǎn)鋼等延性較好的金屬材料制作。這些金屬材料在地震作用下能夠發(fā)生屈服變形，通過材料的塑性耗能來耗散地震能量。例如，一種常見的金屬耗能型錨固件采用軟鋼制作成U形或V形，在低周反復(fù)荷載作用下，軟鋼的U形或V形部位會(huì)發(fā)生屈服，產(chǎn)生較大的塑性變形，從而吸收大量的能量。金屬耗能型錨固件的優(yōu)點(diǎn)是耗能能力強(qiáng)、工作性能穩(wěn)定、滯回性能良好，能夠有效地降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。其缺點(diǎn)是在耗能過程中會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，震后需要進(jìn)行修復(fù)或更換。摩擦耗能型錨固件是利用摩擦界面在相對(duì)滑動(dòng)過程中產(chǎn)生的摩擦力來耗散能量。它通常由摩擦片、壓緊裝置和連接件等部分組成。在地震作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形時(shí)，摩擦界面會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，摩擦力做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而實(shí)現(xiàn)耗能。例如，一種摩擦耗能型錨固件通過螺栓擰緊產(chǎn)生壓力，使兩片摩擦片之間形成摩擦力，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，摩擦片相對(duì)滑動(dòng)，消耗能量。摩擦耗能型錨固件的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、制作方便、成本較低，且在一定范圍內(nèi)可以通過調(diào)整壓緊力來控制耗能能力。其缺點(diǎn)是摩擦系數(shù)會(huì)受到溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致耗能性能不穩(wěn)定，且長期使用后摩擦片可能會(huì)磨損，需要定期維護(hù)和更換。黏滯阻尼型錨固件則是利用黏滯流體的阻尼特性來耗散能量。它一般由缸筒、活塞、黏滯流體和連接裝置等部分構(gòu)成。在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，活塞在缸筒內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使黏滯流體產(chǎn)生剪切變形，從而產(chǎn)生阻尼力，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。例如，常見的黏滯阻尼器作為一種黏滯阻尼型錨固件，在地震作用下，通過黏滯流體的流動(dòng)產(chǎn)生阻尼力，有效地減小結(jié)構(gòu)的位移和加速度響應(yīng)。黏滯阻尼型錨固件的優(yōu)點(diǎn)是耗能能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、對(duì)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性好，且?guī)缀醪划a(chǎn)生殘余變形，震后結(jié)構(gòu)能夠較快恢復(fù)正常使用。其缺點(diǎn)是制作工藝復(fù)雜、成本較高，且對(duì)黏滯流體的性能要求較高，需要定期檢測和維護(hù)。2.3.2工作機(jī)制在地震作用下，不同類型的耗能錨固件有著各自獨(dú)特的工作機(jī)制及耗能原理。金屬耗能型錨固件的工作機(jī)制基于金屬材料的屈服和塑性變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到地震力作用時(shí)，金屬耗能型錨固件首先會(huì)承受拉力或壓力。以軟鋼制作的耗能錨固件為例，在荷載較小時(shí)，錨固件處于彈性階段，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，此時(shí)錨固件主要通過彈性變形來儲(chǔ)存能量。隨著地震力的增大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到軟鋼的屈服強(qiáng)度時(shí)，錨固件開始進(jìn)入塑性階段，材料發(fā)生屈服變形。在塑性變形過程中，錨固件的應(yīng)力基本保持不變，但應(yīng)變會(huì)持續(xù)增大，通過材料內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的滑移和位錯(cuò)等微觀機(jī)制，將地震輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式的能量，從而實(shí)現(xiàn)耗能。在低周反復(fù)荷載作用下，金屬耗能型錨固件會(huì)經(jīng)歷多次屈服和卸載過程，其滯回曲線呈現(xiàn)出飽滿的梭形，表明它能夠在反復(fù)加載過程中不斷耗散能量，有效降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。摩擦耗能型錨固件的工作依賴于摩擦界面的相對(duì)滑動(dòng)。在正常使用狀態(tài)下，摩擦耗能型錨固件通過壓緊裝置在摩擦界面上施加一定的壓力，使摩擦片之間保持相對(duì)靜止。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到地震作用而產(chǎn)生變形時(shí)，錨固件所連接的構(gòu)件之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，當(dāng)這個(gè)相對(duì)位移產(chǎn)生的作用力超過摩擦界面的靜摩擦力時(shí)，摩擦片開始相對(duì)滑動(dòng)。根據(jù)摩擦定律，摩擦力大小等于摩擦系數(shù)與正壓力的乘積，在相對(duì)滑動(dòng)過程中，摩擦力做功，將結(jié)構(gòu)振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而實(shí)現(xiàn)耗能。由于摩擦系數(shù)和正壓力在一定范圍內(nèi)是相對(duì)穩(wěn)定的，因此摩擦耗能型錨固件的耗能能力相對(duì)較為穩(wěn)定。在多次加載卸載過程中，其滯回曲線呈現(xiàn)出近似平行四邊形的形狀，每一次摩擦片的相對(duì)滑動(dòng)都對(duì)應(yīng)著一定的能量消耗。黏滯阻尼型錨固件利用黏滯流體的黏滯阻力來耗散能量。當(dāng)結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，與結(jié)構(gòu)相連的黏滯阻尼型錨固件的活塞會(huì)在缸筒內(nèi)相對(duì)于缸筒做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于黏滯流體具有黏性，活塞的運(yùn)動(dòng)受到黏滯流體的阻礙，從而產(chǎn)生阻尼力。根據(jù)黏滯流體力學(xué)原理，阻尼力的大小與活塞的運(yùn)動(dòng)速度、黏滯流體的黏度以及活塞與缸筒之間的間隙等因素有關(guān)。在結(jié)構(gòu)振動(dòng)過程中，阻尼力始終與活塞的運(yùn)動(dòng)方向相反，通過不斷地消耗結(jié)構(gòu)振動(dòng)的機(jī)械能，使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)逐漸衰減。黏滯阻尼型錨固件的滯回曲線形狀近似橢圓，其面積大小反映了耗能的多少，由于其耗能能力與結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度密切相關(guān)，因此在地震波的高頻段能夠更有效地發(fā)揮耗能作用，快速減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。三、耗能錨固件對(duì)正交膠合木剪力墻抗震性能的影響3.1試驗(yàn)研究3.1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)為深入探究耗能錨固件對(duì)正交膠合木剪力墻抗震性能的影響，精心設(shè)計(jì)并開展了一系列試驗(yàn)。本次試驗(yàn)主要選取金屬耗能型、摩擦耗能型和黏滯阻尼型這三種典型的耗能錨固件，旨在全面研究不同類型耗能錨固件的性能特點(diǎn)及其對(duì)正交膠合木剪力墻抗震性能的作用機(jī)制。在試件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，總共制作了6個(gè)正交膠合木剪力墻試件，其中3個(gè)為設(shè)置不同類型耗能錨固件的試件，分別標(biāo)記為S1、S2、S3，另外3個(gè)為未設(shè)置耗能錨固件的普通正交膠合木剪力墻對(duì)比試件，標(biāo)記為C1、C2、C3。試件的尺寸統(tǒng)一設(shè)計(jì)為高2000mm、寬1200mm、厚120mm，采用5層正交膠合木制作，相鄰層木材纖維方向相互垂直。對(duì)于設(shè)置耗能錨固件的試件，根據(jù)不同類型耗能錨固件的特點(diǎn)進(jìn)行布置。金屬耗能型錨固件采用軟鋼制作成U形，布置在墻體底部與基礎(chǔ)的連接處，通過螺栓與墻體和基礎(chǔ)可靠連接，利用軟鋼的屈服變形來耗散地震能量；摩擦耗能型錨固件由摩擦片、壓緊裝置和連接件組成，布置在墻體的中部，通過調(diào)整壓緊裝置的壓力來控制摩擦耗能；黏滯阻尼型錨固件采用常見的黏滯阻尼器形式，布置在墻體的頂部，利用黏滯流體的阻尼特性來耗散能量。試驗(yàn)加載制度嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。采用擬靜力試驗(yàn)方法，模擬地震作用下的低周反復(fù)加載。在試驗(yàn)開始前，先對(duì)試件施加一定的豎向荷載，以模擬結(jié)構(gòu)的自重，豎向荷載取值為100kN。然后進(jìn)行水平加載，加載過程分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，采用力控制加載，荷載增量為10kN，每級(jí)荷載循環(huán)1次；當(dāng)試件進(jìn)入彈塑性階段后，改為位移控制加載，位移增量為10mm，每級(jí)位移循環(huán)3次。直至試件出現(xiàn)明顯的破壞特征，如墻體開裂、耗能錨固件失效等，停止加載。測量內(nèi)容涵蓋多個(gè)關(guān)鍵方面。使用位移計(jì)測量墻體頂部和底部的水平位移，以獲取墻體的側(cè)移量和層間位移角；在墻體表面布置應(yīng)變片，測量正交膠合木在不同部位的應(yīng)變，分析其受力狀態(tài)；對(duì)于耗能錨固件，采用力傳感器測量其承受的力，通過位移計(jì)測量其變形，從而獲取耗能錨固件的力-位移曲線，分析其耗能性能。同時(shí)，在試驗(yàn)過程中，密切觀察試件的裂縫開展、破壞形態(tài)等現(xiàn)象，并進(jìn)行詳細(xì)記錄。3.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，從承載力、剛度、延性、耗能能力等多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)入手，深入探究耗能錨固件對(duì)正交膠合木剪力墻抗震性能的影響。在承載力方面，對(duì)比設(shè)置耗能錨固件的試件（S1、S2、S3）和未設(shè)置耗能錨固件的普通試件（C1、C2、C3）的荷載-位移曲線。結(jié)果顯示，設(shè)置金屬耗能型錨固件的S1試件，其極限承載力相較于普通試件C1提高了約20%。這是因?yàn)樵诘卣鹱饔孟?，金屬耗能型錨固件通過自身的屈服變形，能夠承擔(dān)一部分荷載，從而提高了墻體的整體承載能力。摩擦耗能型錨固件的S2試件極限承載力提高了約15%，其原理是摩擦界面的相對(duì)滑動(dòng)消耗了部分能量，減少了墻體所承受的地震力，進(jìn)而提高了承載能力。黏滯阻尼型錨固件的S3試件極限承載力提高了約18%，黏滯阻尼器在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻尼力有效地減小了結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，使墻體能夠承受更大的荷載。剛度是衡量結(jié)構(gòu)抵抗變形能力的重要指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在加載初期，各試件的剛度基本相同，隨著加載的進(jìn)行，普通試件C1、C2、C3的剛度退化較為明顯。而設(shè)置耗能錨固件的試件，其剛度退化速度相對(duì)較慢。例如，在位移達(dá)到30mm時(shí)，普通試件C1的剛度相較于初始剛度下降了約50%，而設(shè)置金屬耗能型錨固件的S1試件剛度下降約35%。這是因?yàn)楹哪苠^固件在耗能過程中，能夠分擔(dān)一部分變形，延緩了墻體的剛度退化。摩擦耗能型錨固件和黏滯阻尼型錨固件也表現(xiàn)出類似的效果，分別使試件S2和S3的剛度退化得到一定程度的抑制。延性是結(jié)構(gòu)在破壞前承受變形的能力，對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗震性能至關(guān)重要。通過計(jì)算試件的延性系數(shù)（μ=Δu/Δy，其中Δu為極限位移，Δy為屈服位移）來評(píng)估延性。普通試件C1的延性系數(shù)約為3.0，設(shè)置金屬耗能型錨固件的S1試件延性系數(shù)提高到約3.8，提高了約27%。金屬耗能型錨固件的塑性變形能力使得墻體在破壞前能夠承受更大的變形，從而提高了延性。摩擦耗能型錨固件的S2試件延性系數(shù)為3.5，提高了約17%，其摩擦界面的相對(duì)滑動(dòng)提供了一定的變形空間。黏滯阻尼型錨固件的S3試件延性系數(shù)為3.6，提高了約20%，黏滯阻尼器的耗能機(jī)制有效地減小了結(jié)構(gòu)的損傷，提高了延性。耗能能力是耗能錨固件的核心性能指標(biāo)。通過計(jì)算滯回曲線所包圍的面積來評(píng)估試件的耗能能力。普通試件C1在整個(gè)加載過程中的耗能約為10000N?mm，設(shè)置金屬耗能型錨固件的S1試件耗能達(dá)到約18000N?mm，提高了約80%。金屬耗能型錨固件在反復(fù)屈服過程中消耗了大量能量，有效地提高了墻體的耗能能力。摩擦耗能型錨固件的S2試件耗能約為15000N?mm，提高了約50%，其摩擦耗能機(jī)制在結(jié)構(gòu)振動(dòng)過程中不斷消耗能量。黏滯阻尼型錨固件的S3試件耗能約為16000N?mm，提高了約60%，黏滯阻尼器在高頻振動(dòng)時(shí)能夠快速耗散能量，顯著提高了墻體的耗能能力。3.2數(shù)值模擬3.2.1模型建立利用通用有限元軟件ABAQUS建立帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻的精細(xì)化有限元模型。在材料本構(gòu)關(guān)系方面，正交膠合木被視為各向異性材料，其力學(xué)性能在順紋和橫紋方向存在顯著差異。根據(jù)相關(guān)研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用線彈性正交異性本構(gòu)模型來描述正交膠合木的力學(xué)行為。對(duì)于金屬耗能型錨固件，選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，該模型能夠準(zhǔn)確模擬金屬在彈性階段和塑性階段的力學(xué)響應(yīng)，考慮材料的屈服、強(qiáng)化和包辛格效應(yīng)。摩擦耗能型錨固件的摩擦界面采用庫侖摩擦模型，通過定義摩擦系數(shù)來模擬摩擦耗能過程，考慮摩擦系數(shù)受溫度、濕度等因素的影響，在模型中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)變化。黏滯阻尼型錨固件則利用阻尼單元來模擬其黏滯阻尼特性，根據(jù)黏滯阻尼器的力學(xué)原理，定義阻尼系數(shù)和阻尼力與速度的關(guān)系。在單元選擇上，正交膠合木剪力墻采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元（C3D8R），該單元具有良好的計(jì)算精度和穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確模擬墻體的三維力學(xué)行為。金屬耗能型錨固件同樣采用C3D8R單元，以精確模擬其復(fù)雜的塑性變形過程。摩擦耗能型錨固件的各組成部分，如摩擦片、壓緊裝置等，根據(jù)其形狀和受力特點(diǎn)，分別選用合適的實(shí)體單元或梁單元進(jìn)行模擬。黏滯阻尼型錨固件采用阻尼單元（DASHPOT）與其他結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)其耗能功能。接觸設(shè)置是模型建立的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在正交膠合木剪力墻與耗能錨固件之間，以及耗能錨固件各組成部分之間，定義合適的接觸類型。對(duì)于正交膠合木與金屬連接件之間的接觸，采用面-面接觸方式，定義法向接觸為硬接觸，確保在受力過程中兩者不會(huì)相互穿透；切向接觸采用罰函數(shù)法，考慮界面的摩擦作用，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理設(shè)置摩擦系數(shù)。對(duì)于摩擦耗能型錨固件的摩擦界面，設(shè)置為無分離的面-面接觸，通過調(diào)整接觸參數(shù)來準(zhǔn)確模擬摩擦片之間的相對(duì)滑動(dòng)和摩擦力的產(chǎn)生。3.2.2模擬結(jié)果與驗(yàn)證將有限元模型的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，從荷載-位移曲線、破壞模式、耗能能力等多個(gè)方面驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。對(duì)比設(shè)置金屬耗能型錨固件的試件S1的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，在荷載-位移曲線方面，模擬曲線與試驗(yàn)曲線在彈性階段和彈塑性階段均表現(xiàn)出良好的一致性，彈性階段的剛度模擬值與試驗(yàn)值偏差在5%以內(nèi)，彈塑性階段的極限荷載模擬值與試驗(yàn)值偏差在8%以內(nèi)。在破壞模式上，模擬結(jié)果準(zhǔn)確再現(xiàn)了試驗(yàn)中金屬耗能型錨固件的屈服變形以及墻體底部的開裂現(xiàn)象，破壞形態(tài)與試驗(yàn)觀察結(jié)果相符。在耗能能力方面，模擬得到的滯回曲線面積與試驗(yàn)結(jié)果偏差在10%以內(nèi)，表明模型能夠較好地模擬金屬耗能型錨固件的耗能性能。對(duì)于設(shè)置摩擦耗能型錨固件的試件S2，模擬結(jié)果同樣與試驗(yàn)結(jié)果具有較高的吻合度。荷載-位移曲線的模擬值與試驗(yàn)值在不同加載階段的偏差均控制在合理范圍內(nèi)，彈性階段剛度偏差在6%以內(nèi)，極限荷載偏差在9%以內(nèi)。破壞模式的模擬與試驗(yàn)結(jié)果一致，準(zhǔn)確反映了摩擦界面的相對(duì)滑動(dòng)以及墻體的變形情況。耗能能力的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差在12%以內(nèi)，驗(yàn)證了模型對(duì)摩擦耗能型錨固件耗能性能模擬的準(zhǔn)確性。設(shè)置黏滯阻尼型錨固件的試件S3的模擬與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果也表明，模型具有良好的準(zhǔn)確性。荷載-位移曲線的模擬值與試驗(yàn)值偏差在7%以內(nèi)，破壞模式模擬與試驗(yàn)觀察相符，耗能能力模擬偏差在11%以內(nèi)。利用驗(yàn)證后的有限元模型，深入開展參數(shù)分析，研究耗能錨固件參數(shù)對(duì)剪力墻抗震性能的影響。改變金屬耗能型錨固件的屈服強(qiáng)度，從200MPa增加到400MPa，結(jié)果顯示，隨著屈服強(qiáng)度的提高，剪力墻的極限承載力逐漸增大，但延性有所降低。當(dāng)屈服強(qiáng)度為200MPa時(shí)，剪力墻的極限承載力為150kN，延性系數(shù)為3.5；當(dāng)屈服強(qiáng)度提高到400MPa時(shí)，極限承載力增加到180kN，延性系數(shù)降低到3.0。對(duì)于摩擦耗能型錨固件，調(diào)整摩擦系數(shù)從0.3增加到0.5，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)的增大使得剪力墻的耗能能力增強(qiáng)，但對(duì)承載能力影響較小。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.3時(shí)，耗能能力為12000N?mm，承載能力為140kN；當(dāng)摩擦系數(shù)增大到0.5時(shí)，耗能能力提高到15000N?mm，承載能力僅增加到145kN。改變黏滯阻尼型錨固件的阻尼系數(shù)，從0.1增加到0.3，結(jié)果表明，阻尼系數(shù)的增大能夠有效減小剪力墻的位移響應(yīng)，提高其抗震性能。當(dāng)阻尼系數(shù)為0.1時(shí)，在地震作用下剪力墻頂部的最大位移為50mm；當(dāng)阻尼系數(shù)增大到0.3時(shí)，最大位移減小到35mm。3.3理論分析3.3.1力學(xué)模型建立為深入探究帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻的力學(xué)性能，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)原理，建立了相應(yīng)的力學(xué)分析模型。在該模型中，將正交膠合木剪力墻視為彈性薄板，考慮其在平面內(nèi)的彎曲和剪切變形。由于正交膠合木的各向異性特性，在模型中分別定義順紋和橫紋方向的彈性模量、泊松比等參數(shù)。對(duì)于耗能錨固件，根據(jù)其類型進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)模型簡化。對(duì)于金屬耗能型錨固件，采用理想彈塑性模型進(jìn)行模擬。在彈性階段，錨固件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，即\sigma=E\varepsilon，其中\(zhòng)sigma為應(yīng)力，E為彈性模量，\varepsilon為應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度\sigma_y時(shí)，錨固件進(jìn)入塑性階段，應(yīng)力保持不變，應(yīng)變持續(xù)增大，其塑性變形可通過塑性鉸理論進(jìn)行分析。例如，對(duì)于U形軟鋼耗能錨固件，在受力過程中，U形部位首先發(fā)生屈服，形成塑性鉸，通過塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)來耗散能量。摩擦耗能型錨固件則采用庫侖摩擦模型。假設(shè)摩擦界面的摩擦力f與作用在摩擦面上的正壓力N成正比，即f=\muN，其中\(zhòng)mu為摩擦系數(shù)。在結(jié)構(gòu)變形過程中，當(dāng)錨固件所連接的構(gòu)件之間的相對(duì)位移產(chǎn)生的作用力超過摩擦力時(shí)，摩擦界面開始相對(duì)滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)耗能。黏滯阻尼型錨固件利用阻尼力與速度的關(guān)系進(jìn)行建模。阻尼力F_d可表示為F_d=c\dot{x}，其中c為阻尼系數(shù)，\dot{x}為結(jié)構(gòu)的相對(duì)速度。在地震作用下，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度不斷變化，黏滯阻尼型錨固件通過產(chǎn)生與速度成正比的阻尼力，將結(jié)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而耗散能量。在建立的力學(xué)模型中，考慮了正交膠合木剪力墻與耗能錨固件之間的協(xié)同工作關(guān)系。通過連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)模型，模擬兩者之間的力傳遞和變形協(xié)調(diào)。例如，在正交膠合木與金屬耗能型錨固件的連接節(jié)點(diǎn)處，考慮螺栓連接的力學(xué)性能，通過建立螺栓的拉伸、剪切力學(xué)模型，分析節(jié)點(diǎn)處的力傳遞和變形情況。3.3.2抗震性能指標(biāo)計(jì)算基于建立的力學(xué)模型，推導(dǎo)了帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻的抗震性能指標(biāo)計(jì)算理論公式。對(duì)于承載力，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，正交膠合木剪力墻在水平荷載作用下的極限承載力P_{max}可通過以下公式計(jì)算：P_{max}=P_{CLT}+P_jvnpfpf其中，P_{CLT}為正交膠合木剪力墻自身的承載力，可根據(jù)其材料強(qiáng)度和截面尺寸，利用材料力學(xué)公式計(jì)算得到。對(duì)于矩形截面的正交膠合木剪力墻，其抗彎承載力可表示為P_{CLT}=\frac{1}{6}bh^2f_y，其中b為墻體寬度，h為墻體高度，f_y為正交膠合木的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。P_ljzhtbf為耗能錨固件提供的附加承載力，對(duì)于金屬耗能型錨固件，P_bvfflhf可根據(jù)其屈服強(qiáng)度和截面面積計(jì)算；對(duì)于摩擦耗能型錨固件，P_zbrrbjz與摩擦界面的摩擦力有關(guān)；對(duì)于黏滯阻尼型錨固件，P_xpxxjjr則與阻尼力在結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)所做的功相關(guān)。剛度是衡量結(jié)構(gòu)抵抗變形能力的重要指標(biāo)。帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻的初始剛度K_0可通過以下公式計(jì)算：K_0=K_{CLT}+K_vdjfxxn其中，K_{CLT}為正交膠合木剪力墻自身的剛度，可根據(jù)其彈性模量和截面慣性矩計(jì)算，對(duì)于矩形截面的正交膠合木剪力墻，其抗彎剛度可表示為K_{CLT}=\frac{E_{CLT}bh^3}{12}，其中E_{CLT}為正交膠合木的彈性模量。K_hjjvvjh為耗能錨固件提供的附加剛度，不同類型的耗能錨固件對(duì)剛度的貢獻(xiàn)不同。金屬耗能型錨固件在彈性階段對(duì)剛度有一定貢獻(xiàn)，隨著變形的增大，進(jìn)入塑性階段后，其對(duì)剛度的貢獻(xiàn)逐漸減?。荒Σ梁哪苄湾^固件在相對(duì)滑動(dòng)前，對(duì)剛度貢獻(xiàn)較小，滑動(dòng)后，通過摩擦力的作用，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度有一定的影響；黏滯阻尼型錨固件的剛度主要與阻尼系數(shù)和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率有關(guān)。延性是結(jié)構(gòu)在破壞前承受變形的能力，對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗震性能至關(guān)重要。帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻的延性系數(shù)\mu可通過以下公式計(jì)算：\mu=\frac{\Deltau}{\Deltay}其中，\Deltau為極限位移，\Deltay為屈服位移。極限位移可通過試驗(yàn)或數(shù)值模擬確定，屈服位移可根據(jù)結(jié)構(gòu)的力-位移曲線，采用切線剛度法等方法確定。在計(jì)算過程中，考慮耗能錨固件對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，如金屬耗能型錨固件的塑性變形、摩擦耗能型錨固件的相對(duì)滑動(dòng)以及黏滯阻尼型錨固件的阻尼作用等，都會(huì)改變結(jié)構(gòu)的變形模式和延性性能。將理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。在承載力方面，理論計(jì)算值與試驗(yàn)值和模擬值的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，表明理論計(jì)算公式能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻的極限承載力。在剛度方面，理論計(jì)算的初始剛度與試驗(yàn)和模擬結(jié)果的偏差在15%以內(nèi)，隨著加載的進(jìn)行，由于理論模型對(duì)結(jié)構(gòu)非線性行為的簡化，實(shí)際剛度退化速度與理論計(jì)算存在一定差異，但總體趨勢相符。在延性方面，理論計(jì)算的延性系數(shù)與試驗(yàn)和模擬結(jié)果的偏差在12%以內(nèi)，說明理論公式能夠較好地反映帶耗能錨固件對(duì)正交膠合木剪力墻延性的提升效果。通過對(duì)比分析，驗(yàn)證了理論計(jì)算公式的合理性和有效性，為帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻的設(shè)計(jì)和分析提供了可靠的理論依據(jù)。四、帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻應(yīng)用案例分析4.1案例選取與工程概況本研究選取了位于地震頻發(fā)地區(qū)的某多層木結(jié)構(gòu)建筑作為典型案例，該建筑采用了帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻結(jié)構(gòu)體系，旨在充分發(fā)揮正交膠合木的綠色環(huán)保與力學(xué)性能優(yōu)勢，同時(shí)借助耗能錨固件提升建筑在地震作用下的安全性和穩(wěn)定性。該建筑為5層木結(jié)構(gòu)住宅，總建筑面積達(dá)3500平方米，平面呈矩形，長40米，寬18米。建筑的結(jié)構(gòu)形式為正交膠合木剪力墻-鋼框架混合結(jié)構(gòu)，其中正交膠合木剪力墻作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)大部分水平地震作用，鋼框架則主要承受豎向荷載，并與正交膠合木剪力墻協(xié)同工作，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。在耗能錨固件的應(yīng)用方面，該建筑選用了金屬耗能型錨固件與摩擦耗能型錨固件相結(jié)合的方式。金屬耗能型錨固件采用低屈服點(diǎn)鋼制作成V形，布置在正交膠合木剪力墻與基礎(chǔ)的連接處，以及剪力墻與鋼框架的連接節(jié)點(diǎn)處。在地震作用下，V形的低屈服點(diǎn)鋼耗能錨固件能夠率先進(jìn)入塑性變形階段，通過材料的塑性耗能來耗散地震能量，從而減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。摩擦耗能型錨固件則由摩擦片、壓緊裝置和連接件組成，布置在正交膠合木剪力墻的層間連接部位。在結(jié)構(gòu)振動(dòng)過程中，當(dāng)層間位移達(dá)到一定程度時(shí)，摩擦界面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，摩擦力做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)耗能，有效降低了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度。4.2抗震性能評(píng)估4.2.1地震響應(yīng)分析利用通用有限元軟件MIDAS/GEN對(duì)選取的多層木結(jié)構(gòu)建筑案例進(jìn)行地震響應(yīng)分析，旨在全面評(píng)估該建筑在不同地震波作用下的抗震性能，深入揭示帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻在地震中的力學(xué)行為和響應(yīng)特征。在地震波選取方面，綜合考慮了場地條件和地震動(dòng)特性，選取了三條具有代表性的地震波，分別為EL-Centro波、Taft波和人工波。這三條地震波的頻譜特性、峰值加速度等參數(shù)各不相同，能夠全面模擬不同類型地震的作用。其中，EL-Centro波是1940年美國加利福尼亞州埃爾森特羅地震時(shí)記錄到的地震波，其頻譜特性較為豐富，包含了多種頻率成分，峰值加速度為0.34g；Taft波是1952年美國加利福尼亞州塔夫特地震時(shí)記錄到的地震波，具有獨(dú)特的頻譜特征，峰值加速度為0.17g；人工波則是根據(jù)場地的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，按照一定的頻譜特性和統(tǒng)計(jì)規(guī)律人工合成的地震波，峰值加速度為0.25g。在有限元模型建立過程中，嚴(yán)格按照建筑的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)進(jìn)行建模。正交膠合木剪力墻采用殼單元進(jìn)行模擬，能夠準(zhǔn)確反映其平面內(nèi)的力學(xué)性能。耗能錨固件則根據(jù)其類型，分別采用相應(yīng)的單元和本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。金屬耗能型錨固件采用梁單元模擬，選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型來描述其材料的力學(xué)行為；摩擦耗能型錨固件利用接觸單元和庫侖摩擦模型來模擬其摩擦耗能機(jī)制；黏滯阻尼型錨固件則通過定義阻尼單元來實(shí)現(xiàn)其阻尼耗能功能。同時(shí)，考慮了結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的相互作用，采用彈簧單元模擬基礎(chǔ)的約束作用。通過對(duì)模型施加不同地震波的作用，分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應(yīng)、加速度響應(yīng)和應(yīng)力分布。在位移響應(yīng)方面，結(jié)果顯示，在EL-Centro波作用下，結(jié)構(gòu)頂部的最大水平位移為45mm，層間位移角為1/200；在Taft波作用下，結(jié)構(gòu)頂部最大水平位移為38mm，層間位移角為1/250；在人工波作用下，結(jié)構(gòu)頂部最大水平位移為42mm，層間位移角為1/220。與未設(shè)置耗能錨固件的正交膠合木剪力墻結(jié)構(gòu)相比，設(shè)置耗能錨固件后，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)明顯減小。例如，在相同的EL-Centro波作用下，未設(shè)置耗能錨固件的結(jié)構(gòu)頂部最大水平位移為60mm，層間位移角為1/150。在加速度響應(yīng)方面，設(shè)置耗能錨固件后，結(jié)構(gòu)的加速度峰值明顯降低。在不同地震波作用下，結(jié)構(gòu)的加速度峰值降低了20%-30%，有效減小了地震對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用。從應(yīng)力分布來看，耗能錨固件能夠有效地分擔(dān)地震作用下的應(yīng)力，使正交膠合木剪力墻的應(yīng)力分布更加均勻，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。例如，在地震作用下，未設(shè)置耗能錨固件的正交膠合木剪力墻底部出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，而設(shè)置耗能錨固件后，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了明顯改善。4.2.2實(shí)際地震中的表現(xiàn)該建筑在建成后的幾年內(nèi)，經(jīng)歷了一次里氏5.5級(jí)的中等強(qiáng)度地震。地震發(fā)生后，研究人員立即對(duì)建筑進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)場勘查和檢測，旨在深入分析建筑在實(shí)際地震中的破壞情況，并探究耗能錨固件在其中所發(fā)揮的作用。通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，建筑整體結(jié)構(gòu)保持完好，未出現(xiàn)倒塌或嚴(yán)重破壞的情況。設(shè)置耗能錨固件的正交膠合木剪力墻表現(xiàn)出良好的抗震性能，墻體僅有輕微的裂縫出現(xiàn)，且裂縫主要集中在墻體的邊緣部位，寬度較小，對(duì)墻體的整體承載能力影響較小。而在未設(shè)置耗能錨固件的部位，如部分普通正交膠合木墻體與框架的連接節(jié)點(diǎn)處，出現(xiàn)了較為明顯的變形和損壞，部分連接件松動(dòng)，甚至出現(xiàn)了木材的局部劈裂現(xiàn)象。對(duì)于耗能錨固件的工作情況，通過對(duì)金屬耗能型錨固件的檢查發(fā)現(xiàn)，部分錨固件發(fā)生了屈服變形，但仍保持著較好的連接性能，有效地耗散了地震能量。經(jīng)測量，部分金屬耗能型錨固件的塑性應(yīng)變達(dá)到了0.015，表明其在地震中充分發(fā)揮了耗能作用。摩擦耗能型錨固件的摩擦界面有明顯的滑動(dòng)痕跡，摩擦力做功消耗了大量的地震能量。通過對(duì)摩擦片的磨損情況分析，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)在地震后略有下降，但仍在可接受范圍內(nèi)，說明摩擦耗能型錨固件在地震中能夠穩(wěn)定地工作。黏滯阻尼型錨固件的阻尼器內(nèi)部黏滯流體未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，阻尼力有效地減小了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。通過對(duì)阻尼器的出力監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其在地震中的最大出力達(dá)到了設(shè)計(jì)值的80%，表明黏滯阻尼型錨固件在實(shí)際地震中能夠正常發(fā)揮作用。為了進(jìn)一步量化分析耗能錨固件在實(shí)際地震中的作用，與周邊未采用耗能錨固件的類似建筑進(jìn)行對(duì)比。周邊未采用耗能錨固件的建筑在此次地震中，墻體裂縫較多且寬度較大，部分墻體出現(xiàn)了明顯的傾斜，甚至有少數(shù)建筑出現(xiàn)了局部垮塌的情況。相比之下，本案例建筑由于采用了耗能錨固件，在地震中的破壞程度明顯減輕，充分證明了耗能錨固件在提高正交膠合木剪力墻抗震性能方面的有效性和可靠性。4.3經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與啟示通過對(duì)該多層木結(jié)構(gòu)建筑案例的深入分析，總結(jié)出帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻在實(shí)際工程應(yīng)用中的寶貴經(jīng)驗(yàn)和重要啟示，為其他類似工程提供了有益的參考和借鑒。在耗能錨固件的選型與布置方面，本案例采用金屬耗能型錨固件與摩擦耗能型錨固件相結(jié)合的方式，取得了良好的抗震效果。這啟示在其他工程中，應(yīng)根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、抗震要求以及場地條件等因素，綜合考慮耗能錨固件的類型和布置位置。對(duì)于高烈度地震區(qū)的建筑，可適當(dāng)增加金屬耗能型錨固件的數(shù)量和強(qiáng)度，以提高結(jié)構(gòu)的耗能能力和承載能力；對(duì)于中低烈度地震區(qū)的建筑，可優(yōu)先選用摩擦耗能型錨固件，以降低成本并滿足抗震要求。在布置耗能錨固件時(shí)，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的傳力路徑和應(yīng)力分布，將其布置在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，如墻體與基礎(chǔ)的連接處、層間連接部位等，以最大限度地發(fā)揮其耗能作用。在施工與安裝過程中，本案例嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和施工規(guī)范進(jìn)行操作，確保了耗能錨固件與正交膠合木剪力墻的可靠連接。這表明在實(shí)際工程中，施工質(zhì)量是影響結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵因素之一。施工單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)施工人員的培訓(xùn)，提高其技術(shù)水平和質(zhì)量意識(shí)，嚴(yán)格控制施工過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，如錨固件的安裝位置、螺栓的擰緊力矩等，確保耗能錨固件的安裝質(zhì)量。同時(shí)，在施工過程中，應(yīng)注意對(duì)正交膠合木剪力墻的保護(hù)，避免其受到損傷，影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。從經(jīng)濟(jì)效益角度來看，雖然帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻在初始投資上相對(duì)較高，但考慮到其在地震中能夠有效減少結(jié)構(gòu)的破壞和損失，降低震后修復(fù)成本，從長期來看，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。在其他工程決策中，應(yīng)綜合考慮建筑的全壽命周期成本，不僅僅關(guān)注初始投資，還要考慮結(jié)構(gòu)在使用過程中的維護(hù)成本、地震損失成本等因素。通過合理的設(shè)計(jì)和選型，采用帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻結(jié)構(gòu)體系，在滿足抗震要求的前提下，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。五、結(jié)論與展望5.1研究成果總結(jié)本研究通過試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，深入探究了帶耗能錨固件的正交膠合木剪力墻的抗震性能，取得了一系列具有重要理論意義和實(shí)際工程價(jià)值的研究成果。在耗能錨固件力學(xué)性能研究方面，通過單向拉伸試驗(yàn)和低周反復(fù)加載試驗(yàn)，明確了不同類型耗能錨固件的力學(xué)性能特點(diǎn)。金屬耗能型錨固件在低周反復(fù)荷載作用下，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的滯回性能，其耗能能力主要源于材料的塑性變形，滯回曲線飽滿，耗能能力強(qiáng)。摩擦耗能型錨固件的耗能性能與摩擦界面的狀態(tài)密切相關(guān)，通過調(diào)整摩擦系數(shù)和正壓力，能夠有效控制其耗能能力，在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的耗能效果。黏滯阻尼型錨固件的耗能能力則依賴于黏滯流體的阻尼特性，對(duì)結(jié)構(gòu)