木结构抗震性能与节点构造分析【批木网】
发布时间: 2016年03月16日 12:17:00
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摘要：近些年来，我国经济不断发展，综合实力不断增强，社会的发展为建筑行业的快速发展提供了条件，随着社会的发展，人们对绿色、环保、节能的意识也越来越强，以原生态绿色无污染的木结构建筑逐步走入人们的视野，逐渐得以推广。木结构以尊贵的姿态、良好的抗震性能得到大家的青睐。
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引言：很多先进的建筑技术随着建筑业的发展得以应用，木结构是一项古老的建筑技术，宋朝时系统的编制成中国最古老的建筑结构规范《营造法式》，近千年来木结构一直是重要的建筑技术，我国木材资源相对匮乏，不能大面积的应用，随着经济的发展，从国外进口木材来建造属于自己的木结构房子越来越成为现实，本文以普通办公楼：三层；层高均3m；平面12（宽：6+6）x 18（长：6+6+6）米;混凝土框架和木结构框架做对比分析。下文中均以WF（Wooden Frame）代表木框架；RCF(Reinforced Concrete Frame)代表钢筋混凝土框架；正文：首先地震是如何对地面建筑物产生破坏的呢？地震发生时是以震源为中心向四周传递地震波，地震波由横波和纵波组成，纵波的传递速度约为5.6Km/s，横波的传递速度约为3~5Km/s;在震源距地面20公里时，两种波传递时差约为10秒，这个时差至关重要，因为纵波带来的感觉是上下震动，可以趁机逃出建筑物，横波带来的感觉是左右晃动，这时几乎无法站立，无法逃生。纵波对应的是竖向地震作用，横波对应的是水平地震作用，《建筑抗震设计规范》对竖向地震仅要求在8、9度时的大跨度和长悬臂以及9度时的高层建筑才计算，竖向与水平地震作用计算的地震力对比约为：1:1.6；竖向地震力相对较小，结构的竖向承载力储备富余度大，故竖向地震一般不考虑，本文中的木结构不考虑竖向地震。水平地震是抗震的关键点，通俗一点讲水平地震作用施加给建筑物的是一个快速波动的水平加速度，可以简单的用牛顿第二定律F=ma来理解，工程中此公式为：
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其次，木材具有良好的弹性和韧性，木材由粗纤维成束状组合而成，顺纹强度很高，能承担较大的拉压应力，抗冲击能力很强。生活中遇到台风暴雨恶劣气候时，经常有树木连根拔起，但是树干折断的较少，正是因为木纤维有足够的韧性。所以木材用于结构构件时能做到变形大释放地震能量而不破坏，有较强的抗震性能。混凝土材料属于脆性材料，刚度大吸收地震能量大，容易形成裂缝导致破坏。再次，节点设计方面，笔者认为古代木结构的榫卯结合的节点并非抗震有利节点，很多资料一再强调榫卯节点是古代木结构抗震的精髓，认为这种节点在地震作用下可以有足够的活动空间而不破坏同时释放地震能量，这种理解是错误的抗震理解，这恰恰违背了抗震概念里的“强节点，弱构件”的理念，榫卯节点实质上是在削弱节点区的杆件，梁柱连接时，柱身相应区域开洞俗称榫眼，梁端削出凸头俗称榫头，头眼插接形成榫卯节点，无论是梁端还是柱根都做了削弱处理，该节点按现代结构力学构造为铰接节点，梁柱要满足承载力要求时需加大截面尺寸，造成肥梁胖柱的实际效果，即“强构件，弱节点”的错误抗震理念。木结构体系中的柱脚一般采用插入式的铰接柱脚，以下图为例进行力学说明：
由上图可知，采用榫卯节点的结构体系有机构的嫌疑，如果截面尺度较大时铰接节点可以接近半刚性连接节点，极少数做的严密时才能达到刚接效果，从这里可以得出结论，榫卯节点是不利于抗震的，如果说榫卯节点因为留有空隙可以在地震作用时释放能量，但同时有极大的垮塌风险。
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古代建筑留存到现在依然矗立不倒且经历地震的，一方面是古代建筑成千上万留存下来凤毛麟角，没有统计意义；另一方面留存下来的古建普遍存在截面尺度较大，节点处理相对合理，能够做到榫卯严密，形成刚性或半刚性连接（如日本京都清水寺千年古建）。榫卯结合的节点在古代是因为技术条件所限，退而求其次的做法，对工艺要求较高，在一些仿古建筑高度不高，对节点美观要求较高的地方，可继续采用。木框架节点的连接严重影响木结构整体抗侧力水平，这也是木框架一直发展不起来的主要原因，笔者认为随着钢结构的发展，钢木结合的节点是有发展前景的，钢制连接点因为强度大，能传递杆端内力，同时不削弱杆件自身承载力，能满足抗震要求。
结束语
综上所述，木结构在未来的建筑工程中必将得到广泛的应用，轻木结构已经大量运用在工程实践中，在解决好计算和节点构造方面的问题，重木结构将以自身的典雅，端庄，大气必将成为未来建筑业的突破口。
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