【干货】多高层木结构抗震性能研究与设计方法综述

概述

木材由于具有资源易于再生、绿色环保、保温隔热性好等优点，与可持续发展的目标相互协调，其在建筑业中的应用发展越来越受到重视。此外，随着近十年来材料技术的发展，诸如正交胶合木(cross laminated timber, 简称CLT)等新型工程木产品的诞生使得建造多高层木结构建筑成为可能。为了建筑业的可持续发展，也为了解决大城市人口密度不断增长的问题，木材不能局限于以往三层及三层以下的低矮建筑，近些年，多高层木结构建筑取得了快速发展。

基于上述背景，本文首先枚举了一批全球新建的典型多高层木结构建筑，以期通过具体建筑案例分析来洞悉当前多高层木结构建筑的发展趋势，然后总结了当前多高层木结构建筑常用的结构体系类型及存在的相关问题；基于上述在节点及结构体系两个层面的问题，对多高层木结构建筑开展了一系列试验和理论研究，揭示了部分结构体系的抗震机理；最后，概括了适用于多高层木结构建筑的抗震设计方法。

1 多高层木结构建筑发展概况

1.1 典型建筑案例介绍

自2008年建起第一幢木结构CLT高层后，世界各国纷纷响应这个理念，各地建起了一些示范建筑。最早于2009年，伦敦建成了一幢名为“Stadthaus”的9层公寓式建筑（图1）[1]，该建筑底层为混凝土剪力墙结构，上部8层的墙板、楼板、包括电梯和楼梯井道均采用CLT板建造。该工程中，绝大多数构件经工厂预制后现场拼装而成，施工周期仅9周，且施工误差仅为混凝土结构的一半。此外，施工过程绿色环保，碳排放少，所用建材本身兼有碳贮存功能。2012年，墨尔本建成了一幢名为“Forte”的10层公寓式建筑（图2）[2]，该建筑同样采用了底层混凝土框架-上部楼层CLT剪力墙的上下组合结构体系。“Forte”的施工周期约10个月，与同体积的混凝土或钢结构建筑相比，其在保温隔热方面能够节约25%的能源，且兼有抗震性能优良的特点。

图1 英国9层公寓式建筑“Stadthaus”

图2 墨尔本10层公寓式建筑“Forte”

2015年，挪威卑尔根建成了一幢名为“Treet”的14层木结构建筑（图3），该建筑总高52.8 m，采用了胶合木梁柱框架-CLT剪力墙的结构体系，其中胶合木构件尺寸较大，以满足其炭化速率达到耐火极限要求，并且基于防火考

虑，金属连接件、钢板和销轴等均未置于木构件表面。“Treet”的主要竖向和水平荷载由设有斜撑的胶合木梁柱框架承担，并且为了控制振型和防火，其中的两个楼面和屋面采用了混凝土楼板。

图3 挪威14层“Treet”

2016年在加拿大英属哥伦比亚大学建成了一幢高达53m的18层木混合建筑（图4）[3]，该建筑底层采用混凝土结构，上部17层采用了胶合木柱结合CLT楼板的结构体系形式，CLT楼板支承于柱网尺寸为2.85 m×4.0 m胶合木柱上，柱的上下端与CLT楼板间近似于铰接连接，出于增加结构体系整体抗侧刚度的考虑，沿结构的底层至顶层设有竖向连续的两个混凝土核心筒。为了保证结构整体的抗火性能，采用石膏板覆盖住CLT楼板和胶合木柱表面。

（a）外立面（b）内部结构

图4 加拿大18层木混合建筑

上述已建成的木及木混合结构建筑对当前多高层木结构建筑的研究及工程建设起到了一定的示范和激励作用，受其影响，尚有多幢多高层木结构建筑目前处于建造、设计或规划中。如奥地利维也纳正在建造一幢名为“HOHO维也纳大厦”的24层木混合（采用混凝土核心筒）建筑，目前已接近于竣工状态，法国和美国分别在规划35层和42层的木结构建筑，英国伦敦更是提出了建造高度达300m的30层木结构建筑的设想。

1.2 结构体系类型

通过上述多高层木结构建筑案例的枚举，可以看出，未来的多高层木及木混结构建筑将朝着建筑更高、结构体系更复杂多样的方向发展。常用的多高层木

及木混结构建筑的结构体系类型包括：轻型木结构体系、木框架支撑结构体系、木框架剪力墙结构体系、CLT剪力墙结构体系、上下组合木结构体系、混凝土核心筒木结构体系以及木剪力墙-钢框架混合结构体系等。

轻型木结构体系是由断面较小的规格材均匀密布连接组成的一种结构形式，轻木结构体系具有经济、安全、结构布置灵活的特点。在木框架支撑结构体系中，木梁柱作为主要竖向承重构件，斜向支撑作为主要抗侧力构件；在地震区采用该种结构类型的木结构建筑在造价方面较为经济，且可以较好地协调框架和支撑的受力，使木结构建筑同时具有较大的侧向刚度和良好的抗震性能。木框架剪力墙结构体系主要通过梁柱构件竖向承重，通过剪力墙来承担侧向荷载，其中，剪力墙可为轻木或CLT剪力墙；该结构类型可充分发挥剪力墙体系抗侧性能较好和框架结构空间布置灵活的优势，且当剪力墙布置较密而形成筒体时，也可形成木框架-木核心筒结构形式。CLT剪力墙结构体系由CLT墙板承担侧向荷载，具有抗侧刚度大，装配化程度高、耐火及保温性能好等优点。在上下组合木结构体系中，下部采用钢筋混凝土结构或钢结构，上部采用纯木结构体系，如轻木-混凝土上下组合、CLT剪力墙-混凝土上下组合、木框架剪力墙-混凝土上下组合等。在混凝土核心筒木结构体系中，主要抗侧力构件为混凝土核心筒，竖向承重构件采用木框架、木框架支撑或CLT剪力墙。木剪力墙-钢框架混合结构体系主要的竖向荷载由钢框架承担，而所受水平力由钢框架和木剪力墙共同承担。

1.3 问题分析

虽然当前针对多高层木结构建筑的科学研究处于蓬勃发展的阶段，各国工程建设也正方兴未艾，然而，仍存在一些技术难题有待进一步深入研究，比如：（1）梁柱节点刚度问题：由于安装需要与施工偏差，木构件上的螺栓孔直径大于螺栓直径，胶合木梁柱节点的初始刚度较低。（2）木框架梁柱结构体系的抗侧性能问题：因木材较低的横纹抗拉强度，侧向力作用下的梁柱节点区易出现螺栓孔周横向受拉裂缝及劈裂缝，且节点本身转动刚度较小、耗能能力不足，该结构体系的抗侧能力较有限；为了提高结构体系整体的抗侧刚度，有必要借助于在原有木框架结构中设置斜向支撑或剪力墙的措施，或改用木剪力墙-钢框架混合结构体系。针对这些问题，国内学者展开了大量的研究；下面从节点、体系和设计方法层面，介绍近年部分在多高层木结构抗震方面的研究成果。

2 多高层木结构抗震性能研究

在地震中，节点是整个多高层木结构建筑中最容易破坏的部位，且节点性能对结构体系诸如层间位移角等地震动力响应的影响至关重要。此外，不同种类的构件通过节点连接成了体系多样的结构，在结构体系经历地震作用时，构件与节点间、构件与构件间的内力传递机制及协同受力机制直接决定了多高层木结构的抗震性能。下面将分别从节点性能研究和结构体系性能研究两方面来阐述多高层木结构抗震性能研究概况。