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混凝土板木剪力墙：结构细节、试验和抗震特性
Luca Pozza博士1；Roberto Scotta2；Davide Trutalli3；Andrea Polastri4；和Ario Ceccotti5
文摘：讨论了一种新型的混合剪力墙体系的结构特点，该体系由标准平台框架板与外部钢筋混凝土防护罩（由拧在木框架上的预制板构成）耦合而成。外部钢筋混凝土蒙皮用作辅助支撑系统，提高裸木框架的强度和耗散能力。在规范规定的基础上，首先对这种混合剪力墙在单调和循环荷载作用下的结构性能进行了理论分析，然后通过试验进行了验证。新型剪力墙满足欧洲规范8的要求。特别是，分析系统属于高延性等级（HDC）。最后，通过试验验证的数值模型，对采用新型混合剪力墙的参考建筑的地震反应进行了模拟，并估算了该建筑的适宜性能系数。DOI:10.1061/（ASCE）ST.1943-541X.0001289。2015美国土木工程师学会版权所有。
作者关键词：木结构；地震工程；抗震设计；延性；预制混凝土；木结构。
介绍
结构蒙皮在建筑实践中用于提高和调整建筑物的坚固性或提高其温湿度性能。在北欧，特别是英国，砖砌木框架早就被使用，但外壳只有美观和保护功能，没有结构功能。这种解决方案不适用于地震区的建筑，因为外部砖包层区域增加了建筑的整体质量，而没有提高其抗侧剪能力。此外，两种结构（即内部木结构和砖覆层）的柔韧性和延展性不同，并且可能与地震事件中的不可预知的影响相互作用。为了验证这种结构表皮的真实反应以及外部砖套管和内部木质剪力墙之间连接系统的规范，2000年在布雷卡丁顿（V ahik 2006）对一栋六层的木框架建筑进行了测试，该项目涉及布雷公共管理部门之间的合作，贸易技术和木材工业。在加拿大和北美，由木框架和石膏板组合而成的提高抗侧剪性能的混合剪力墙已经得到了广泛的研究，并且已经得到了广泛的应用（例如，Karacabeyli和Ceccotti，1997年）。在阿尔卑斯山地区和北欧，由纤维增强石膏板支撑的木框架构成的建筑系统越来越普遍，许多研究正在进行，以验证这种墙在水平力作用下的结构响应（例如，Amadio等人。2007年）。本文报道了一种新型混合结构体系的试验、分析和数值研究结果，该体系由一个木框架和一个外部钢筋混凝土蒙皮组合而成。
施工系统说明
新开发的混合结构体系结合了典型的平台框架剪力墙和外部钢筋混凝土板，作为抵抗水平力的辅助支撑系统。它们还允许在钢筋混凝土板和木结构之间产生通风室（图1（a）），其在地基和屋顶上敞开，并沿着建筑物的整个高度连续。这个房间允许在墙的表面皮肤后面有一个连续的自然气流。通风室的热、湿度和声学效果的分析和实验评估仍在进行中。结果将发表在即将出版的工作中，这些问题不在本工作的范围内。所提出的施工体系是一个模块化的结构体系，由长径比为3∶1的单个预制模块连接而成的混合木钢筋混凝土剪力墙。图1（b）示出了高度为3.24 m、宽度为1.08 m的基本模块化面板。包括三块108times;108times;4cm的钢筋混凝土板。选择这种尺寸的钢筋混凝土板是为了制造约束，并考虑到住宅建筑中通常要保证的层间高度。木框架不同于标准平台框架建筑，因为垂直螺柱的间距不取决于OSB板的尺寸，而是取决于外部混凝土板的尺寸。混凝土板的尺寸影响墙体的力学特性，但不影响钢筋混凝土板与木平台框架耦合的思想。本工程仅考虑108times;108cm混凝土板。尽管如此
1意大利帕多瓦大学土木、环境和建筑工程系土木工程师，via Marzolo 9，35131 Padova（通讯作者）。电子邮箱：luca.pozza@dica.unipd.it
2Research Associate and Civil Engineer，Dept.of Civil，Environmental and Architectural Engineering，Univ.of Padova，via Marzolo 9，35131 Padova，Italy。帕多瓦大学土木、环境和建筑工程系，
3Ph.D.研究员和土木工程师，via Marzolo 9，35131 Padova，意大利。
4意大利国家研究委员会树木和木材研究所（CNR IV ALSA）研究助理和土木工程师，途经Biasi 75，38010 San Michele allAdige（TN）。
5意大利埃内齐亚大学国际大学副教授兼土木工程师。注意。本手稿于2014年5月29日提交，2015年1月26日批准，2015年4月6日在线出版。讨论期至2015年9月6日；必须为单独的论文提交单独的讨论。本文是《结构工程学报》的一部分，ASCE，ISSN 0733-9445/E4015003（12）/$25.00
图1.（彩色）预装配模块化面板视图：（a）通风室详图；（b）系统详图
本文给出的分析和实验方法具有普遍的有效性。两种结构体系形成混合木混凝土墙具有不同的功能：重力荷载仅由木框架结构支撑，它将自身的重量和施加的死荷载和活竖向荷载传递给地基，而水平作用（即风和地震冲击）由OSB板和RC板支撑。在检查的墙壁中，15 mm厚的OSB/3面板用1.46times;60 mm的钉子连接到框架上，而钢筋混凝土板用两个10times;120 mm的螺钉连接到框架上。这些螺钉与塑料衬套相连接，塑料衬套的设计适合于响应特定功能，它们减少了混凝土板和螺钉之间的间隙，而无需密封剂，它们充当木框架水平横梁和混凝土板之间的垫片，从而形成通风室。无花果。1和2显示了模块化面板组装和钢筋混凝土板紧固系统的详细信息，表1列出了连接的详细尺寸。楼板采用编织钢丝网加固，4@60times;60mm。图3给出了钢筋混凝土板的细节。两个相邻的模块化面板由一个垂直的木制螺柱（矩形截面160times;80 mm）连接，并用螺钉固定在两个面板上
图2.塑料衬套和螺钉（颜色）详图
带8times;140@150 mm螺钉。该构件还支撑地板和屋顶梁。模块化墙板被锚定在基础上，并保持固定和螺栓，以避免摇摆和滑移效应，分别。压具由3 mm压条L型钢制成
表1.连接和锚固的详细尺寸
连接件
模块化面板的连接部件 类型 尺寸 编号/间距
OSB面板至木框架 装订 1.46times;12times;60毫米 沿边缘40 mm
钢筋混凝土板至木框架 带塑料衬套的螺钉 10times;120毫米 每侧2个
用木螺柱（160times;80 mm）进行面板到面板的连接 螺钉 8times;140毫米 150毫米
木框架基础 压板 4times;60mm环钉 每个压具24 24
螺栓 12times;80毫米 3
图3.钢筋混凝土板（颜色）详图
采用S275镀锌钢，位于模块立柱和接头盖螺柱之间的角落。持枪者钉有二十四times;4times;60毫米的环钉每侧垂直结构，并连接到混凝土基础与适当的锚，作为标准举行。在每个面板中，木框架的底部横梁和底部混凝土板都用12毫米直径的混凝土螺钉固定在混凝土基础上，以防止滑移（图4）。Pozza（2013）对连接系统和专门为这一创新建筑系统开发的结构细节进行了更广泛的描述。
对抗剪性能进行了分析评估
初步试验分别分析了OSB板和钢筋混凝土板（Pozza 2013）对抗剪性能的贡献。结果表明，两个支撑系统在相同的极限位移下达到最大阻力。这一证据将每个墙板的极限抗剪强度定义为两个支撑系统贡献的总和。在任何情况下，它都受到压紧力和抗剪螺栓能力的限制，单个面板的强度由最弱的机制。在本节中，根据欧洲规范5（CEN 2009）中给出的分析方程定义每个机构的强度。OSB板抗剪强度的评估基于表2中根据Johansen理论对钉书钉的规定。根据Johansen方程[CEN 2009，等式（8.10）]，确定了连接钢筋混凝土板和木框架的螺钉的承载能力。表3中的结果是通过考虑厚钢板与木材之间的连接以及两个塑性铰链形成的Ewi型延性破坏模式而得到的，忽略了绳索效应的影响。作为OSB和RC面板贡献的总和，获得的总特征支撑强度等于34.90 kN。钢筋混凝土板的贡献略大于OSB板的贡献。模块化墙板的设计还必须考虑压具和基础剪力连接的破坏。在承载力设计方法中， 应针对此类破坏模式应用适当的超设计系数，以确保支撑系统（OSB面板和RC板）的延性破坏，从而导致结构系统的最薄弱部分。假设压具仅用于平衡墙壁上的倾覆力矩，而基础抗剪螺栓则避免滑动效应（Popovski等人。2014年）。根据这一简化方法，与基座和基础剪切螺栓强度相容的最大基础剪力分别为59.9和67.9 kN。这两个值大于支撑板给出的阻力，因此，可以确保承载力设计标准。
表2.定向刨花板抗剪性能评价
几何力学参数 符号 值 单位当量直径 深度 1.46 毫米
钉冠宽度 b 12 毫米
沿着边缘 i 40 毫米
钢丝的抗拉强度 fu 800 兆帕
每条腿的屈服力矩Mk 886.8 牛毫米
OSB面板厚度 tOSB 15 毫米
每根钉的承载能力Fk钉 0.72 千牛
OSB面板宽度 B 820 毫米
侧墙板特征 Rk OSB 15.1 千牛
电阻OSB贡献
表3.钢筋混凝土板的抗剪性能评价
几何和机械参数 符号 值 单位
螺杆直径 d 10 毫米
螺钉长度 L 120 mm
抗拉强度，螺钉 fu 600 MPa
混凝土板厚度 Tslab 40 mm
木框架特征埋置强度fh；k 25.83 MPa
特征屈服力矩 My；Rk 71659.3 Nmm
每个螺钉承载力 Fk 螺钉 9.90 k n
螺钉数量 n 2 -
侧墙板特征 Rk；板 19.80 kN
电阻混凝土板贡献
注：-=。
实验测试
进行了一系列的试验，以验证所研究的建筑系统的阻力和滞回性能。建筑的结构布局和主要特点
图4.基础（彩色）锚固系统
随后介绍了试验墙（连接件和支撑系统）。给出了准静态循环加载试验的试验布置、仪器、加载条件和试验方案。然后报告测试结果。
测试墙配置
测试了三种墙结构：A墙，长宽比3∶1（3.24m高，1.08m宽，一块模块化面板）；B墙，长宽比3∶2（3.24m高，2.16m宽，两块相邻模块化面板）；C墙，中心面板有一个开口，长宽比1∶1（3.24m高，3.24m长，三块相邻模块化面板）。为了简洁起见，仅给出了墙B和墙C的试验结果，即墙A的试验结果与其他试验结果非常一致，可在（Pozza 2013）中找到。
测试设置和仪器
在两个不同的实验室设施中，分别对墙B和墙C进行了瞬间测试。在这两种情况下，实现了RC基金会忠实地再现实际应用中的基础连接。图5显示了用于墙B的试验装置。三个液压执行机构施加20 kN=m的等效垂直荷载，放置在与垂直木柱相对应的位置。与顶部水平梁接触的横向导轨用于避免平面外移动。为了平衡扭转效应并确保试样顶部的单向移动，对C壁进行了背对背的双壁试验。多个执行机构在每面墙顶部施加20 kN=m的均匀垂直荷载。在20 kN=m的垂直荷载作用下进行两次试验的选择与周边的平均重力荷载一致三层住宅楼的墙壁。此外，该荷载条件与用于表征CLT墙性能的荷载条件一致（Ceccotti 2008；Gavric等人。2011年）。用传感器测量面板和紧固件的位移，如图5所示。
试验程序
根据位移控制中的EN 12512（CEN 2006）进行循环加载试验。这种试验方案要求对试件的屈服位移vyo进行初步评估。在单板墙试验的基础上，A的参考屈服位移vy；ref估计为24mm。假定最大施加的顶部位移不能超过壁完全失效时的最终漂移，在实践中，在这两种情况下，它受到测试设置的限制。在壁B上的试验中，致动器的最大伸长为100毫米，并且在达到壁的极限强度之前停止测试。此外，由于循环荷载试验装置的技术限制，试验在约80 mm的顶部位移处停止，因此未达到墙C的极限强度和位移。在任何情况下，这些位移限值分别对应于3.1%和2.5%的层间位移，如果与剪力墙在强震作用下承受的值相比，这两个值非常大。此外，这些限制与剪力墙抗震性能的各种研究（例如，Ceccotti和Sandhaas 2010；Gavric等人。2014年）。这些限值足以估计受试墙的抗震能力。然而，在循环加载程序后，对墙C进行单调试验，直到墙的实际极限位移。
试验结果
图6显示了绘制施加的顶部位移和执行机构施加的相应力的结果。墙B的荷载-滑移曲线是不对称的，因为只有在最大振幅下才能进行拉力循环，因为侧向导引证明不足以防止高推力下墙的平面外失稳。如图6所示，在循环阶段，壁C未出现破坏或实质性强度降低现象。为验证系统的极限横向荷
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