前束螺丝交叉叠层木剪力墙三线性Pushover设计建模外文翻译资料

 2022-08-03 02:08

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前束螺丝交叉叠层木剪力墙三线性Pushover设计建模

摘要：尽管前束钉在轻框住宅建设中已是普遍的做法，但在交叉叠合木( CLT )剪力墙中使用前束钉的情况尚未调查。试验采用斜垫头的CLT剪力墙，自攻螺丝沿墙底边缘安装在楼板中，以评价剪力墙连接性能。试验几何代表多层木结构建筑墙体顶部和底部的平台施工墙地条件。在单调和循环荷载作用下，对3个CLT剪力墙连接节点——等间距前束螺钉、组合式前束螺钉以及前束螺钉与支座组合进行了试验。采用2∶1长宽比的全尺寸CLT墙，将其与其他CLT金属连接、轻型框架-剪力墙( LFSWs )的性能进行了比较，并设计方法。提取墙体性能、骨架曲线、延性、等效能量弹塑性( EEEP )曲线、标准理想化构件骨架、非线性建模参数和验收准则进行非线性静力Pushover分析。由于连接装配试验中发现的头部拉穿破坏模式，钉螺( TS ) CLT剪力墙表现出明显的耗能。所有试验均有明显的滞回捏缩和CLT损伤。墙壁显示2.6 % -3.7 %的漂移和良好的强度，快速的二级骨干退化。与其他CLT金属连接和LFSWs相比，采用部分螺纹、垫头螺钉的前束螺钉CLT剪切连接具有高强度、刚度、大滞后环和延性。等间距和分组的前束螺钉连接条件显示3.4 %的漂移能力，强度和能量耗散可与文献中的壁连接相当。与相同和分组的前束螺钉墙相比，带有前束螺钉和固定的墙具有更高的强度、更低的漂移能力和更好的刚度。研究结果提示，在抗侧力系统中，垫头、部分螺纹前束螺钉是一种可行的连接方式。 DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0002683. copy; 2020美国公民学会工程师。

作者关键词：交叉叠合木、自攻螺丝、前束螺丝、剪力墙、连接设计、非线性建模。

等效-能量-弹塑性( EEEP )曲线，ASCE / SEI 41，Pushover分析。

引言

尽管美国住宅建设以木材的使用为主，但2011年新建的非住宅木结构建筑仅占全部低层( lt; 6层)建筑的12 %。低层建筑以混凝土( 25 % )和钢材( 63 % )建筑为主( APA 2011 )。传统上，木材由于建筑防火规范、构件强度较低、可用结构木构件尺寸较小等原因，已不太适用于非住宅建筑。然而，大量木材，特别是交叉叠层木材( CLT )为木材在更大的结构中使用提供了一个重要机会，因为CLT具有高的强重比、高达3小时的防火性能、低的体现能和制造灵活性( Mallo和Espinoza 2014 )。随着国际建筑法规的重大变化，新增建筑类型( AWC 2018 )和CLT的性能得到证实，对大量木材的需求有望增长( Podesto和Breneman 2016 )。地震活动性相对较高的地区，如美国太平洋沿岸，是人们在设计抗侧力体系( LFRSs )时可以利用大量木材的高强重比的地区。

CLTisa木板由尺寸木材的胶合交替层制造，在欧洲开发。目前，CLTis在美国逐渐普及，其中CLT制作和性能等级由ANSI / APA PRG 320 - 2017标准( ANSI / APA 2017 )规定。随着CLT需求的增长，工程师们已经体验到建筑师和客户对建筑使用CLT的更高要求。CLT在大型结构中的应用是由于缺乏实用的工程知识，木材设计指南不完整，应用和基础研究不足。海量木板连接构成一个需要更多研究的领域(林产品实验室2018 )。本文描述了在轻型框架木结构中长期使用的延伸前束钉，到目前采用CLT面板和自攻螺钉( STSs )作为前束钉的木材技术。它直接解决了TS CLT剪力墙在静置不足的行为上的一个缺口。

CLT具有足够的强度和刚度，可作为剪力墙和隔板中的主要LFRS构件( Brandner等[ 5 ] )。2017，Gavric et al . 2015a )。然而，CLT作为一种结构元素，相对于LFSWs，其延性较小( Shahnewaz等[ 5 ] )。2017 )。使用CLT的LFRS通过接受稳健设计连接的损伤而提供延性和显著的能量耗散。先前的研究建议将正交的CLT面板与倾斜连接STS (前束螺钉化)可以提供足够强度和延性的连接，使CLT剪力墙成为可行的( Fitzgerald等[ 5 ] )。2019，Gavric et al . 2015b )。本工程的目标是确定TS CLT剪力墙能否抵抗显著的荷载、可预测的破坏和抗震可行。具体目标如下：

· 表征TS CLT剪力墙的性能。

· 确定改变前束螺钉布局对壁面响应的影响。

· 识别TS CLT剪力墙中是否出现一致和可取的失效模式。

· 确定现行设计方法适当预测墙体强度的能力。

· 开发等效-能量-弹塑性( EEEP )曲线，用于今后的建模和系统比较。

· 提取TS CLT剪力墙连接建筑物非线性静力Pushover分析所需的ASCE / SEI 41 - 17建模参数。

背景

随着美国继续增加CLT在结构中的使用，需要更好地了解CLT连接特性和设计方法，以提高结构性能和安全性。对于CLT在设计指南和代码中被充分接受存在着关键的研究空白。要填补研究空白，必须重点关注连接的抗震性能等关键领域(林产品实验室2018，Pei等)。2016 )。

在结构上，CLT在三个材料轴上均能承受显著的载荷，具有较高的面内刚度，具有较高的强重比。这些特性使其适用于重力和侧向抗力系统。Popovski和Gavric ( 2015 )认为，CLT剪力墙在侧向荷载作用下的反应主要受其连接件的性能控制，延性连接件可以获得良好的CLT抗震性能。有希望的CLT剪力墙抗震性能已被多个研究人员证实( Ceccotti等人)。2013，Fragiacomo等. 2011，Gavric et al . 2014年，van de Lindt et al . 2019，Shen et al . 2013 )。交叉叠层的存在为胶合木或实锯木上的连接提供了更高的尺寸稳定性和更高的抗劈裂能力。这两个特点对于CLT剪力墙来说都至关重要，因为连接是典型的破坏点。

由于CLT本身并不耗散显著的能量，conctions必须提供这种效益。因此，要安全设计CLT建筑，必须采用单调和循环荷载对抗侧力连接进行研究，以捕捉地震和风荷载响应。《CLT手册》( FPInnovations 2013 )和《国家木结构设计规范》( AWC 2014 )已在有限的设计指导下编制和更新。此外，《建筑物和其他结构的最小设计荷载及相关准则》( ASCE 7 ) ( ASCE / AEI 2017a )没有用于设计低层建筑物的抗震设计因素，而获得市政规范的接受往往具有挑战性。制定地震去符号因子的研究正在进行中( Amini等[ 5 ] )。2018年)，但这些研究侧重于角度型支架。另一种可行的连接方案是在基于性能的设计中使用TS CLT和ASCE / SEI 41 - 17非线性静力程序( ASCE 41-NSP ) ( ASCE / SEI 2017b )代替ASCE 7个抗震设计因素。ASCE 41 - NSP拟用于只有一个显著振型的建筑( Chopra 2017 )，最好用于较短结构(约4 sto-ries )。或者，可以利用本文给出的TS剪力墙构件响应的非线性建模特性进行模态Pushover分析( MPA )。

在确定CLT剪力墙类型和选择合适的设计方法时，常用两种运动分类准则。这种分类依赖于主导侧向变形的运动类型以及面内相邻CLT墙之间的相互作用( Gavric et al . 2015a )。Gavric et al . ( 2015a )发现侧向加载的CLT剪力墙主要表现为摇摆和滑动两种行为。摇摆和滑动都是典型存在的，但一种模式通常占主导地位。对于多层建筑，摇摆墙是首选的，因为它可以复盖内力，将结构顶回铅垂( Hashemi et al .，2018 )。摇摆或滑动量由墙高比、竖向荷载、连接形式等多因素决定。

CLT剪力墙具有多种连接条件，如墙与地基、墙与地板、墙与墙之间的连接。墙体与楼板的连接是本文研究的重点，因为它是承台建筑中传递剪力的关键连接。Gavric et al . ( 2015b )对12个不同螺纹CLT连接的正装STS进行了广泛的试验，发现当头拉通失效占主导地位时，可获得良好的延性。连接组件测试由Fitzgerald等人进行。( 2019 )表明，在拉力和面内剪切作用下，采用垫圈头、部分螺纹自攻前束螺钉的CLT连接具有较高的延性、较大的主滞回环和显著的强度。Fitzgerald et al . ( 2019 )还提出了一种可供选择的隆起设计( AUD )方法，与观测的试验结果相比，具有良好的一致性和保守性。计算示例见Fitzgerald ( 2019 )。

Gavric et al . ( 2015a )测试了16个CLT全尺寸剪力墙结构，包括单墙和连墙，采用金属角度和扣件。使用EN 12512 ( CEN 2001 )，他们发现sin-gle墙的面内挠度可忽略不计，强度性能低于10 % COV，平均延性为4.8。Gavric et al . ( 2015a )还提议根据主要的运动类型对耦合CLT剪力墙进行分类：耦合、单耦合或单墙行为。《CLT手册》( FPInnovation2013 )第4章包含33种不同的单墙和耦合墙试验装置，采用两种不同的角度，两种不同的压紧方式，STS、钉子和木铆钉。本文最相关的CLT墙体试验是Wall 22和22B，均等间距分组，双螺纹6.5 times; 130 mm，45 °自攻前束螺钉。TS墙因STS撤离而失效，延性显著，但能量耗散很小。基于Wall 22和22B试验，抗震剪力墙不推荐TS STS。STS撤退或断裂是典型的高线程长度STS ( Fitzgerald et al . 2019，Piazza等. 2011，Tomasi et al . 2010 )且一般提供相对于LFSWs或金属托下和角度连接器的少量能量耗散。然而，脚前束螺钉、垫圈头、部分螺纹STS，如ASSY SK螺钉，由于稳定的头拉穿失效，在CLT连接中具有大量塑性变形和耗能能力( Fitzgerald等人)。2019 )。

综述的文献表明，CLT墙体中的摇摆作用是设计的重要因素，对于较高的建筑，摇摆先判断摇摆墙。CLT具有很高的面内刚度，不会耗散大量的能量，因此要求连接具有延性和耗能能力。最后，综述的文献表明，尽管近年来脚前束螺钉具有耗散能量和提供显著强度的能力，但广泛关注角度支架和支撑连接，缺乏TS连接的研究。

图1 .典型的测试设置。每个底角的LVDT [ A ]，等间距的脚前束螺钉[ B ]，CLT基锚栓[ C ]，两个转向节的作动器允许自由壁面旋转[ D ]，系杆锚栓阻止滑枕从壁面上滑落[ E ]。

图2.典型的TS墙基设置。LVDT测量墙滑块[ A ]，沉脚螺钉[ B ]，以及代表地板的CLT基座[ C ]。

表1 .测试矩阵

系列 试验ID 装载 数量 连接类型 连接描述

1 11 循环的匝道 1 等间距( E ) 12对TS同等间距152毫米

12-14 3

2 21 循环的匝道 1 分组( G ) 6个TS对间隔76mm，

22-24 3 然后5个间隔152 mm，

然后6 个间隔 76 mm

3 31 循环的匝道 1 混合( H) 10个TS对以壁面为中心间隔

32-34 3 76 mm，每个壁面端

1个HDQ8保持

材料与方法

样品和测试

对三种不同的TS CLT摇摆墙连接进行单调和循环加载试验。对数据进行分析，提取总体特征和ASCE / SEI 41 - 17 ( ASCE 41 )木构件建模参数，与其他墙体连接方式进行比较。遵循ASTM E2126进行测试，并注意到任何明显偏差( ASTM 2018 )。典型的测试装置如图所示1和2。

CLT墙高3.66 m，宽1.83 m，长宽比为2。选择长宽比来诱导一个主导的摇摆动作，以强调脚前束螺钉的握住强度。用ASSY SK 6times;200 mm STSs将墙板宽度脚前束拧成V12.44 mtimes;0.46 m三层CLT底板，用10根大方形板垫圈螺栓锚固于强楼板上，每隔6片墙体各测试2次。第一次试验后，CLT地板被剪掉。然后，壁板被翻转到自上而下，并重新连接到一个新的CLT地板上进行另一个测试。共进行了12次CLT墙体试验(表1 )。每个测试系列，由最初的数字1、2或3注释，有一个初步的单调测试，然后是三个循环测试，共有四个测试跨越两个壁板。系列1在墙两侧152毫米处使用等间距螺钉，共24枚螺钉。系列2采用分组螺钉连接。6枚螺钉安装在距每个墙角76毫米处，5枚螺钉安装在两面墙中心152毫米处，共34枚螺钉。系列3是采用两个HDQ8压下装置的混合连接，用76 mm的SDS螺钉固定，在一个面的每个基角，以每个壁面为中心的10个SK间隔76 mm，共20个SK。HDQ8压杆螺母安装手指紧紧加一转。TS从对面的前束螺钉处偏移76mm。撑杆为5

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