木结构抗震性能研究方法研究

木结构抗震性能研究方法研究

张铧卿  刘承源  徐仁灏  汪永为  刘建行

云南大学建筑与规划学院（云南昆明650031）

摘要：本文综述了木结构抗震性能研究方法，并探讨了其在抗震设计中的优势和挑战。首先介绍了木结构抗震性能评估的基本原理和目标，包括定量和定性评估方法，并分析了各种评估方法的优缺点和适用范围。接着介绍了木结构抗震性能试验研究，包括静力试验和动力试验，以评估木结构的刚度、强度、耗能能力等性能。此外，还介绍了数值模拟分析方法，包括有限元分析和离散元模拟，用于模拟地震载荷下的结构响应。然后，讨论了结构参数优化方法，包括参数灵敏度分析和多目标优化，以提高木结构的抗震性能。进一步介绍了统计分析和可靠性评估方法，用于预测木结构在地震中的性能表现和确定结构的失效概率和安全系数。最后，总结了本文的主要内容，并强调了木结构抗震性能研究的重要性和应用前景，并提出了进一步研究的建议和展望。

关键词：木结构；抗震性能；研究方法

Abstract:This article reviews methods for studying the seismic performance of timber structures and discusses their advantages and challenges in seismic design. First, the basic principles and objectives of the seismic performance evaluation of wooden structures are introduced, including quantitative and qualitative evaluation methods, and the advantages, disadvantages and scope of application of various evaluation methods are analyzed. Then the experimental research on the seismic performance of wooden structures is introduced, including static tests and dynamic tests to evaluate the stiffness, strength, energy dissipation capacity and other properties of wooden structures. In addition, numerical simulation analysis methods, including finite element analysis and discrete element simulation, are introduced for simulating structural response under seismic loading. Then, structural parameter optimization methods, including parameter sensitivity analysis and multi-objective optimization, are discussed to improve the seismic performance of wooden structures. Statistical analysis and reliability assessment methods are further introduced, which are used to predict the performance of wooden structures in earthquakes and determine the failure probability and safety factor of the structure. Finally, the main content of this article is summarized, the importance and application prospects of research on the seismic performance of wooden structures are emphasized, and suggestions and prospects for further research are put forward.

Keywords:Wooden structure; Seismic performance;research method

一．引言

木结构作为一种传统且可持续的建筑材料，近年来在抗震设计领域引起了广泛关注。木结构具有较好的抗震性能，但也存在一些挑战。因此，研究木结构的抗震性能及其评估方法对于提高木结构建筑的抗震能力具有重要意义。

木结构在抗震设计中的优势主要体现在其轻质、高强度和良好的耗能能力上。相比于传统的混凝土和钢结构，木结构具有较低的质量和较高的强度重量比，能够减轻地震荷载对结构的影响[1]。此外，木材具有良好的耗能能力，能够有效地吸收地震能量，提高结构的抗震性能。

然而，木结构在抗震设计中也面临着一些挑战。木材的非线性、各向异性和湿度变化等特性使得木结构的抗震性能评估更加复杂。此外，木结构的连接方式、设计规范和施工工艺等方面也需要进一步研究和改进。

二．抗震性能试验

抗震性能试验是评估木结构抗震性能的重要手段之一，包括静力试验和动力试验。静力试验通过施加静态荷载评估结构的刚度、强度和变形特性，而动力试验则模拟地震动态响应，评估结构的振动特性和耗能能力[3]。这些试验提供实验数据支持，验证和完善抗震设计方法，对于提高木结构的抗震性能具有重要意义。

1.静力试验

研究木结构的抗震性能是确保建筑结构在地震中具备足够强度和稳定性的关键任务之一。而静力试验作为评估木结构抗震性能的重要手段，通过施加静态荷载，测量木结构的位移、应变和力学响应等参数，为设计和改进木结构提供了有力的实验依据[2]。

静力试验的目标是评估木结构在地震荷载下的刚度、强度和耗能能力等性能指标。通过施加静态荷载，可以获得木结构的力学响应曲线，揭示其在不同荷载水平下的力学行为。静力试验的步骤主要包括试验方案设计、传感器安装、试验加载和数据处理与分析。

静力试验的优点在于可以直观地反映木结构在静态加载下的力学性能。通过静力试验，可以评估木结构的刚度、强度和变形能力[3]，为设计和优化木结构提供依据。然而，静力试验无法模拟地震时的动态响应，因此需要结合动力试验等其他试验方法，以更全面地评估木结构的抗震性能。

2.动力实验

动力试验是通过模拟地震作用下的动态响应，评估木结构的抗震性能。常见的动力试验方法包括振动台试验和振动器试验。

振动台试验：振动台试验是将木结构试件安装在振动台上，通过振动台产生的地震波动态加载木结构，模拟真实地震条件下的响应[4]。在试验过程中，可以测量木结构的位移、加速度、应变等参数，并分析其动态响应特性。振动器试验：振动器试验是利用振动器施加特定频率和振幅的振动，模拟地震的动态作用。通过在木结构试件上安装加速度计、位移计等传感器，可以测量和分析木结构的动态响应。

动力试验更真实地模拟地震下木结构的响应，评估其抗震性能。通过分析动态试验数据，得到木结构的动力特性、振动模态、耗能能力等信息。动力试验能提供更全面的抗震性能评估，为木结构设计和改进提供重要依据。

三．数值模拟分析

数值模拟分析是研究木结构抗震性能的重要方法之一。其中，有限元分析和离散元模拟是常用的数值模拟方法，可用于模拟木结构在地震载荷下的结构响应，评估其刚度、强度、位移等性能。

1.有限元分析

有限元分析是一种广泛应用于结构力学领域的数值分析技术，通过将结构划分为有限数量的单元，建立数学模型来模拟结构的力学行为[5]。在木结构的抗震性能研究中，有限元分析能够提供精细的应力、应变和位移分布，以及结构的动态响应。

在有限元分析中，首先需要建立木结构的几何模型。通过有限元软件，可以将结构离散为多个单元，如梁单元、柱单元和板单元等，以及节点等连接关系[15][16]。然后，需要定义材料的力学性质和边界条件，包括弹性模量、材料的屈服强度和断裂韧性等参数。施加地震载荷，并进行静态或动态分析。通过求解结构的刚度矩阵和荷载向量，计算节点的位移、单元的应力和应变，进而得到结构的响应。通过分析结果，可以评估结构的刚度、强度、位移等性能指标，如最大位移、最大应力和塑性变形等。

有限元分析的优点在于能够考虑结构的复杂几何形状和非线性行为，提供详细的应力、应变和位移分布。它还可以进行参数敏感性分析和优化设计，以改进结构的抗震性能。然而，有限元分析也存在一些局限性[6]，如计算成本较高、模型假设的影响等，需要合理选择模型和参数，以保证分析结果的准确性。

2.离散元模拟

离散元模拟是一种基于颗粒或单元离散的数值模拟方法，适用于模拟固体材料的变形和破坏过程。在木结构的抗震性能研究中，离散元模拟能够考虑结构的非线性行为和破坏过程，揭示结构在地震作用下的力学响应。

离散元模拟将木结构划分为离散的单元或颗粒，每个单元或颗粒具有自己的质量、几何形状和力学性质。模拟过程中，考虑单元之间的相互作用和约束关系，通过求解牛顿方程和接触力等方程，模拟结构的变形和破坏过程[7]。

在离散元模拟中，需要定义单元或颗粒的力学性质、摩擦系数和断裂准则等参数。通过施加地震载荷和边界条件，模拟结构的动态响应，并获得位移、应力和应变等信息。通过分析结果，可以评估结构的刚度、强度、变形能力和破坏模式等性能指标。

离散元模拟优点在于考虑结构非线性和破坏过程，揭示力学行为，进行参数敏感性分析和优化设计。然而，模型建立成本高，参数选择和尺寸影响准确性，仅限于二维模型，难以模拟复杂三维结构。

四、结构参数优化

结构参数优化是提高木结构抗震性能的关键步骤之一。通过参数灵敏度分析和多目标优化，可以确定关键参数的优化范围，并寻找最佳设计方案，以提高结构的刚度、强度、位移等抗震性能指标[8]。

1.参数灵敏度分析

参数灵敏度分析是评估结构参数对抗震性能影响程度的方法。通过改变木结构的关键参数，例如截面尺寸、材料性质、连接方式等，分析这些参数对结构的刚度、强度、位移等性能指标的影响。

在参数灵敏度分析中，通常采用数值模拟方法（如有限元分析）或经验公式进行计算[9]。通过逐步改变参数值，对每个参数进行分析，观察其对性能指标的影响程度。这样可以确定哪些参数对结构性能具有重要影响，并确定这些参数的优化范围。

参数灵敏度分析的结果可以帮助工程师了解结构参数的重要性和优化方向。根据分析结果，可以调整关键参数的数值，以提高抗震性能。

2.多目标优化

多目标优化是通过考虑多个指标的优化问题，寻找最佳设计方案。在木结构的抗震设计中，除了刚度、强度和位移等基本性能指标，还可以考虑其他因素，如结构的经济性、施工可行性等。

多目标优化通常使用优化算法进行求解，如遗传算法、粒子群算法等。这些算法通过在设计空间中搜索最优解[10]，考虑不同性能指标之间的权衡和折中，找到能够最大限度满足多个目标的设计方案。

在多目标优化中，首先需要定义目标函数和约束条件。目标函数可以是结构的各项性能指标，约束条件可以包括结构的几何约束、强度约束、位移约束等。然后，通过优化算法进行搜索，生成一组满足约束条件的最优解。

通过参数灵敏度分析和多目标优化，可以针对木结构的抗震性能进行参数调整和设计优化。这样可以提高结构的刚度、强度、位移等性能指标，并满足其他设计要求，如经济性和可行性。这些方法为工程师提供了有力的工具，以优化木结构的抗震设计，提高结构的整体性能。

五、结构参数优化

木结构参数优化是一种通过改变木结构的关键参数，以提高其抗震性能的方法。通过参数灵敏度分析和多目标优化，可以确定关键参数的优化范围，并利用优化算法寻找最佳设计方案。该方法能够有效地提高木结构的刚度、强度、位移等性能，从而增强其抗震能力。通过优化木结构的参数，我们能够实现结构的最佳设计，提高其整体的安全性和可靠性，为抗震设计提供更好的解决方案[11]。

1.统计学方法：

统计学方法可以帮助研究地震荷载和木结构性能之间的关系，预测结构在地震中的性能表现。通过对地震数据和木结构性能数据的统计分析，可以获得地震荷载的概率分布以及结构响应的统计特性。

首先，对于地震数据的统计分析，可以利用历史地震数据或地震目录中的地震参数（如震级、震中距、地震频谱等），进行概率分布拟合和参数估计[12]。常见的地震概率分布包括高斯分布、泊松分布、指数分布等。这些地震概率分布可以用来描述地震荷载的统计特性。

其次，对于木结构性能数据的统计分析，可以通过实验数据或经验公式，获得结构性能指标（如刚度、强度、位移等）的概率分布。这些概率分布可以用来描述结构性能的随机变化特性。进一步，通过将地震荷载和结构性能数据结合起来，可以进行地震响应分析。这包括基于概率的地震响应谱分析、可靠度分析等。通过模拟地震荷载和结构响应之间的随机关系，可以预测结构在地震中的性能表现，如位移响应、应力响应等。

2.可靠性评估

可靠性评估是基于概率理论和可靠性分析方法，对木结构在地震作用下的可靠性进行评估，确定结构的失效概率和安全系数。

在可靠性评估中，首先需要建立结构的可靠性模型。该模型包括地震荷载模型、结构响应模型和失效准则。地震荷载模型描述了地震荷载的概率分布和统计特性[13]；结构响应模型描述了结构的响应特性，通常采用有限元分析或基于经验公式的方法；失效准则是用来判断结构失效的标准，例如超过某个位移限值或应力限值。

然后，通过可靠性分析方法，如蒙特卡洛模拟、可靠度指数法等，对可靠性模型进行求解。这些方法基于概率理论和统计学原理[14]，通过随机抽样和大量计算，评估结构的失效概率和安全系数。失效概率表示结构在地震作用下发生失效的概率，安全系数则是结构设计的可靠性指标，用于确保结构的安全性。

通过统计学方法和可靠性评估，可以对木结构在地震作用下的性能进行分析和评估，为设计和决策提供科学依据，并提高结构的抗震性能和可靠性。

六、结论

本文研究了木结构抗震性能研究的方法和应用。通过对木结构抗震性能评估的基本原理和目标的介绍，我们了解到了定量和定性方法在评估木结构抗震性能方面的作用。抗震性能试验作为一种重要的手段，包括静力试验和动力试验，可以对木结构的刚度、强度、耗能能力等性能进行测量和评估。

数值模拟分析在木结构抗震性能研究中也起到了关键作用。有限元分析和离散元模拟是常用的数值模拟方法，可以模拟木结构在地震作用下的响应，评估其性能表现。此外，结构参数优化是提高木结构抗震性能的重要方法之一。通过参数灵敏度分析和多目标优化，可以确定关键参数的优化范围，并寻找最佳设计方案。统计分析与可靠性评估可以帮助我们理解地震荷载和木结构性能之间的关系，并预测结构在地震中的性能表现。这些方法基于概率理论和可靠性分析方法，提供了对木结构抗震性能可靠性的评估。

木结构抗震性能研究的方法包括抗震性能试验、数值模拟分析、结构参数优化以及统计分析与可靠性评估。这些方法的应用为提高木结构抗震性能提供了有效的手段。未来的研究可以进一步深入探讨这些方法的应用，结合实际工程案例，进一步优化木结构的抗震性能，以应对地震风险，推动木结构在抗震设计中的广泛应用。

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[12]杨斌.建筑的结构参数化优化设计方法研究[J].房地产世界,2023,(12):46-48.

[13]刘萍.桩锚支护结构参数优化有限元分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2016,32(05):797-803.

【作者简介】张铧卿（2002.07-），男，汉族，河南省灵宝市人，云南大学建筑与规划学院土木工程专业（中外合作办学）本科在读，主要研究方向：结构抗震。