摘 要

国内对轻木—混凝土混合结构的抗震性能研究仍处于起步阶段，对其抗震设计仍沿用了传统的“以刚克刚”的抗震方法，未能从根本解决刚度突变造成的连接处大破坏问题。为了解决这一问题，本文采用一种新的研究思路：在轻木结构与混凝土结构间加入隔震层，形成层间隔震结构，耗散地震能量，减少地震向上部结构的传递作用。本文借助有限元分析软件ANSYS分别建立轻木—混凝土混合结构和轻木—混凝土层间隔震结构，进行地震响应分析，对比分析层间隔震层隔震效果。研究成果如下：

（1）对上部轻木结构和层间隔震层进行简化，分别建立轻木—混凝土混合结构和轻木—混凝土层间隔震结构的有限元模型；

（2）分别对原结构和层间隔震结构进行了模态分析，得到了结构的前十阶基本自振频率、周期与振型，对比分析可得隔震支座的设置可增大结构自振周期，当隔震层在地震作用下产生滑移后，刚度减小，可明显延长结构周期，发挥隔震作用；

（3）分别对原轻木—混凝土混合结构和轻木—混凝土层间隔震结构输入El centro地震波，分析其在在多遇、设防、罕遇烈度下水平地震响应，得到结构各层加速度及水平位移时程曲线，结构最大层间位移与各层相对加速度峰值图表。分析结果表明：隔震支座的设置可同时提高上部轻木结构与下部混凝土框架结构的抗震性能，其中对轻木结构抗震性能提升效果更佳：层间最大侧移与加速度峰值平均减少约20%~30%，很好地发挥了隔震耗能的作用。

关键词：轻木—混凝土混合结构，层间隔震，ANSYS，模态分析，地震响应分析

Abstract

The domestic research on seismic performance of light wood-concrete hybrid structure is still in its infancy. The traditional method improving the structures’stiffness is still used in its seismic design, which fails to fundamentally solve the problem of large joint damage caused by stiffness mutation. In order to solve this problem, this paper adopts a new method: adding a interlayer seismic isolation structure between the balsa-wood structure and the concrete structure, dissipating seismic energy and reducing the transmission of the earthquake to the upper part. The finite element analysis software ANSYS is used to establish the light wood-concrete hybrid structure and the light wood-concrete layer isolation structure in the essay, and the seismic response analysis is carried out to compare and analyze the isolation effect of the interlayer seismic isolation structure. The results are as follows:

(1) Simplifying the upper light wood structure and the interlayer seismic isolation structure, respectively establishing a light wood-concrete mixed structure and a light wood-concrete interlayer seismic isolation structure model;

(2) Respectively performing modal analysis on the original structure and the isolated structure. The first ten-order basic natural vibration frequency, period and the modes of the structure are obtained. The comparative analysis shows that the setting of the interlayer seismic isolation structure can increase the natural vibration period of the structure. When the isolated structure is slipped under the action of earthquake, the stiffness is reduced, which can significantly prolong the structural period and exert the isolation effect;

(3) Respectively inputting the time history curve of the El centro seismic wave for the original light wood-concrete hybrid structure and the light wood-concrete interlayer seismic isolation structure. According to the analysis of the response under the multiple intensity, fortification intensity and rare intensity, the time-history curves of the lateral shift and acceleration of each layer are obtained, and the maximum interlayer displacement and the absolute acceleration peak of each layer are compared and analyzed. According to the analysis, the interlayer seismic isolation structure can improve the seismic performance of the upper light wood structure and the lower concrete frame structure, and the seismic performance improvement of the light wood structure is better: the maximum lateral displacement and acceleration peaks between the layers are reduced about 20% to 30%. Its isolation effect is good.

Key word：light wood-concrete hybrid structure,story isolation,ANSYS,modal analysis, seismic dynamic analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1. 研究的目的和意义 1

1.2. 国内外研究现状 2

1.2.1. 轻木-混凝土混合结构在国外的发展 2

1.2.2. 轻木-混凝土混合结构在国内的发展 3

1.3. 本文的研究思路和主要内容 4

1.3.1. 研究思路 4

1.3.2. 主要内容 4

第2章 轻木-混凝土层间隔震结构体系有限元模型 5

2.1. 引言 5

2.2. 工程概况 5

2.3. 轻木-混凝土混合结构模型 7

2.3.1. 底层混凝土框架模型 7

2.3.2. 上部轻木结构模型 9

2.4. 轻木-混凝土层间隔震结构模型 12

2.5. 有限元模型建立 14

2.6. 本章小结 15

第3章 模态分析 16

3.1. 引言 16

3.2. 模态分析 16

3.3. 本章小结 18

第4章 地震响应时程分析 19

4.1. 引言 19

4.2. 时程分析法 19

4.3. 地震波的选取 20

4.4. 多遇烈度下的地震响应分析 20

4.5. 设防烈度下的地震响应时程分析 26

4.6. 罕遇烈度下的地震响应分析 31

4.7. 本章小结 36

第5章 结论与展望 38

5.1. 结论 38

5.2. 展望 38

参考文献 40

致 谢 42

第1章 绪论

研究的目的和意义

随着国家对环保的大力提倡，木材这一绿色建材在建筑市场中的应用逐渐广泛。轻型木结构是指主要由木构架墙，木楼盖和木屋盖系统构成的结构体系，适用于三层及三层以下的民用建筑^[1]，其中比较常用的为平台式框架轻型木结构。平台式框架轻型木结构是指联合使用紧密排列的规格材部件与外部的覆板，以形成一幢建筑物的基础结构^[2]。其中间距紧密的骨架结构是结构主要受力体系，为结构提供刚性；为内、外墙面板板提供支撑作用；并为安装保温隔热材料留出空间，其结构布置十分安全、灵活。平台式框架轻型木结构具有如下优点：（1）木材资源可再生，可持续性发展；（2）轻木结构施工时方便，不需要大型施工设备，可缩短工期；（3）木质材料轻质，在地震作用下所受地震作用较混凝土结构小，且因木材具有十分好的延性，在地震作用中具有较好的耗能能力，更能保障结构安全；（4）保温隔热性能较混凝土结构更好。平台式框架轻型木结构由墙体、楼面、和屋盖三大主要部分组成^[3]。（见图1.1）

图1.1 轻木结构示意图

但是由于我国人多地少，建造纯轻木结构容积率过低，限制了其在国内的发展，因此近年来提出一种轻木—混凝土混合结构，指上部轻木结构与底层混凝土框架结构相结合而形成的的混合结构体系，上部轻木结构通过预埋连接件与底层混凝土框架结构相连接，以传递荷载。一般上部轻木结构抗侧刚度小于底层框架结构，所以形成上柔下刚的结构体系。这种结构体系在北美地区使用较多，多用于住宅区，其中下部混凝土结构作为地下室车库，上部轻木结构为住宅区；或用于底层为商业区上部为住宅区的混合建筑中。因混合结构主

体结构为上部轻木结构，所以混合结构兼具许多轻木结构的优点：绿色环保；安装方便、施工周期短；轻质，抗震性能好，对地基负荷小；保温隔热性能好。且因底部采用混凝土框架结构，能很好满足停车场，商场等大空间结构要求。在相同地基条件下，轻木—混凝土混合结构能很好地完成不同建筑用途，且能增加结构楼层，居住面积。

在过去几十年中，由于木材资源紧缺，无法满足大规模房屋建设的需求，在建筑结构中多以钢代木，所以我国木结构研究发展较缓慢，未能和国外研究齐头并进。近年来，随着经济的发展，我国逐渐实现了森林资源利用的良性循环，现代木结构研究进展迅速。国内许多研究机构、高等院校开始进行木结构方面的研究。同时，美国林业纸业协会，加拿大木材出口局等与我国相关科研单位一同举办了木结构房屋建筑大型系列研讨会，促进了我国在木结构房屋建筑方面的发展。现在，轻型木结构已陆续涌入我国建筑市场，包括上海、北京等大城市的郊区单户住宅，土地资源富余的乡村低成本住宅，轻木—混凝土混合结构在我国是具有良好发展前景的一种建筑形式。

由震害调查和试验研究发现：轻木—混凝土混合结构的上部轻木结构和下部混凝土结构均具有良好的抗震性能，但因混合结构上下部分刚度差距大，混合结构转换层在地震作用下刚度退化较快，层间位移较大，易形成大破坏。且研究表明：下部混凝土结构对上部轻木结构地震作用有一定放大作用。所以在混合结构转换层处引入隔震层，耗散地震能量，阻隔地震作用向上传播，减小层间位移，避免结构大破坏，是促进混合结构应用的一个重要研究方向。

国内外研究现状

轻木-混凝土混合结构在国外的发展

抗震性能研究

①英国TF2000研究项目^[4]进行了足尺6层轻型木结构的激振试验，证明多层木结构具有的整体性和承载力能很好地满足抗震设计规范；②意大利的SOFIE研究项目^[4]进行了一个足尺七寸的CLT结构的振动台试验，研究该结构体系的抗震性能；③日本的木混合结构研究^[4]通过对一个两层混凝土—木框架混合结构体系的振动台试验，表明在地震作用下，结构破坏的主要部分为混合结构体系的连接部分。

抗火性能研究

①TF2000项目研究^[4]发现：抗火试验后结构能保持完整性，其中只有少数节点发生碳

化作用，且结构内的分隔板对火势蔓延起到了阻隔作用。因此通过合理设置防火分隔区间可提高木结构抗火性能。②意大利、加拿大对CLT构件进行的试验结果^[4]表明其与混凝土等非易燃材料具有同等的抗火性能。

多层木结构及木混合结构应用

基于试验研究成果，2008年伦敦市建成了一幢9层CLT木结构公寓；2012年墨尔本建成了一幢10层CLT混合结构建筑，其中首层为商业用途的混凝土框架结构，上9层为

木结构住宅；加拿大木结构规范中允许木结构的建成高度为18m， Association of Professional Engineers and Geoscientists of BritishColumbia（简称APEGBC）发布了关于5-6层木结构建筑的技术应用公报，说明该类建筑的适用范围、结构和抗震设计方法、抗火设计方法；2017年奥地利建成了材料75%采用木材的24层木混合结构；还有加拿大、德国、美国等学者提出了关于建设30层以上木混合结构的方案^[4]。

轻木-混凝土混合结构在国内的发展

在我国，最近几年才开始发展轻型木结构，也有出台相关设计规范、标准，例如建筑防火规范^[5]、建筑抗震设计规范^[6]都已加入了相应的木结构设计方法。国内的一些研究机构、院校也开始对木结构进行研究，如同济大学、东南大学、南京林业大学等都与美国、加拿大的研究机构进行交流、合作。国内外已有许多学者对轻木-混凝土混合结构进行了系统的研究，例熊海贝^[7]，贾国成^[8]开展的轻木-混凝土混合结构的振动台试验以及程海江^[9]、Lindt^[10]开展的轻木结构的振动台试验结果表明下部混凝土结构对上部木结构的动力作用有放大效应，混合结构中木结构的地震反应甚至强于纯木结构的地震反应；李硕^[11]，华晶^[12]通过ANSYS软件建模，提出了混凝土与木混合结构中木楼盖计算模型，木剪力墙的等效计算模型；何敏娟^[13][14][15]通过不同层数组合的轻木-混凝土上下混合结构的有限元模拟，研究了其抗震设计方法，通过对振动模态、非线性动力时程响应和刚度比等的分析，发现上部木结构的水平地震作用放大效应与地震水准、上下部结构的刚度比、混凝土结构层数和木结构层数等有关：当下部与上部结构的刚度比在一定范围内时，上部木结构的水平地震作用放大效应随上下结构刚度比的增大而减小。于是对轻木-混凝土上下混合结构提出上下分开设计，上部结构按刚度比考虑地震作用放大效应的抗震设计方法。

本文的研究思路和主要内容

研究思路

虽然轻木-混凝土上下组合结构中上部轻木结构与下部混凝土结构均有良好的抗震性能,但从震害调查和试验研究中也发现上部轻木结构与下部混凝土结构连接处易在地震中产生破坏，震害试验中，混合结构中与混凝土框架结构相连的轻木结构层刚度退化最快，层间位移最大。但目前国内外的研究都是按传统抗震设计方法进行混合结构的抗震设计，并不能很好地解决转换层刚度突变引起的地震反应强烈的问题。所以本论文的研究方向为提出一种新的结构设计方法解决这个问题：在混凝土结构和轻木结构中加入层间隔震层，减小下部混凝土结构地震反应对上部木结构的影响，从而达到减轻上部木结构地震作用的效果；并且期望通过此次探究得出混合结构中层间隔震层减震效果的一般规律，促进混合结构的发展。

主要内容

（1）熟悉轻木结构的设计方法及结构构造，确定木—混凝土混合结构的结构方案；

（2）建立木—混凝土混合结构的有限元模型；进行模态分析，得到混合结构的基本振型和自振频率；再进行水平地震响应分析，得到结构层间侧移曲线，加速度及结构各层水平位移时程曲线；

（3）设计层间隔震装置，确定隔震层 ，建立隔震层的有限元模型；

（4）建立木—混凝土层间隔震结构的有限元模型，进行模态分析，得到混合结构的基本振型和自振频率；再进行水平地震响应分析，得到结构层间侧移曲线，加速度及结构各层水平位移时程曲线；

（5）对两种结构的地震响应进行对比分析，比较不同结构在地震作用下水平位移，加速度与层间最大侧移值，验证隔震层的减震效果

第2章 轻木-混凝土层间隔震结构体系有限元模型

引言

为了解决上下结构刚度突变造成的混合结构地震反应剧烈的问题，本文采用一种新的研究思路：在轻木结构与混凝土结构间加入隔震层，形成层间隔震结构，以耗散能量，减少地震作用向上部结构的传递。为了验证层间隔震层的减震效果，本文中选取ANSYS有限元分析软件，以实际结构为工程背景，建立相应的模型，进行原结构与层间隔震结构模态分析、地震作用响应对比分析。本章依据实际结构工程概况，分析构件主要受力特性，选用合适的单元类型，进行合理的简化，分别建立轻木—混凝土混合结构模型和轻木—混凝土层间隔震结构模型。

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