全球最高：全尺寸10层重型木结构经受振动台考验

© NHERI Tallwood

2023年5月9日在加利福尼亚大学圣地亚哥分校的户外振动台上，完成了一次全球最高的十层重型木结构全尺寸振动台试验。在强烈的地震模拟中，这座十层高的重型木框架建筑展现出了卓越的抗震性能。

5月9日的第一次试验模拟了1994年洛杉矶发生的6.7级北岭地震，随后模拟了1999年影响中国台湾的7.7级赤峰地震。该振动台能够模拟全三维地面运动，实现实际地震事件中地面在六个自由度（纵向、横向、垂直、滚动、俯仰和偏航）上的运动。这个振动台具有全球最大的载荷能力，可以承载重达2000吨的上部结构。

根据美国国家科学基金会（NSF）自然灾害工程研究基础设施TallWood项目的首席调查员施灵培（Shiling Pei）所述，这两次模拟的结果都与预期一致，在详细检查后未发现结构损伤。

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这栋34米高的建筑是迄今为止进行振动台试验的最高重型木结构。尽管经历了两次连续的振动试验，但在试验后的检查中没有发现任何结构破坏。这项试验由美国国家科学基金会资助，旨在为高烈度地震下的高层重型木结构设计方案提供研究依据。该设计采用后张预应力重型木结构摇摆墙以及其他重型木结构构件，以实现完善的结构抗震性能。该设计方案已于去年在《美国土木工程协会结构工程期刊》中发表，名为“预应力重型木结构摇摆墙体的规定性抗震设计程序”，由施灵培撰写。施灵培表示，计划在项目完成后将这套摇摆墙体系统纳入美国建筑规范。

振动台试验建筑由LEVER建筑事务所设计，占地面积为一百平米。结构框架由各种重型木结构组件组成，包括正交胶合木（CLT）、胶合木柱/梁、LVL等，使用于不同楼层，具体可参见下图。

©Lever Archtiects

重木楼板与LVL梁柱共同承担竖向荷载，振动台产生的侧向荷载由结构框架的四面墙体（两面CLT墙和两面重型胶合板墙）以及楼梯间墙体承担，抗侧力墙体为后张预应力重木摇摆墙，宽3米，高为框架通长，每面预应力摇摆墙上有两根与楼同高的高强度螺纹钢筋，对CLT墙板或重型胶合板墙板施加预应力，将载荷有效分散到墙板上。在震动过程中，墙板板发生摆动，预应力杆会调节这种运动，确保墙板回到中央位置。

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摇摆墙体系的另一个重要节点是U形弯曲板，它是用平钢板弯曲成U形制作而成。U形弯曲板的一端用螺栓固定在墙的边缘，另一端固定在其相邻的柱子上。U形弯曲板在地震作用下发生屈曲，从而起到消耗地震力的作用。U型板必要时可以更换。

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另一个重要的节点是楼板与摇摆墙之间的连接。该连接在地震作用下传递水平力，同时适应由于墙体摇摆引起的上拔，目的是实现该节点的弹性设计，使墙体摇摆引起的上拔不会对楼板系统造成损害。

楼板与墙体的连接还包括一个钢制的“舌”板，钢舌板插入墙体内的一个钢制矩形“凹槽”内。在地震作用下，墙板可以围绕着钢舌板自由地上升和旋转，保证楼板与墙体连接且无破坏。

该研究项目联合了包括科罗拉多矿业学院、内华达大学雷诺分校、科罗拉多州立大学、华盛顿大学、华盛顿州立大学、加利福尼亚大学圣地亚哥分校、俄勒冈州立大学和Lehigh大学等多所大学共同完成。