木結構建筑動力特性的研究進展

　　摘 要: 為了強化對木結構建筑的安全設計及提高居住舒適度水平，根據國內外高度重視木結構建筑動 力特性必要性的客觀需要，從計算模態分析和試驗模態分析兩方面入手，闡述針對中國古代木結構建筑、輕型 木結構建筑、膠合木建筑所開展的計算模態和試驗模態，以及采用環境激勵法、人工激勵法和動力響應試驗法 對木結構建筑進行試驗模態分析研究工作所取得的研究成果，并提出進一步做好木結構建筑動力特性研究的 主要途徑。研究結果對中國古代木結構建筑的科學保護和現代木結構建筑的優化設計具有重要的應用價值 和現實意義。

　　關鍵詞: 木結構建筑; 動力特性; 理論研究; 試驗研究; 研究進展

　　木結構建筑在全球林業資源發達，提倡建筑環 保的北美、北歐等地區發展成熟，占建筑類型的比重 最高。中國的古木建筑為世界寶貴遺產，然而在其 歷經千百年使用后，承重木構件不可避免地遭受不 同程度的真菌腐朽、蟲蛀以及老化等環境因素引起 的材性劣化作用，影響整體結構的穩定，削弱結構的 安全性。21 世紀以來，隨著生活水平和經濟能力的 不斷提高，人們對住宅的安全性和舒適度要求也越 來越高，而現代木結構建筑以其特有的抗震、綠色環 保、保溫節能等特點受到人們的青睞[1]。

　　研究表明 4 ～ 8 Hz 低頻區域是致使人體不舒適的敏感頻率區域 ( 地震波同屬于低頻波) ，而木結構建筑因其構件材 質的阻尼比較高，導致木結構建筑的基頻低于相同 結構形式下的鋼筋混凝土建筑，與混凝土結構建筑 的動力性能有所差異。因此，在對木結構進行靜力 學研究的基礎上，開展對木結構建筑動力特性的研 究工作尤為重要[2]。結構的動力性能包括動力特性 和動力響應。動力特性反映結構本身所固有的振動 特性，如自振頻率、阻尼比及振型; 動力響應反映結 構受動力作用時的響應，如位移、速度、加速度等。

　　近年來，國內外主要在計算模態分析和試驗模態分 析兩大方面對木結構建筑的動力特性開展相關的理 論與試驗分析工作，其研究成果較多。鑒于此，本文 針對中國古代木結構建筑和現代木結構建筑，闡述 了國內外對其開展的計算模態、試驗模態及其理論 與試驗相結合的動力特性研究工作所取得的成果， 通過分析并提出進一步做好木結構建筑動力特性研 究的主要途徑，以期對中國古代木結構建筑的科學 保護和現代木結構建筑的優化設計工作提供有益 借鑒。

　　1 計算模態分析的動力特性研究進展

　　在計算模態分析研究工作中，一方面，我國學者 對于中國古代木結構中具體的構件，如斗拱、榫卯節 點、側腳等，以及整體結構做了諸多理論研究，其結 果越來越貼合實際。1993 年，方東平首先對中國古 代木結構建筑的靜力與動力性能進行了研究，并進 一步對西安北門箭樓建立了有限元分析模型，得到了自振頻率。

　　在模擬榫卯連接與斗拱時創造性地引 入了半剛性單元，為其后木結構動力分析的有限元 模擬開辟了便捷的道路，也為相同類型木結構的研 究提供了指導方法[3]。1996 年，孫增壽根據木構架 古建筑和塔類古建筑的結構特點和震害規律，進一步提出了相應的動力分析模型，以及震害分析和預 測方法[4]。

　　另一方面，隨著現代木結構的發展，國內 外學者重點對輕型木結構建筑、膠合木建筑進行動 力性能的理論分析。如，Itani 和 Cheung 在 1984 年 提出了一個有限元模型，在該模型中，面板釘連接采 用一對軸線受力的彈簧單元，這個方法被后來的許 多木 結 構 墻 體 有 限 元 模 型 所 采 用[5]。

　　2014 年， Bjertn�us 等對挪威一棟 14 層的木結構建筑進行了有 限元分析，其中采用梁柱和支撐來代替所有的墻體 和樓蓋，研究發現，第二階振型下第 13 層的最大加 速度稍高于 ISO 建議的限值，但是仍然在可以接受 的范圍[6]。 通過上述計算模態分析的動力特性理論研究案 例表明，建立木結構建筑有限元模型時，通過對建筑 原型或增加其結構的阻尼、剛度參數等方式獲得振 型和自振頻率等動力參數，有助于加強對建筑安全 性和舒適性的設計和指導。但在建模時有限元復合 結構件的創建、參數設置中選用木材等材料的彈性 模量和泊松比常數值等方面還存在技術問題，一定 程度上 影 響 了 計 算 結 構 體 自 振 頻 率 和振型的準 確性。

　　2 試驗模態分析的動力特性研究進展

　　在試驗模態分析研究工作中，國內外研究者主 要采用環境激勵法、人工激勵法和動力響應試驗法 對木結構建筑的動力特性開展相關工作，其研究成 果斐然。

　　2. 1 環境激勵法

　　采用環境激勵法通過識別建筑結構周圍因環境 激勵引起的振動，而確定其結構的動力特性。1991 年，俞茂宏等對西安北門箭樓現場進行了環境激勵 測試，分析了屋頂在掛瓦前和掛瓦后兩種工況下結 構的振型及其影響因素。研究結果表明: 屋面重量 增加將導致結構固有頻率的降低，古代木結構建筑 不僅屋頂重量大，屋頂剛度也很大，使下部框架保持 整體性和穩定性[7]。

　　2018 年，楊燕萍等對其進行跟 蹤測試，獲取結構在環境激勵下的加速度響應，分析 得到結構的動力特性參數，并將測得的結構前兩階 模態結果與 2009 年該結構剛投入使用時測得的動 力特性進行比較。其主要結論表明，三棟單體校舍 在使用過程中的基頻均略有降低，其中一棟滲水較 為嚴重的校舍基頻值下降最多，達到 15% ，且第二階振型由原橫向振動變為扭轉振動; 實測得到的阻尼 比均小于 5%[8]。

　　2019 年，楊娜等采用環境激勵法 對一棟地鐵線附近的六檁抬梁式木結構進行動力響 應現場測試。結果表明，地鐵交通是該傳統木構環 境振動的主要振源，應對南北向高頻段( 50 ～ 90 Hz) 振動進行減隔振處理[9]。

　　2. 2 人工激勵法

　　通過識別人為對結構施加的激勵源所引起的結 構振動，以獲取其結構的動力特性被稱為人工激勵 法。1999 年，趙鈞海等首次對斗拱進行了動力特性 測試。采用橡皮錘對模型進行單點脈沖激勵，測得 其在不同支承條件下的模態頻率與模態阻尼比。

　　研 究表明: 改變支承條件將改變模態頻率和模態阻尼 比，且隨著墊塊剛度( 邊界條件) 的增大，模態頻率隨 之增大，模態阻尼比隨之減小; 所得斗拱模型的模態 頻率大致為一階 1. 87 ～ 3. 57 Hz，二階 10. 87 ～ 15. 80 Hz; 模態阻尼比為一階 0. 056 ～ 0. 108，二階 0. 014 ～ 0. 087; 由相似理論得出斗拱原型的模態頻率為一階 0. 62 ～ 1. 17 Hz，二階 3. 62 ～ 5. 27 Hz [10]。2019 年， 周年強等采用瞬態激勵方式對一棟竹結構的二層單 體小樓進行模態測試，得到了該房屋的各階自振頻 率、阻尼、振型等模態參數[11]。

　　2. 3 動力響應試驗法

　　通過振動臺試驗較為真實地模擬地震對木結構 建筑產生的動力作用，從而得到結構的動力響應。 2006 年，意大利林科院牽頭啟動了 SOFIE 項目，在 2007 年完成了 7 層 CLT 足尺木建筑的振動臺試驗， 上述試驗中發現 CLT 結構并未出現明顯破壞，具有 較好的抗震性能[12]。

　　2012 年，Iuko TSUWA 等采用 振動臺對日本古代木結構建筑進行動力性能測試， 通過采用三種不同形式的墻體來改變墻體的剛度， 以此探究墻體剛度對結構在地震作用下的動力響 應[13]。2010 年，Andre Filiatrault 等對一幢兩層全尺 寸輕型木結構聯排別墅進行振動臺試驗。以測試建 筑在不同基底輸入強度下的動力性能。試驗結果表 明: 在墻上安裝石膏板能明顯提高試驗建筑的抗震 性能，對結構的抗側剛度有顯著影響[14]。

　　2011 年， 陳國等對一棟基于輕型木結構建造方法建造的足尺 2. 44 m × 3. 66 m × 2. 6 m 竹結構模型進行振動臺試 驗和推覆試驗，討論輕型竹結構模型房屋的動力性 能。試驗結果表明: 在 0. 3 g 以下的地震中，模型處于彈性狀態; 即使經過多次重復地震，模型結構仍然 不會發生倒塌，而且破損也很輕微。模型結構在地 震波作用下，最大層間位移角小于規范中的限值。 試驗研究表明，該輕型竹結構房屋能夠滿足我國建 筑抗震設計規范中的 8 度抗震設防要求[15]。

　　2015 年，褚青青等依據一棟典型的云南翁丁古村落佤族 干欄式木結構民居，制作原尺寸模型進行振動臺試 驗。通過試驗探討干欄式木結構民居的動力特性和 抗震性能。試驗結果表明: 在設防烈度為 8 度( 0. 3 g) 的情況下結構只出現局部構件輕微破壞，結構整 體基本處于彈性，能夠滿足抗震設防目標[16]。

　　通過上述試驗模態分析的動力特性測試研究案 例表明，實測到木結構建筑結構的自振頻率、阻尼比 等模態參數，為改善建筑的減隔振和居住舒適度及 其優化設計水平作出了很大貢獻。但是因篇幅有限 等各種原因，這些文獻實測結果的精準性缺乏一定 的支撐性材料，如缺少測試方法上的驗證比較; 加速 度計的選擇和布點設置的合理性等方面交代不清; 特別是在振動臺抗震等試驗中，不能較好地反映被 測試對象的制作及固定方式與效果、加速度計的安 置、掃頻間隔與 FFT 塊大小等參數設置情況等。

　　3 理論與試驗相結合的動力特性研究 進展

　　2007 年，程海江[17]在國內首次對輕型木結構進 行動力性能研究分析。以振動臺試驗為研究核心， 在釘連接、剪力墻和房屋整體等三個層面利用試驗 研究和有限元分析兩種方法對輕型木結構房屋的抗 震性能進行了系統研究。結論表明，有限元分析結 果和試驗結果較為吻合，能夠較準確地模擬結構的 動力反應和模態特征，適用于進一步對復雜結構的 分析。

　　2010 年，李書進等[18]對一棟單層、足尺的木 結構房屋進行多種工況的振動臺試驗研究和分析。 考慮傳統木結構房屋的建造方式和構造特點，變化 結構的平面布置和連接方式，分別研究它們在不同 地震和烈度下的動力響應和抗震性能，以及結構的 破壞形式和破壞機理，結合有限元分析方法，對木結 構房屋的動力性能進行研究和數值模擬，并與試驗 結果進行對比，兩者結果十分接近。

　　2012 年，趙鴻鐵 等[19]采用激振錘人工敲擊法、有限元軟件模態分析 法和振動臺試驗法計算木結構古建筑結構模型的固 有頻率，并將三者所得結果進行比較。研究表明: 人 工敲擊法測得振動臺試驗模型震前的固有頻率為2. 05 Hz，比地震最大加速度為 100 gal 震后的固有頻 率( 2. 1 Hz) 略小; Ansys 有限元軟件模態分析的結構 一階固有頻率為 2. 23 Hz，略高于人工敲擊法的實測 結果。

　　2019 年，Hafeez 等[20]對輕型木結構建筑進行 了動力特性試驗研究。對 41 座布置規則或不規則 的輕型木結構建筑開展了有限元建模計算與環境激 勵法的驗證試驗，主要進行其建筑物的基頻比較分 析。結果表明，一般的有限元分析方法高估了建筑 物的基本自振周期。 理論與試驗相結合的動力特性研究案例表明， 其兩者可相互比較驗證，能更為準確地反映木結構 建筑動力特性，既可優化理論研究中的結構參數，亦 能更便捷地預測其動力性能。當然，諸多研究成果 中尚存在對其理論與試驗結果相近或不相近的要因 分析不明晰等問題，需進一步加強其基礎理論性 研究。

　　4 結論與展望

　　木結構建筑的動力特性與其建筑的設計、制造、 安裝、檢測乃至居住質量密切相關[21 - 23]。一方面， 開展對傳統木結構建筑動力性能的基礎應用研究， 對文化遺產保護與修復工作具有重要意義; 另一方 面，對現代木結構建筑的結構動力特性研究既關系 到整體結構的安全性能，亦與人體舒適度緊密相關。

　　鑒于此，筆者提出進一步做好木結構建筑動力特性 研究的 5 條主要途徑。

　　第一，國內有關木結構建筑 的設計及施工規范已經落實，但國內外關于木結構 建筑動力性能的標準制定還不完善，故應認真做好 對木結構建筑結構動力特性標準的制訂與修訂基礎 工作。

　　第二，理論研究應與試驗研究相結合，能更為 準確地反映木結構建筑的動力特性，如采用 ANSYS 計算模態法與環境激勵法、人工激勵法和動力響應 激勵法，共同獲得整體結構在動力作用下的響應參 數; 改變理論研究中結構的模態參數，能更便捷地預 測其各階振型、自振頻率和阻尼。

　　第三，在建模過程 中，不可忽視木材本身正交各向異性的特點。由于 不同木材的力學性能差異較大，同樹種木材的力學 性能也會受其產地、含水率、使用年限等因素影響呈 現差異性。因此，在建立其分析模型時，其基材的力 學性能參數應按實輸入; 在分析模型中，因其節點的 剛度影響整體結構的模態參數計算結果，要考慮木 結構的節點因介于剛接與鉸接之間，其剛度變化較 大，故對結構動力性能影響也較大; 另外，輕型木結構的剪力墻體形式多變，在有限元分析模型中應引 入剪力墻整體單元，將模態試驗所得參數代入其中， 以便較為真實地反映實際情況。

　　力學論文投稿刊物：《工程力學》是中國科協主管、中國力學學會主辦，清華大學土木工程系承辦的以工程應用為特點的全國綜合性學術刊物。主要報導力學在工程及結構中的應用，刊登力學在科研、設計、施工、教學和生產方面具有學術水平、創造性和實用價值的論文，包括力學在土木建筑、水工港工、公路鐵路、橋梁隧道、航海造船、航空航天、礦山冶金、機械化工、國防軍工、防災減災、能源環保等工程中的應用且具有一定學術水平的研究成果。

　　第四，在試驗研究 進程中，國內學者對中國古代木結構建筑的構件( 如 斗拱等) 及整體結構進行了動力性能的測試，對中國 古代木結構建筑進行動力特性測試時，考慮到對文 物的保護，多采用環境激勵法; 而在對輕型木結構建 筑、膠合木建筑、CLT 建筑的測試中，環境激勵法、人 工激勵法均可采用。第五，由于振動臺試驗能較為 真實地反映地震的動力作用，但由于振動臺尺寸、承 重能力的限制，需要對結構的縮尺模型進行測試，因 此在測試時需注意縮尺效應的影響。

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　　作者：談星宜1 ， 周宇昊1 ， 王 正1* ， 司世廣2 ， 何宇航1 ， 鄒鈺瑩1 ， 左 騰1

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