1. 引言

　　輕型木結(jié)構(gòu)中，房屋主要通過木框架剪力墻來承受風和地震作用引起的側(cè)向荷載。木剪力墻試驗在研究木框架抗震性能、分析足尺結(jié)構(gòu)性能等方面發(fā)揮著巨大作用，研究人員主要通過木剪力墻試驗的結(jié)果來判斷目前設(shè)計程序和設(shè)計值的可靠性，研究墻體、基礎(chǔ)錨栓等構(gòu)造措施。試驗協(xié)議對木剪力墻試驗來講，又是至關(guān)重要的。結(jié)構(gòu)的試驗協(xié)議有三部分內(nèi)容：首先是確定試件模型包括材料、構(gòu)造和邊界條件，其次是要確定試件的位移或力的歷程；第三是要對試驗結(jié)果進行分析，并利用試驗結(jié)果對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行評價，研究延性和其薄弱連接件的性能。這三部分內(nèi)容都是同等重要的，目前木剪力墻試驗也主要是根據(jù)這三部分內(nèi)容展開研究。

　　研究者在試驗過程中所采用的加載協(xié)議各不相同，主要包括靜力加載、低周循環(huán)往復加載、偽動力加載與振動臺試驗等。本文主要介紹目前國際上常用的木剪力墻靜力加載協(xié)議和循環(huán)加載協(xié)議。��

　　2. 靜力加載協(xié)議

　　木剪力墻的側(cè)向力主要由面板承受，然后通過釘子傳遞給木框架。根據(jù)覆面板和釘子的類型以及釘子的數(shù)量，國際結(jié)構(gòu)規(guī)范（ICC 2000）規(guī)定了木結(jié)構(gòu)剪力墻容許的單位承載力。設(shè)計人員主要是通過表格查詢得到具體木剪力墻的抗側(cè)承載力作為設(shè)計值，它們主要是由APA(美國工程木協(xié)會)利用ASTM E-72和ASTM E-564試驗協(xié)議進行單向加載試驗推導得出的〔1〕。我國《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50005-2003〔2〕中附錄Q也給出了相應木結(jié)構(gòu)剪力墻抗側(cè)力設(shè)計查詢表，這些值是參考加拿大與美國的相關(guān)木結(jié)構(gòu)標準得來的。��

　　2.1 ASTM E72標準。

　　ASTM E72(1995)標準是美國材料與試驗協(xié)會制定的建筑用面板傳導強度的試驗方法〔3〕。該方法規(guī)定對試件以一定速度分別加載至3.0KN，7.0KN，10.5KN后完全卸載再重新加載至下一個荷載點，當荷載達到10.5KN后完全卸載，重新加載直到試件破壞。

　　ASTM E72（1995）包括了確定部分墻體、地面、屋面結(jié)構(gòu)性能的一些步驟。它主要是量測出地震荷載作用下，普通面板如膠合板、定向結(jié)構(gòu)刨花板、石膏板等材料作為覆面板的木框架的承載力，即確定覆面板材料的相對性能。APA(美國工程木協(xié)會)根據(jù)ASTM E72（1995）標準，進行了覆面板-釘子連接件的試驗研究。其試驗裝置假定：墻體試驗主要用來確定覆面板-釘子連接件的剪切能力。但實際試驗時需要考慮試件的形式以及邊界條件的影響,并且試驗協(xié)議發(fā)展的趨勢是對足尺構(gòu)件進行試驗而不單是對覆面板進行試驗。

　　2.2 ASTM E564標準。ASTM E564(1995)標準是美國材料與試驗協(xié)會制定的剪力墻抗剪性能靜力加載試驗方法〔4〕。該試驗方法提供兩種加載順序：靜力加載和可選擇的循環(huán)加載。靜力加載規(guī)定先對試件以一定速度加載至10%期望極限荷載持續(xù)5分鐘后完全卸載，再分別以1/3期望極限荷載為一級重新加載至荷載點后完全卸載再重新加載至下一個荷載點;可選擇地循環(huán)往復加載方法規(guī)定先對試件以一定速度加載至10%期望極限荷載后完全卸載，再分別以1/3期望極限荷載為一級重新加載至荷載點后完全卸載，然后以相同的加載方式反方向加載，如此形成循環(huán)往復加載方案，最后經(jīng)過5輪循環(huán)加載直至試件破壞。

　　ASTM E564（1995）標準要求墻體尺寸為2.4m×2.4m（8ft×8ft），若對不同尺寸和布置情況的墻體進行加載時，加載程序需進行修改，同時它要求試驗施加約束要反映墻體與基礎(chǔ)間的實際連接情況；ASTM E72（1995）標準要求試驗墻體由于水平荷載的作用，在底梁板與墻骨柱分離處施加抗傾覆錨固件。因此，試驗中采用ASTM E72（1995）標準所獲得的墻體極限抗側(cè)承載力和剛度比ASTM E564（1995）標準要高。

　　3. 循環(huán)往復加載協(xié)議

　　木剪力墻試驗以及試驗協(xié)議的重點仍然停留在木結(jié)構(gòu)覆面板剪力墻上，近年來才對膠合板剪力墻進行了試驗研究。

　　試驗在選擇使用的力-位移歷程時，需要確定控制的類型（力或位移）、加載類型（單調(diào)或循環(huán)）、要求類型（近斷層，非近斷層）、加載速率（擬靜力，動力）等。大多數(shù)剪力墻、連接件及其他構(gòu)件的試驗都采用靜力加載模式，根據(jù)試件結(jié)構(gòu)來調(diào)整加載速率，得到持時5~10分鐘的破壞荷載。研究表明，由靜力加載試驗得出的結(jié)構(gòu)強度和剛度能滿足抗風設(shè)計的要求，但并不適用于抗震設(shè)計。此外，靜力加載試驗不能很好地描述地震反應，如加載歷程以及結(jié)構(gòu)耗能（結(jié)構(gòu)阻尼）等因素對木剪力墻的影響。普遍認為循環(huán)往復加載協(xié)議更能很好的反映木框架剪力墻的抗震性能。

　　目前，有3個主要的木剪力墻試驗協(xié)議來驗證木結(jié)構(gòu)的抗震性能。它們是CUREE試驗協(xié)議、SPD 試驗協(xié)議和ISO試驗協(xié)議，但是目前尚缺乏統(tǒng)一標準的加載協(xié)議。

　　3.1 CUREE試驗協(xié)議。研究者們認為試件協(xié)議應符合現(xiàn)場條件，準確模擬材料性能、施工技術(shù)和邊界條件。由此提出了兩個變形控制的擬靜力循環(huán)試驗協(xié)議：CUREE-Caltech協(xié)議（CUREE）、CUREE-Caltech近斷層協(xié)議（CUREE-NF）〔注〕。CUREE-Caltech協(xié)議主要是針對木結(jié)構(gòu)房屋的滯回反應而制定的，用來模擬遠場地震地面運動對木結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響;CUREE-Caltech近斷層協(xié)議主要是模擬近斷層地震地面運動對木結(jié)構(gòu)的影響CUREE-Caltech協(xié)議的位移歷程是根據(jù)試件最大循環(huán)承載力處的估計變形（參考變形Δ）建立的。使用這個位移協(xié)議時，循環(huán)試驗前需要預估出參考變形Δ，可以通過單調(diào)試驗、分析預測、以及從類似試驗的數(shù)據(jù)中確定出Δ。單調(diào)加載試驗是木框架結(jié)構(gòu)研究人員確定參考變形Δ的主要方法。圖1說明了由單調(diào)試驗結(jié)果確定的參考變形Δ。單調(diào)變形能力Δm是最大承載力下降到80%處的位移。參考變形Δ是單調(diào)變形能力Δm的函數(shù)。建議使用公式Δ=0.6×Δm初步估計出循環(huán)荷載峰值承載力處的變形。木框架結(jié)構(gòu)研究人員根據(jù)他們的循環(huán)加載試驗經(jīng)驗判斷得出了“0.6”這個值。為保證到達參考變形前能出現(xiàn)預計的循環(huán)次數(shù)，在某些情況下也可以對“0.6”進行修改。

　　CUREE近斷層協(xié)議(CUREE-NF)與CUREE-Caltech協(xié)議都利用了記錄的近斷層地面運動。CUREE近斷層協(xié)議（CUREE-NF）是根據(jù)近斷層參考變形Δm定義的，試件要求與單調(diào)加載相類似。

　　當不能定義出合適的參考變形時，結(jié)構(gòu)試驗可采用CUREE力控制試驗協(xié)議，它是根據(jù)參考力 定義的， 是試件經(jīng)歷地震時的承載力，可以通過單調(diào)試驗或者經(jīng)驗得出。由于小循環(huán)對力控制構(gòu)件的最大承載力影響不大，故小于0.7 的循環(huán)次數(shù)非常少。

　　3.2 SPD試驗協(xié)議。SPD加載協(xié)議最早是由美國砌體研究技術(shù)協(xié)調(diào)委員會（TCCMAR）提出，后經(jīng)南加州結(jié)構(gòu)工程協(xié)會（SEAOSC 1995）改進和采用，該加載協(xié)議必須依據(jù)靜力加載下試件達到破壞狀態(tài)時的位移，加載過程中振幅按該破壞位移的一定比例逐漸增加。

　　SPD試驗協(xié)議與CUREE試驗協(xié)議有很多相似之處。剪力墻試驗采用的都是位移控制而不是力控制；都使用反復循環(huán)加載而不是單調(diào)加載來確定木剪力墻的抗震性能。

　　SPD與CUREE還有三個主要區(qū)別。首先SPD試驗協(xié)議以試件初始破壞的特征為基礎(chǔ)，其性能與理想的彈塑性材料模型有關(guān)，而CUREE試驗協(xié)議用加載歷程來評價一系列地震時地面運動的需求。

　　第二點差別在于CUREE試驗協(xié)議采用循環(huán)加載時最大承載力處的估計值來建立加載歷程，而SPD試驗協(xié)議更關(guān)注于首先出現(xiàn)破壞的情況，這與SPD試驗協(xié)議中屈服的定義相近。當首個指定位移路徑下的承載力明顯高于隨后位移路徑的承載力時判斷這一點為屈服。屈服極限狀態(tài)（YLS）是指，最后循環(huán)路徑與首個循環(huán)路徑相比，承載力下降5%或更多則認為是屈服。

　　第三點區(qū)別與約束有關(guān)。CUREE試驗協(xié)議要求約束條件更能代表實際結(jié)構(gòu)的約束情況。SPD試驗協(xié)議特別要求使用剛性約束來消除由于剪力墻變形引起的墻骨柱上拔。由于覆面板和連接件的共同作用，這種邊界條件的方法更側(cè)重于抗剪性能，因此它的約束條件與美國ASTM E72〔ASTM，1995〕試驗標準大致相同。

　　使用SPD試驗協(xié)議時，需要通過預先的循環(huán)試驗來確定一片或一組墻的首個主要的試驗現(xiàn)象。SPD協(xié)議在試驗多次循環(huán)以后，比預期地震能吸收更多的能量。這時的最大承載力是真實的，但應注意出現(xiàn)首個主要試驗現(xiàn)象的循環(huán)次數(shù)在10-12次左右。除了循環(huán)次數(shù)外，位移大小以及相同位移水平下的循環(huán)次數(shù)對試驗協(xié)議來說也十分重要。SPD試驗協(xié)議的研究者們近來建議減小試驗循環(huán)次數(shù)。

　　SPD試驗協(xié)議建議從試驗結(jié)果推導出設(shè)計值。對于強度的設(shè)計步驟來說，名義承載力是根據(jù)3-5個試驗得出的平均屈服荷載定義的。對于容許應變來說，名義承載力應乘以1.4的系數(shù)。由于試驗中觀察的典型破壞機制與地震或颶風作用下觀察到的破壞有著顯著的不同，SPD試驗協(xié)議沒有得到普遍認可。

　　3.3 ISO試驗協(xié)議。ISO加載協(xié)議和SPD加載協(xié)議相似，加載過程中位移按極限荷載下的位移以一定比例逐漸增加。

　　ISO試驗協(xié)議的標題為“木結(jié)構(gòu)——機械連接點——擬靜力反復循環(huán)試驗方法”〔5〕。盡管這個方法是專門為節(jié)點提出來的。反復荷載取用相同試件單向荷載試驗所確定的極限位移（荷載下降至極限荷載的80%或者試件出現(xiàn)嚴重破壞時的位移）作為控制位移，位移速率為5 mm/秒，加載循環(huán)為：峰值位移為控制位移的1.25%，2.5%，5%，10%三角形波依次進行一次循環(huán)，峰值位移為控制位移的20%、40%、60%、80%、100%和120%三角形波依次進行三個循環(huán)后終止試驗。

　　ISO試驗協(xié)議與CUREE試驗協(xié)議的相似點在于，它主要研究最大承載力處的性能，要求在正式試驗前估計出最大承載力處的位移，并要求在20次循環(huán)內(nèi)到達估計的最大位移（Vu）。而不同點在于，ISO試驗協(xié)議在相同位移下要循環(huán)多次，它的能量吸收與一系列地震地面運動的能量吸收有關(guān)。

　　近年來有關(guān)木剪力墻的抗側(cè)試驗中多采用了循環(huán)往復加載試驗協(xié)議來模擬地震作用，研究者們研究了不同加載協(xié)議（CUREE、SPD、ISO等）對木剪力墻受力性能影響〔6-7〕，發(fā)現(xiàn)加載序列對剪力墻的性能影響較大, 但對墻體初始剛度影響不明顯，同時還發(fā)現(xiàn)剪力墻的破壞模式與加載協(xié)議有關(guān)，循環(huán)次數(shù)多的SPD加載協(xié)議使得釘子發(fā)生剪切疲勞破壞，使得剪力墻的極限承載力與變形能力降低；它所需能量比CUREE、ISO加載協(xié)議明顯要大，但這個協(xié)議下木剪力墻的破壞現(xiàn)象在實際的地震作用中并不常見。CUREE方案和靜力加載方案下墻體性能最為接近。不同加載協(xié)議下的最大荷載基本差不多（10%以內(nèi)），SPD最大荷載時的位移小于其它加載協(xié)議。但目前尚無一個統(tǒng)一的加載協(xié)議來完全反映地震作用下木剪力墻的抗側(cè)性能，目前推薦將ISO試驗協(xié)議作為我國剪力墻試驗加載協(xié)議。

　　4. 結(jié)論

　　加載協(xié)議對木結(jié)構(gòu)剪力墻抗側(cè)性能有明顯地影響。木框架剪力墻試驗時，研究其在靜力加載協(xié)議下的抗側(cè)性能是非常必要的。但僅采用靜載下的木結(jié)構(gòu)剪力墻承載力作為設(shè)計值可能導致結(jié)構(gòu)的不安全，而且采這種設(shè)計方法并不能代表木剪力墻在地震作用下的真實反應（強度、剛度、延性、耗能能力等），由此發(fā)展了循環(huán)往復加載協(xié)議（CUREE、SPD、ISO）等來更好地反映木框架剪力墻的抗震性能，但目前需要擬定一份合理的循環(huán)試驗協(xié)議來準確模擬地震作用對木剪力墻的影響，目前推薦將ISO試驗協(xié)議作為我國剪力墻試驗加載協(xié)議。

　　〔注〕：1988年成立的地震工程研究大學聯(lián)合會（CU REE）是一個非營利組織，旨在推進地震工程的研究、教學與實施。該項目由美國聯(lián)邦緊急事務管理署（FEMA）資助，項目�？钣杉又菥o急事務州長辦公室管理。其中美國加州的CU REE 項目特別引人關(guān)注。

　　參考文獻

　　〔1〕Dolan, J.D., and Madsen，B. Monotonic and Cyclic Tests of Timber Shear Walls. Can. J. Civ. Eng.,1992,19(3),115-422。

　　〔2〕《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50005-2003).北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003。

　　〔3〕ASTM E-72，Standard Test Methods of Conducting Strength Test of Panels for Building Construction，1995，USA: ASTM international。

　　〔4〕ASTM E-564 Standard Practice for Static Load Test for Shear Resistance of Framed Walls for buildings，1995，USA: ASTM international。

　　〔5〕ISO-16670, Timber structure - Joints made with mechanical fasters - Quasi-static reversed cyclic test method. 2003: International Organization for Standard。

　　〔6〕Karacabeyli, E., and Ceccotti,A.,(1998).Nailed Wood-Frame Shear Walls for Seismic Loads: Test Results and Design Considerations. Structural Engineering World Wide, New York, Elsevier Science,1998: paper No.T207-6。

　　〔7〕Effects of Loading Protocol on the Cyclic Response of Wood frame Shear walls, Kip Gatto and Cha-Ming Uang, JOURNAL OF STRUCTURAL ENGINEERING, 2003 /10,1384-1393。