1. 引言

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

　　研究者在試驗過(guò)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(dòng)力加載與振動(dòng)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

　　木剪力墻的側向力主要由面板承受，然后通過(guò)釘子傳遞給木框架。根據覆面板和釘子的類(lèi)型以及釘子的數量，國際結構規范（ICC 2000）規定了木結構剪力墻容許的單位承載力。設計人員主要是通過(guò)表格查詢(xún)得到具體木剪力墻的抗側承載力作為設計值，它們主要是由APA(美國工程木協(xié)會(huì ))利用ASTM E-72和ASTM E-564試驗協(xié)議進(jìn)行單向加載試驗推導得出的〔1〕。我國《木結構設計規范》GB50005-2003〔2〕中附錄Q也給出了相應木結構剪力墻抗側力設計查詢(xún)表，這些值是參考加拿大與美國的相關(guān)木結構標準得來(lái)的。��

　　2.1 ASTM E72標準。

　　ASTM E72(1995)標準是美國材料與試驗協(xié)會(huì )制定的建筑用面板傳導強度的試驗方法〔3〕。該方法規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(gè)荷載點(diǎn)，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、屋面結構性能的一些步驟。它主要是量測出地震荷載作用下，普通面板如膠合板、定向結構刨花板、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(huì ))根據ASTM E72（1995）標準，進(jìn)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(lái)確定覆面板-釘子連接件的剪切能力。但實(shí)際試驗時(shí)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件進(jìn)行試驗而不單是對覆面板進(jìn)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(huì )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。靜力加載規定先對試件以一定速度加載至10%期望極限荷載持續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(diǎn)后完全卸載再重新加載至下一個(gè)荷載點(diǎn);可選擇地循環(huán)往復加載方法規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(diǎn)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(guò)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(jìn)行加載時(shí)，加載程序需進(jìn)行修改，同時(shí)它要求試驗施加約束要反映墻體與基礎間的實(shí)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(diǎn)仍然停留在木結構覆面板剪力墻上，近年來(lái)才對膠合板剪力墻進(jìn)行了試驗研究。

　　試驗在選擇使用的力-位移歷程時(shí)，需要確定控制的類(lèi)型（力或位移）、加載類(lèi)型（單調或循環(huán)）、要求類(lèi)型（近斷層，非近斷層）、加載速率（擬靜力，動(dòng)力）等。大多數剪力墻、連接件及其他構件的試驗都采用靜力加載模式，根據試件結構來(lái)調整加載速率，得到持時(shí)5~10分鐘的破壞荷載。研究表明，由靜力加載試驗得出的結構強度和剛度能滿(mǎn)足抗風(fēng)設計的要求，但并不適用于抗震設計。此外，靜力加載試驗不能很好地描述地震反應，如加載歷程以及結構耗能（結構阻尼）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(gè)主要的木剪力墻試驗協(xié)議來(lái)驗證木結構的抗震性能。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)議應符合現場(chǎng)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(gè)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)議主要是針對木結構房屋的滯回反應而制定的，用來(lái)模擬遠場(chǎng)地震地面運動(dòng)對木結構產(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(dòng)對木結構的影響CUREE-Caltech協(xié)議的位移歷程是根據試件最大循環(huán)承載力處的估計變形（參考變形Δ）建立的。使用這個(gè)位移協(xié)議時(shí)，循環(huán)試驗前需要預估出參考變形Δ，可以通過(guò)單調試驗、分析預測、以及從類(lèi)似試驗的數據中確定出Δ。單調加載試驗是木框架結構研究人員確定參考變形Δ的主要方法。圖1說(shuō)明了由單調試驗結果確定的參考變形Δ。單調變形能力Δm是最大承載力下降到80%處的位移。參考變形Δ是單調變形能力Δm的函數。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。木框架結構研究人員根據他們的循環(huán)加載試驗經(jīng)驗判斷得出了“0.6”這個(gè)值。為保證到達參考變形前能出現預計的循環(huán)次數，在某些情況下也可以對“0.6”進(jìn)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(dòng)。CUREE近斷層協(xié)議（CUREE-NF）是根據近斷層參考變形Δm定義的，試件要求與單調加載相類(lèi)似。

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

　　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)調委員會(huì )（TCCMAR）提出，后經(jīng)南加州結構工程協(xié)會(huì )（SEAOSC 1995）改進(jìn)和采用，該加載協(xié)議必須依據靜力加載下試件達到破壞狀態(tài)時(shí)的位移，加載過(guò)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)加載而不是單調加載來(lái)確定木剪力墻的抗震性能。

　　SPD與CUREE還有三個(gè)主要區別。首先SPD試驗協(xié)議以試件初始破壞的特征為基礎，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(lái)評價(jià)一系列地震時(shí)地面運動(dòng)的需求。

　　第二點(diǎn)差別在于CUREE試驗協(xié)議采用循環(huán)加載時(shí)最大承載力處的估計值來(lái)建立加載歷程，而SPD試驗協(xié)議更關(guān)注于首先出現破壞的情況，這與SPD試驗協(xié)議中屈服的定義相近。當首個(gè)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(shí)判斷這一點(diǎn)為屈服。屈服極限狀態(tài)（YLS）是指，最后循環(huán)路徑與首個(gè)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(diǎn)區別與約束有關(guān)。CUREE試驗協(xié)議要求約束條件更能代表實(shí)際結構的約束情況。SPD試驗協(xié)議特別要求使用剛性約束來(lái)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(shí)，需要通過(guò)預先的循環(huán)試驗來(lái)確定一片或一組墻的首個(gè)主要的試驗現象。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(shí)的最大承載力是真實(shí)的，但應注意出現首個(gè)主要試驗現象的循環(huán)次數在10-12次左右。除了循環(huán)次數外，位移大小以及相同位移水平下的循環(huán)次數對試驗協(xié)議來(lái)說(shuō)也十分重要。SPD試驗協(xié)議的研究者們近來(lái)建議減小試驗循環(huán)次數。

　　SPD試驗協(xié)議建議從試驗結果推導出設計值。對于強度的設計步驟來(lái)說(shuō)，名義承載力是根據3-5個(gè)試驗得出的平均屈服荷載定義的。對于容許應變來(lái)說(shuō)，名義承載力應乘以1.4的系數。由于試驗中觀(guān)察的典型破壞機制與地震或颶風(fēng)作用下觀(guān)察到的破壞有著(zhù)顯著(zhù)的不同，SPD試驗協(xié)議沒(méi)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(guò)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“木結構——機械連接點(diǎn)——擬靜力反復循環(huán)試驗方法”〔5〕。盡管這個(gè)方法是專(zhuān)門(mén)為節點(diǎn)提出來(lái)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%或者試件出現嚴重破壞時(shí)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(jìn)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(jìn)行三個(gè)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(diǎn)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)內到達估計的最大位移（Vu）。而不同點(diǎn)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(dòng)的能量吸收有關(guān)。

　　近年來(lái)有關(guān)木剪力墻的抗側試驗中多采用了循環(huán)往復加載試驗協(xié)議來(lái)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(shí)還發(fā)現剪力墻的破壞模式與加載協(xié)議有關(guān)，循環(huán)次數多的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(gè)協(xié)議下木剪力墻的破壞現象在實(shí)際的地震作用中并不常見(jiàn)。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?xún)龋�，SPD最大荷載時(shí)的位移小于其它加載協(xié)議。但目前尚無(wú)一個(gè)統一的加載協(xié)議來(lái)完全反映地震作用下木剪力墻的抗側性能，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. 結論

　　加載協(xié)議對木結構剪力墻抗側性能有明顯地影響。木框架剪力墻試驗時(shí)，研究其在靜力加載協(xié)議下的抗側性能是非常必要的。但僅采用靜載下的木結構剪力墻承載力作為設計值可能導致結構的不安全，而且采這種設計方法并不能代表木剪力墻在地震作用下的真實(shí)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(lái)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(lái)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(xué)聯(lián)合會(huì )（CU REE）是一個(gè)非營(yíng)利組織，旨在推進(jìn)地震工程的研究、教學(xué)與實(shí)施。該項目由美國聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署（FEMA）資助，項目專(zhuān)款由加州緊急事務(wù)州長(cháng)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

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　　〔2〕《木結構設計規范》(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。