传统木构砖石墙的面内循环响应：填充效应分析与节点加固策略评估

《Journal of Building Engineering》：In-plane cyclic response of traditional timber-masonry walls: infill-effect analysis and evaluation of joint strengthening strategies

　　

**摘要**

• 砖填充使侧向强度和初始刚度分别提高了84%和134%。
• 填充的贡献随着开裂和界面损伤的进展而逐步退化。
• 循环响应受接缝张开、滑移和摇摆机制控制。
• 连接加固使裸露框架强度提高了多达57%。
• 加固措施部分补偿了缺少砖填充的影响。

**引言**

传统木框架砖填充建筑代表了韧性强且在全球广泛分布的建造体系，其因兼具结构适应性与独特建筑特色而备受重视。全球范围内大地震后的现场观测反复表明，这一类型在地震荷载下表现良好，往往优于钢筋混凝土和纯砖砌体结构。然而，这种良好表现并不意味着不存在显著脆弱性：海地地震后的震后调查记录了反复出现的损伤模式，包括填充墙开裂、填充墙与木框架脱离脱耦、连接失效以及面外失稳；希腊莱夫卡达斯地震以及土耳其加齐安泰普地震等地震中也有类似记录。

传统木框架砖填充建筑在智利境内也有广泛分布。尤其值得一提的是瓦帕伊索——这座城市自2003年起被列入联合国教科文组织世界遗产名录——其保存了大量采用该体系建造的住宅、公共和商业建筑，兼具卓越的抗震性能与突出的建筑价值。这些建筑在地震中的韧性表现已在瓦帕伊索历次大地震中得以验证，受灾建筑一般仅承受中等程度的结构损伤而非倒塌。例如，在2010年毛莱地震中，观测到的损伤主要限于砖填充墙脱落、外墙断离以及部分木构件损失。尽管性能已被认可，但瓦帕伊索传统木框架砖填充建筑的结构行为仍缺乏充分表征，目前针对智利本土类型的定量实验数据仍然匮乏。在缺乏本地实验证据的情况下，可从其他抗震地区关于木框架砖填充体系的更广泛研究中获得借鉴。

多项研究已利用足尺与缩尺试件（主要采用1:2缩尺模型），通过单调加载、循环加载和动力加载（多数聚焦于面内循环响应）对木框架砖填充结构的实验行为进行了广泛研究。研究面内行为的工作一致表明，砖填充显著增强了侧向强度和刚度，所报告的强度提升幅度因填充类型、竖向预压力和框架几何形状不同，在约40%至280%以上之间。初始刚度的提升往往更为显著：有侧撑框架中初始刚度提升至2.3–4.5倍，而无侧撑框架中可达5–10倍甚至更高，因为填充墙是提供主要侧向刚度的构件，这反映了板件内压杆机制的形成。然而，该贡献强烈依赖于层间位移角，随着开裂进展和框架-填充相互作用丧失，刚度会迅速退化。在这方面，有学者指出结构响应中存在一种权衡关系：砖填充带来的刚度和强度提升可能伴随着更脆性的行为以及在循环荷载下更快的退化。此外，填充墙的存在显著增加了体系的结构质量，报告的质量可达裸露框架的数倍，这可能增加地震需求。

从力学角度而言，整体响应受半刚性连接、摇摆机制和填充墙损伤演化的相互作用控制。裸露框架通常表现出由连接控制的、以接缝变形为主导的行为，而填充框架则发展出涉及框架和板件的分布式响应。榫卯框架的循环试验进一步表明，其响应由接缝转动和上抬后的复位行为主导，而填充墙的存在则提高了侧向承载力并增强了能量耗散。

上述行为规律在足尺和缩尺实验研究中均得到了一致观察。足尺试验提供了整体稳定性和几何效应的信息，而缩尺模型则为研究连接行为和框架-填充相互作用提供了一种灵活高效的手段，在强度、刚度和破坏模式方面能够提供与足尺试验可比的结果。例如，有学者分别在足尺和缩尺（1:2模型）条件下分析了填充 quincha 框架。两种情况下，体系均表现出较高的变形能力，缩尺条件下层间位移角可达约5%，足尺条件下可达7–9%，均未发生脆性倒塌。当按抗剪面积归一化时，两种尺度下的剪应力值均落在约0.04–0.7 MPa的一致范围内。两项研究中，损伤均始于填充墙开裂和界面退化，而木构件基本未受损，连接机制主导了破坏过程。总体而言，在变形能力、剪应力和损伤模式方面的一致性支持了缩尺模型再现填充木框架关键行为的能力。

近年来，研究侧重于加固策略以减轻这些体系中已识别的连接脆弱性。损伤常集中于接缝处，因此加固方案着眼于增强接缝约束并限制拔出变形。自攻螺钉、钢板和螺栓连接等技术已被证明可以提高变形能力（最高达155%）、提高阻尼比（最高达118%），并根据构造形式部分或完全恢复侧向承载力。

尽管本研究聚焦于面内性能，但近期研究强调了木框架砖填充体系中面外行为的重要性。振动台试验表明，填充墙底部的面内损伤可能触发同一板件的后续面外破坏，凸显了面内-面外相互作用的重要性。填充墙的面外倒塌（而木框架基本未受损）已被确认为木框架砖填充体系在缺乏框架与填充之间机械连接时的一种主要地震脆弱性，且洞口已被证明会使面外承载力降低超过25%。

然而，上述所有研究大多聚焦于建造传统和结构配置与智利所发现的情况存在显著差异的体系。智利传统木框架砖填充建筑，特别是在瓦帕伊索，是通过受当地工艺水平和适应陡峭地形及反复地震事件的因地制宜建造实践演化而来的，其特点常包括不规则框架布置、随机性斜撑、多样的无筋砖填充类型以及混合木工解决方案（榫卯、燕尾、半搭接和槽口接）。加之木构件质量和长细比的差异，这些特征预计将强烈影响循环荷载下的刚度退化、摇摆响应、能量耗散和框架-填充相互作用。鉴于这些类型差异，其他木框架砖填充传统的实验发现无法直接外推至智利语境。因此，关于这些智利结构地震响应的实验证据仍然有限，特别是在砖填充的贡献、填充墙移除的影响以及本地采用的加固和修复策略对整体地震性能的有效性方面。为弥补这一空白，作者逐步发展了这一类型的实验表征方法，首先通过足尺榫卯接缝试验，随后通过缩尺木框架试件的循环试验，后者构成了本工作的基础。

本研究通过1:3缩尺试件的准静态循环试验，调查了代表瓦帕伊索历史建筑的传统木框架墙体的面内地震响应，试件均包含有填充墙和无填充墙两种情况。本研究提供了：(i) 关于砖填充对刚度、强度、变形能力和能量耗散影响的定量实验证据；(ii) 循环荷载下主控损伤机制及其演化的详细表征；以及(iii) 基于应用于裸露框架和填充框架的木质增强板（MDF）的本地加固策略评估。研究结果有助于更好地理解框架-填充相互作用和接缝行为，并为抗震地区木框架遗产建筑的兼容性评估和加固策略的发展提供参考。

本研究的主要创新在于首次对瓦帕伊索的传统木框架砖填充类型进行了实验表征，其结构配置、接缝构造、材料性能和填充布置与既往国际研究中考察的情况存在显著差异。研究针对破坏机制的演化过程和各个部件对整体响应的贡献填补了关键空白。此外，本研究引入了机器人加工技术在缩尺条件下复现复杂木接缝，实现了可控、可重复的实验测试。最后，本研究基于未加固试件中观测到的实验行为，评估了专为该类型设计的加固策略。

**瓦帕伊索传统木框架砖填充结构**

木框架砖填充结构是瓦帕伊索历史城市肌理的独特组成部分。该建造体系主要发展于19世纪中叶至20世纪初，将木承重框架与砖填充墙相结合，反映了对进口建造传统向本地地震和地形条件的适应性改造。由于其非标准化特性，该建造体系表现出显著的变异性。本文呈现的描述综合了前序研究及现存建筑中识别出的最典型特征，同时承认个别案例在几何、材料和施工细节方面可能存在差异。本研究仅聚焦于采用粘土砖填充的建筑，而非土坯建筑。

根据在建筑中的位置不同，木框架砖填充体系可充当主要或次要承重系统，通常按平台体系布置，将带侧撑榫卯墙板与木楼盖隔层整合在一起。墙体遵循模块化布局，竖向柱间距为40–60厘米，由水平过梁连接固定，并通过斜撑稳定。这些构件的截面尺寸范围为10厘米×10厘米至15厘米×15厘米，通常采用美国橡木或俄勒冈松（花旗松）加工制作，这两种树种在19世纪末和20世纪初于该地区广泛进口。楼板体系依赖间距约40厘米的木搁栅支撑木望板，并提供框架之间的隔层作用，典型层高约为3.6米。整个体系采用传统木工解决方案连接，包括柱与过梁之间的榫卯接（图3a）、斜撑处的钉接和槽口接（图3b和3c）以及垂直连接处的燕尾接。

墙板通常填充无筋粘土砖砌体（砖块尺寸约为31×15×6厘米），以石灰砂浆采用英式砌法或普通砌法砌筑，墙体厚度约为15厘米。该砖填充墙一般仅用于外墙，且不与周围木框架进行机械连接，这与内隔墙采用的石膏板或 quincha 等轻质体系形成对比。该表征方法为确定本研究所测试的典范墙板奠定了基础。

**实验研究**

实验方案包含八个1:3缩尺墙板试件，旨在调查砖填充和外部木质板（MDF）接缝加固对代表瓦帕伊索历史建筑的木框架体系循环响应的影响。如表1所示，四个试件对应原始构造形式，包括裸露框架和填充框架。每种构造形式中的两个重复试件均……

**全局循环响应**

图8展示了未加固裸露框架和填充框架的侧向荷载-位移滞回响应及相应的包络曲线。层间位移角按第2.4节中定义的公式计算。侧向荷载对应液压作动器中安装的测力传感器所测得的力，剪应力通过将该荷载除以墙体基底面积计算得出。包络曲线通过连接峰值点构建……

**讨论**

实验结果证实，砖填充在传统木框架体系的地震响应中发挥着关键作用，改变了抗力机制、强度、刚度和能量耗散。与裸露框架相比，填充墙使侧向强度提高了约84%，等效弹性刚度提高了约2.5倍。强度提升幅度处于带侧撑木框架所报告范围内，最低约为65%……

**未来工作**

本研究仅限于缩尺测试的木框架砖墙的限面内循环行为，因此仍有多个研究方向有待开展。

未来的实验工作应包含对相同类型的试件进行全尺寸试验，以量化尺寸对响应的影响，并应研究面内和面外作用的相互作用，目前关于该类型的证据仍然匮乏，同时还应研究洞口对传力路径和损伤的影响。结论 本研究调查了代表瓦尔帕莱索市历史建筑的1:3比例木框架砌体墙的循环响应，考虑了无填充和填充配置以及两种加固策略。可以得出以下结论：• 砌体填充使系统的侧向强度和等效弹性刚度分别提高约84%和2.5倍，确认了其关键的结构作用。这种贡献强烈依赖于漂移：填充框架CRediT作者贡献声明贝伦·希门尼斯：写作—初稿，监督，项目管理，调查。丹妮拉·穆诺兹：方法学，调查，概念化。费利佩·奥杜兹：写作—审阅与编辑，监督，方法学，正式分析，概念化。弗朗西斯科·基特拉尔-萨帕塔：调查。克里斯蒂安·桑多瓦尔：写作—审阅与编辑，验证，监督，方法学，调查利益冲突声明 ? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。致谢 本工作由智利国家研究与发展局（ANID）的FONDECYT启动项目No. 11250719支持。作者感谢智利天主教大学（PUC）工程学院结构岩土工程系结构工程实验室和圣玛丽亚联邦技术大学建筑学院建筑与机器人制造实验室提供的技术支持。贝伦·希门尼斯|丹妮拉·穆诺兹|费利佩·奥杜兹|弗朗西斯科·基特拉尔-萨帕塔|克里斯蒂安·桑多瓦尔