后张法交叉层压木材剪力墙结构服役50年后的抗震性能数值预测

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Numerically predicted seismic performance of post-tensioned cross-laminated timber shear wall structures after 50 years of service life

　　

在50年服役期内，后张法（post-tensioned, PT）交叉层压木材（cross-laminated timber, CLT）剪力墙结构体系中，CLT蠕变和环境应变以及预应力损失（posttensioning losses）可能导致抗震性能的时变退化。为预测PT CLT系统50年的抗震性能，研究人员采用经长期试验数据验证的计算程序估算了预应力损失。随后，利用经试验校准并考虑预应力损失的模型评估了PT CLT剪力墙的时变侧向性能，并对不同设计参数的全尺寸墙体进行了参数分析。考虑预应力损失的校准PT CLT剪力墙结构模型被用于预测50年后的抗震易损性（seismic fragility），并与新建结构进行了比较。PT CLT剪力墙的侧向承载力（lateral load-resisting capacity）及割线刚度（secant stiffness）在服役期内呈非线性下降，其中约50%-65%的降幅发生在最初五年内，此时50年预应力损失已发生超过一半。50年后，PT CLT剪力墙结构的抗震易损性在立即居住（immediate occupancy）、生命安全（life safety）、倒塌预防（collapse prevention）和完全损伤（complete damage）水平下分别增加了3.0%-8.9%、2.8%-6.5%、2.7%-5.0%和1.6%-3.6%。此外，随着地震危险性（seismic hazard）水平的降低，结构抗震易损性的增加更为显著。

论文解读：后张法交叉层压木材剪力墙结构服役50年后抗震性能的数值预测

研究背景、存在问题及研究意义

交叉层压木材（cross-laminated timber, CLT）作为一种创新工程木产品，因其高强重比、良好的尺寸稳定性、低碳足迹和优异保温性能而在现代建筑中日益受到关注。CLT在面板平面内两个方向均表现出卓越力学性能，适合用于楼板和剪力墙等结构构件。后张法（post-tensioned, PT）技术自2005年引入木结构后，形成了PT CLT剪力墙体系，该体系通过预应力筋提供自复位能力，并常配合耗能装置以实现高抗震韧性。然而，CLT作为粘弹性材料，在持续荷载下会发生蠕变（creep），同时环境湿度和温度变化会引起干缩湿胀等环境应变。这些随时间变化的变形导致预应力损失，进而可能削弱PT CLT结构的抗震性能。现有研究大多关注PT CLT剪力墙的短期力学行为，而对其长期服役（如50年）后抗震性能退化问题关注不足。尽管已有针对PT胶合木框架长期性能的研究，但针对PT CLT剪力墙系统，尤其是结合预应力损失不确定性的抗震易损性评估，仍存在空白。因此，有必要系统量化50年服役期内预应力损失对PT CLT剪力墙侧向性能的影响，并评估由此导致的结构抗震易损性变化，为基于性能的长期抗震设计提供依据。论文发表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》，研究成果对于提升PT CLT结构在全寿命周期内的抗震安全性具有重要参考价值。

主要关键技术方法

研究人员采用了一种基于有限差分的迭代计算程序来预测PT CLT剪力墙在50年服役期内的预应力损失。该程序包含四个子模块：水分扩散分析（基于一维单Fickian扩散模型，考虑相对湿度和温度影响）、时间依赖弹性应变分析（根据含水率相关的弹性柔度计算）、时间依赖蠕变和环境应变分析（采用广义Kelvin模型模拟蠕变），以及预应力更新。该程序通过先前进行的500天长期性能试验进行验证。侧向性能评估采用经试验校准的OpenSees墙体模型，输入预应力损失结果。全尺寸墙体参数分析考察了初始预应力比、CLT层数、墙段数、长宽比和实验室条件（密封/非密封）等设计参数。地震易损性分析基于增量动力分析（incremental dynamic analysis, IDA），对多层级损伤状态（立即居住、生命安全、倒塌预防和完全损伤）建立易损性函数。样本来源为先前试验中的CLT墙体试件，包括墙-楼板组合试件和纯墙试件。

研究结果

Overview of the long-term performance test（长期性能试验概述）：研究人员对两组PT CLT剪力墙试件（墙-楼板试件和纯墙试件）进行了500天长期监测。墙-楼板试件的总预应力损失（14.4%–38.0%）显著高于纯墙试件（10.0%–10.5%），表明楼板横向蠕变对预应力损失贡献显著。该数据用于验证预应力损失计算程序，预测结果与试验吻合良好。

Posttensioning variations in full-scale PT CLT shear walls（全尺寸PT CLT剪力墙的预应力变化）：基于先前全尺寸PT CLT剪力墙侧向试验数据，研究人员采用校准模型评估了考虑时变预应力损失的侧向性能。结果表明，侧向承载力和2.5%层间位移角下的割线刚度在服役期内呈非线性下降，50%–65%的下降发生在最初五年内，对应超过一半的总预应力损失。不同初始预应力水平（σ₀ = 2.79 MPa, 4.18 MPa, 5.57 MPa）的墙体均呈现类似趋势。

Parametric analysis on posttensioning losses（预应力损失参数分析）：为量化不同设计参数的影响，研究人员对全尺寸双层PT CLT剪力墙进行了参数分析。发现预应力损失对初始预应力比（λ）敏感，λ从0.15增至0.55时，50年损失比从约22%升至约38%。CLT层数（3层、5层、7层）影响较小；墙段数（单段、双段、三段）增加会略微降低损失比（因应力分布更均匀）。长宽比增大（从1.0到3.0）导致损失比增加约10%。密封条件（降低水分交换）可显著减少损失，非密封试件损失比约为密封试件的1.5倍。

Seismic fragility（抗震易损性）：考虑预应力损失的校准结构模型用于预测50年后的抗震易损性。与新建结构相比，50年后PT CLT剪力墙结构在立即居住、生命安全、倒塌预防和完全损伤水平下的易损性分别增加3.0%–8.9%、2.8%–6.5%、2.7%–5.0%和1.6%–3.6%。易损性增幅随地震危险性水平降低而更显著，即低强度地震下退化影响更大。该结果突出了长期预应力损失对结构安全裕度的削弱作用。

讨论与结论

讨论部分指出，预应力损失主要源于CLT的蠕变和环境应变，且楼板横向变形加剧了损失。侧向性能退化非线性的特性表明早期监测和主动维护（如补张拉）的重要性。参数分析揭示了设计选择对长期性能的影响，低初始预应力比和较差密封条件会加速退化。抗震易损性分析表明，50年后结构失效概率增加，尤其在低烈度区更为突出，这提示设计师需在长期性能框架下重新评估安全裕度。研究结论总结如下：1）PT CLT剪力墙的侧向承载力和割线刚度在服役期内非线性下降，前五年下降占总下降的50%–65%；2）50年后，各损伤水平下抗震易损性增加1.6%–8.9%，且低地震危险性水平下增幅更显著；3）该研究为PT CLT剪力墙结构体系的长期基于性能抗震设计提供了有用参考。