基于数字图像相关技术的川斗式木结构在不同损伤状态下的荷载传递机制

《Engineering Structures》：Load transfer mechanism of Chuan-Dou style timber structures at different damage states based on digital image correlation

　　摘要：川斗式木结构是中国西南地区农村广泛使用的传统建筑，以其出色的抗震性能而著称。其抗震韧性体现在地震发生时，即便非结构墙体损坏，结构仍能保持完整。然而，目前关于该结构侧向荷载传递机制的研究尚不充分。为全面了解川斗式木结构的抗震性能，本研究通过1:7比例的准静态试验，采用了先进的非接触式测量技术——数字图像相关技术。基于视觉的监测方法能够更准确地获取不同损伤状态下的结构响应，进而揭示其背后的侧向荷载传递机制。研究结果表明，川斗式木结构在侧向荷载作用下存在多路径荷载传递机制。在初始损伤阶段，关键破坏区域主要集中在转角柱以及屋面接合处。随着损伤的发展，结构通过内力重分布逐渐进入准稳定状态。从纵向来看，该结构的延性更好，但侧向承载能力和荷载传递路径的冗余度低于横向。因此，加固工作应优先考虑纵向部分。本研究不仅阐明了传统川斗式木结构的刚度退化规律和损伤模式，还为类似木结构的保护策略提供了重要参考。同时，也展现了数字图像相关技术在复杂结构健康监测中的应用潜力，为未来结构损伤的诊断与预测提供了一种基于视觉的方法。

引言：2013年芦山7.0级地震后的震后调查表明，即使在高强度破坏区砌体结构完全倒塌，川斗式木结构依然能够在底墙损坏的情况下保持主要结构的完整性[1]，如图1所示。康定6.3级地震[2]和漾濞6.4级地震[3]的后续调查显示，木结构的损伤主要集中在榫卯接合处。例如，在强烈的地震作用下，柱脚接合处常常出现榫头拔出现象，这是由于缺乏与基石的机械锚固所致[4][5]。在极少数情况下，柱子中部也会发生断裂，这种情况较为罕见，通常是由于填充材料不均匀破坏导致柱高方向的剪力集中所致。如果基础发生破坏或柱子出现严重损坏，导致结构倾斜，也可能引发结构整体倒塌，甚至使木结构-砌体系统失去稳定性[6]。传统的经验认为，这些不同的损伤模式是由于川斗式结构中柱脚滑动以及榫卯接合处的能量耗散机制所导致的。然而，目前仍难以确定到底是哪根柱子或哪个接合处会首先发生破坏，也无法给出具体的加固建议。因此，准确描述川斗式木结构在侧向荷载作用下的破坏发展过程，是一个值得深入研究的问题。

已有若干研究[7][8][9][10]通过准静态循环加载试验，研究了不同填充墙配置的川斗式木结构的抗震性能。这些研究分析了结构的力-变形特性、刚度退化情况以及能量耗散能力。研究结果表明，木框架具有优异的延性和能量耗散能力，而填充墙则显著提升了结构的侧向承载能力和刚度。不过，这些研究主要关注填充墙与框架之间的相互作用，未能深入探讨木框架自身的侧向荷载传递机制。此外，这类研究仅限于单向水平荷载作用，没有考虑双向耦合效应。综上所述，迫切需要开展系统级的、多方向耦合的实验，并结合先进的监测技术，以更准确地揭示侧向荷载传递机制。

为寻找能够提升川斗式木结构抗震性能的加固策略，已开展了多项系统级实验与测试。崔等人[11]对原始状态及经过修复的川斗式木结构进行了振动台试验，结果显示，使用碳纤维增强聚合物和钢板可以显著提高结构的能量耗散能力。潘等人[12]对中国西南地区的二郎庙进行了现场动态测试和多尺度建模分析，研究发现榫卯部位存在不可恢复的变形，且整个结构表现出整体塑性行为，这凸显出对上部结构进行抗震加固的必要性。然而，这些研究依赖于传统的点测方法，无法全面掌握木框架的整体应变分布情况。这一局限性使得难以评估这些加固策略的有效性，也无法了解它们可能对其他结构构件产生的不良影响。采用数字图像相关技术等先进手段进行整体应变和位移测量，有助于深入分析结构的变形机制[13][14][15]，从而为传统川斗式木结构的保护、修缮及抗震设计提供更坚实的科学依据。

本研究旨在深入探讨川斗式木结构在侧向荷载作用下的侧向荷载传递机制及关键破坏区域。为此，本研究将数字图像相关技术与双向准静态加载试验相结合。研究结果不仅有助于深化对川斗式木结构抗震性能的理论认识，对其木结构的可持续保护与修复也具有重要的实践意义。此外，作为一种无损检测方法，数字图像相关技术在高复杂度结构中的应用，为结构工程领域的抗震性能研究开辟了新的思路，也为结构健康监测提供了新的方向。本文的研究方法部分如图2所示。

原型结构介绍：本研究选取平塘县金山村的一座两层川斗式木结构建筑作为原型，如图3所示。该建筑由三个木框架组成，每个框架包含五根柱子和九根檩条。这座原型充分体现了川斗式木结构的传统建造工艺和地域特色，能为本研究提供具有普遍意义的数据和结论。在模型设计方面，考虑到了原型建筑的填充墙系统。

测试结果与讨论：先前的研究[22]已经基于金属丝位移传感器提出了传统的分析方法，包括滞回曲线、骨架曲线以及能量耗散能力等参数。虽然这些研究遵循了传统结构试验的基本规范，但并未对完整的数字图像相关数据展开深入分析。本研究的核心目标，是基于结构不同的损伤阶段，探究侧向荷载传递路径的演变规律。

结论：本研究通过全场数字图像相关技术测量，分析了川斗式木结构在侧向荷载作用下的刚度退化规律、损伤模式以及侧向荷载传递机制。基于数字图像相关分析，明确了在早期损伤阶段，屋面转角柱的关键作用，同时也分析了正面门式框架结构的延性特征。这为结构损伤的诊断提供了一种基于视觉的新方法。

CRediT作者贡献声明：王浩：撰写——初稿、可视化、软件应用、研究方法、数据整理。孙柏涛：撰写——审稿与编辑、项目管理、研究方法、资金申请、概念构思。陈祥兆：撰写——审稿与编辑、验证、数据整理。王贤伟：撰写——初稿、验证、研究方法、数据整理。魏科：撰写——审稿与编辑、验证、数据整理。王一平：撰写——审稿与编辑、验证、数据整理。孙梦涵：

关于手稿准备过程中生成式AI及AI辅助技术的声明：在撰写本论文的过程中，作者们未使用任何生成式AI或AI辅助技术。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢与资金支持：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号U2239252、52279128）、黑龙江省自然科学基金（项目编号YQ2022E013）的支持。

王浩|孙柏涛|陈祥兆|王贤伟|魏科|王一平|孙梦涵
中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，中国黑龙江省哈尔滨市学府路29号，邮编150080