弹性CLT摇摆墙的创新抗剪键：足尺试验与设计方法

《Resilient Cities and Structures》：Innovative shear keys for resilient CLT rocking walls: Full-scale experimental testing and design method

　　

交叉层压木材（CLT）摇摆墙系统因其诸多优势，正日益被采用为抗震区的抗侧力系统。随着墙体锚固设计向延性熔断件与弹性节点发展，楼板-墙体连接亟需超越传统托架与紧固件体系；该连接须适应墙体大幅竖向抬升与自由摇摆，可靠传递水平力，并使墙体在持荷往复循环中强度与刚度不退化。本文提出两种创新抗剪键，在面内与面外均实现摇摆墙与楼盖（重力框架）间的完全力与位移协调。研究人员通过一栋两层足尺弹性CLT墙体结构的试验评估其性能，详述两种抗剪键的设计方法与考量。拟静力循环加载至4%层间位移角，两种配置全程维持连续充分的水平力传递，使结构呈无损伤循环响应且具弹性特征，抗剪键始终处于弹性未损（未屈服）。所提抗剪键可补强全球工程中日益采用的自复位与性能化设计摇摆体系，适用于新建与加固。

研究背景方面，地震除直接致损外还引发长期经济损失与社会中断，抗震设计正向可量化弹性（resilience）演进，强调受控耗能、自复位、残余位移受限与震后快速功能恢复；质量木结构尤其是交叉层压木材（CLT）因环保与性能优势广受关注，CLT摇摆墙作为抗侧力系统（LLRS）具备高面内承载力与优良延性/自复位潜力。然而当墙体锚固（hold-down）走向延性熔断与弹性节点时，传统楼板-墙体连接（托架、竖向开槽钢键配特氟龙垫）在循环下出现局部屈服、捏缩与刚度退化，成为性能瓶颈，且普通竖槽会使销钉受弯卡死。因此须开发同时容许墙体竖向抬升+转动、可靠传水平力且自身保持弹性的抗剪键。研究人员据此开展两层足尺CLT结构拟静力单向/双向循环试验，集成弹簧摩擦阻尼器（RSFJ）锚固与两种新抗剪键：型槽抗剪键（PSS）与大销抗剪键（LPS），验证其力-位移协调与无损伤弹性行为。

关键技术方法上，研究人员建造6 m×4 m平面、总高6 m的两层全CLT结构，纵向LLRS为两片6 m高CLT摇摆墙配RSFJ锚固，横向配张拉斜杆与RSFJ；PSS置于楼板下、LPS置于楼板上分别单独测试，共约60次循环。加载依FEMA 461拟静力协议，单向至4%漂移、双向纵2.5%/横1.5%；作动器高4.85 m模拟一阶推拉变形，弦电位计与线性电位计监测整体位移、锚固与墙-楼抬升。PSS由多销穿经激光切割型槽钢板（倾角布置容面外转），墙侧加劲板防CLT压溃，PVC填块代特氟龙减摩并锁位；LPS为单大圆销嵌入墙中线槽，圆度容转动，同样配加劲板与PVC间隙填块。两键连接均用45°自攻螺钉。

研究结果按原文小节归纳。第2节摇摆机制与楼盖位移不协调指出，墙体绕趾转动伴抬升使墙-楼相对位移为竖向+转动耦合，致木材压碎、紧固件屈服；最优解是连接同时容抬升与转动而仅传水平力。第3.1–3.3节试验概念与协议表明，足尺结构以摩擦节点+抗剪键实现力-位移兼容，循环不退化。3.4节PSS显示：多销沿型槽随墙抬升转动，型槽廓形化解竖槽卡滞；测得的锚固抬升与墙-楼电位计位移吻合，证明均匀无约束抬升；滞回呈RSFJ支配的无退化旗帜形并完全自复位。3.5节LPS显示：单圆销在墙槽承压传水平为竖反力启摇摆，圆销容转动；同样获得锚固与墙-楼抬升同步、无退化旗帜形滞回与自复位；拆验销钉无弯、CLT销孔无压溃撕裂。两键全程弹性无伤。第4节设计方法给出两法求需求（理论层力分配或数值模型提取），以超过MCE漂移并计锚固后屈服伸长确定廓形；PSS用绕Y轴旋转矩阵由销初始坐标(P_x,start,P_z,start)与墙转角θ推最终坐标，得销行径Δx、Δz公式（基础级与楼层级含层位移平移矩阵），廓形由对称镜像生成；销按剪、承压、弯（Gap段受弯控制直径）设计。LPS按圆销承压+转动间隙设计。

讨论与结论部分，研究人员指出传统连接是弹性摇摆墙体系的薄弱环节，所提PSS与LPS首次于足尺弹性摇摆墙中验证：在4%单向及2.5%/1.5%双向漂移下，全程提供墙-楼盖面内面外力与位移完全协调，抗剪键自身保持弹性无屈服无损伤，使RSFJ锚固的自复位旗帜形滞回得以实现，结构无循环退化、近零残余位移。抗剪键应作为LLRS中“最后站立”的弹性元件，设计须以超MCE漂移与锚固附加位移容量为准。该成果为延性/自复位CLT摇摆墙提供可复制的楼板连接解，契合性能化与弹性城市导向，适用于新建与既有木结构抗震加固。论文发表于《Resilient Cities and Structures》。