李源河 徐伟涛 李 超 宋 怡 姚利宏

（1.内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，呼和浩特 010018；2.国家林业和草原局林产工业规划设计院，北京 100010）

台风是一种热带气旋，气象学上将热带洋面上逆时针方向旋转（赤道以南为顺时针旋转），中心附近最大风速达到6级（10.8 m/s）或以上的大气涡旋，统称为热带气旋（Tropical cyclones）[1]。气象学规定，中心风力在12～13级（即32.7～41.4 m/s）的热带气旋称为台风；中心风力在14～15级（41.5～50.9 m/s）的称为强台风；中心风力≥16级（≥51.0 m/s）的称为超强台风。我国是受台风影响最大的国家之一，严重的台风灾害主要集中在7～9月，我国东南沿海地区及内陆地区每年因台风遭受重大损失。近年随着经济高质量发展及国家对环境保护的要求，轻型木结构作为必不可少的建筑结构形式呈现需求增长,并且潜力巨大的发展态势。轻型木结构围护结构最易于在台风中发生风致损坏，因此对轻型木结构在台风作用下的破坏与损失进行预测研究，对于提高木结构建筑抗风质量、防风减灾等具有重要意义。本文以轻型木结构建筑台风荷载响应为切入点，从理论到方法、验证、分析对国内外该领域的相关研究进行介绍。

1 台风对木结构建筑作用的分析与计算

轻型木结构建筑结构设计中，荷载路径是需重点考虑的因素，不适当的荷载路径是导致风振破坏的主要原因之一[2]。Shanmugam等[3]用极限抗拔能力、初始刚度和峰值荷载下的垂直位移三个连接参数分析轻型木结构的荷载响应。宋芳芳[4]通过对台风灾后调查统计资料和结构破坏现象特点的分析总结，将台风对建筑结构的作用分为直接作用在结构内外表面的风压力和间接作用产生的风致残骸导致围护结构的损伤。准确计算台风作用下的荷载和结构所受冲击力是预测和评估木结构在台风中破坏程度的必要条件。台风作用下的荷载路径和结构行为非常复杂，因此必须经过合理简化才能应用于工程，简化的要素必须最大程度地反映台风荷载特性。Datin等[5]介绍了以数据库辅助设计(DAD：database-assisted design)的方法分析结构受到的风荷载作用，但该方法要求了解所研究结构中特定响应的影响系数，这些系数需从风洞实验和数值模型中获得。宋芳芳根据结构损伤原因将台风的作用简化为三个方面： 1）台风作用于结构外表面的外风压； 2）结构表面出现破损之后内部显著增大的内压； 3）风致残骸导致围护结构破坏的因素[4]。

1.1 台风致外风压

木结构风荷载设计需先计算结构外表面的风荷载标准值及基本风压。根据国标GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中关于垂直于建筑物表面的风荷载标准值规定，主要受力结构风荷载标准值计算采用公式（1）[6]。围护结构风荷载标准值计算采用公式（2）[6]。

式中：ωk——风荷载标准值,kN/m2；

βz——高度Z处的风振系数；

μs——风荷载体型系数；

μz——风压高度变化系数；

ωo——基本风压，kN/m2。

式中：βgz——高度Z处的阵风系数；

μsl——风荷载局部体型系数。

结构设计中对风载荷进行计算，以使结构在使用期限内满足预定功能的风荷载要求；对台风致结构损伤进行预测则是为了计算实际的风荷载，从而得到结构真实响应，二者计算的目的有本质不同。宋芳芳据此将台风作用下外风压的计算方法调整为公式（3）和（4）[4]。

式中：ωE——外风压,kN/m2；

CPE——外风压压力系数；

ρ——空气密度,kN/m3；

ν——结构屋面平均高度处的峰值阵风风速,m/s；

——10 min平均风速,m/s；

γgust——峰值阵风风速与10 min平均风速之间的阵风因子。

1.2 台风致内压

据国内外台风灾后调查统计数据显示，结构表面破损后风致内压和外风压是导致屋盖、墙体或结构整体性倒塌的主要原因。宋芳芳对于台风流动达到稳态阶段时，洞口分布位置、数量变化、风向角等因素对内压分布的影响规律进行了研究。利用软件Gambit建立几何模型并进行近80万个网格划分，再将与原模型相似的边界条件以及计算需要的各种参数输入Fluent软件，进行2 000次循环迭代的数值模拟方法，对模型进行了单一主洞口、多洞口和不同风向角工况数值模拟，认为内压在结构内部各表面近似均匀分布，最终得出风致内压的简化计算公式（5）[4]。

式中：CPI——风致内压系数；

CPE——洞口处外风压系数；

n——结构外表面洞口数量。

1.3 台风致残骸作用

台风中飞行的残骸穿透围护结构将导致内压瞬间增大，然后使屋面、侧墙和背风墙面等负风压区风压增倍，进而使围护构件继续失效产生更多残骸而形成破坏连锁反应。对风致残骸致使围护结构破坏的研究主要为台风致残骸危险性分析、残骸运动轨迹分析和围护结构抗冲击承载力分析。

2 轻型木结构台风致荷载响应研究

在美国，高层建筑的风场分析和设计往往是通过大量的风洞实验研究实现，相对而言，对低层建筑在风场作用下的性能研究相对滞后[7]。由于经济原因，很少有关于低层木结构建筑的详细风洞实验，而且不同屋顶形状、屋顶类型和屋顶坡度都会影响空气湍流的分离、再附着和湍流的形成，因此对不同类型轻型木结构建筑风致荷载响应的预测结果存在很大差异。复杂的湍流结构相互作用和时间、空间上的风荷载显著差异性，使得建立低层建筑实际的风致荷载响应预测具有很大的挑战性。

研究轻型木结构台风致荷载响应的一般方法是：首先建立一定比例尺寸模型（最好是全尺寸模型），并在风墙实验室中进行风洞实验，加载内压和外压时空变化的时间历程数据，获得物理模型在不同风速和风向角下的结构响应；然后建立三维有限元数值模型，加载与物理实验相同的内压和外压时间历程数据，以获取结构在风荷载下的响应预测；比较风洞实验数据和数值模型的预测数据，从而验证数值模型，验证后的数值模型框架随后被用于分析各种建模技术的影响(图1)。

图1 研究轻型木结构台风致荷载响应的一般方法Fig.1 The general method of typhoon-induced load response of light timber buildings

2.1 风洞实验

风洞实验可追溯到Case等[8]在边界风洞实验室(BLWTL)中对1/100的木结构建筑模型进行不同风向角外压下木结构所承受的局部压力和结构荷载的比较实验。Parackal等[9]对选定的1/50比例的一层和二层木结构住宅做了风洞实验，发现顶板上的峰值负压出现在顶板边缘和脊线处，主要是由流动分离或涡形成所致，并发现房屋多个迎风方向产生了高压住力（hold-down forces）。Satheeskumar等[10]做了全尺寸的木结构荷载实验，发现木结构建筑的屋顶与墙体的垂直荷载分担取决于连接处的刚度和桁架的位置。Jing等[11]为了验证低层木结构建筑数字建模方法，探索其在超强风事件中的失效模式和渐进破坏，按照实际建筑1/4的比例构建模型，在风墙实验室中进行风洞实验，测试了模型中围护结构、框架构件和节点的风致荷载响应。

有名的佛罗里达国际大学风墙实验，其设备(图2)产生的风场宽6 m，高4.3 m，可满足小型建筑的大尺寸或全尺寸模型的空气动力学测试。测试选用的低层轻型木结构建筑为美国国家标准和技术研究所（NIST）空气动力学数据库中的一个通用模型，该模型平面为矩形，按照实际建筑1/4的比例建构后，平面长3.57 m，宽2.29 m，双坡屋顶的坡度为14°，屋檐高度按比例缩至0.91 m。模型长边侧面一个0.3 m×0.525 m的门用以模拟开口破裂时洞口的状况，以评估风致内压的影响。云杉（spruce）和冷杉（fir）2#木材分别被用于墙骨柱（wallstud）和屋顶桁架（rooftruss）构件，11mm厚定向结构刨花板（OSB）被用作墙体和屋顶覆层材料，模型框架之间、框架与覆层的连接均采用钉子、飓风连接带（hurricanetie）等金属构件(图3)。

图2 佛罗里达国际大学的风墙实验设备[11]Fig.2 Wall of Wind (WOW) facility side at Florida International University (FIU)

图3 佛罗里达国际大学风墙实验物理模型[11]Fig.3 Building model used in WOW experiment at FIU

实验模型共安装了352个外压旋塞和4个内压旋塞用于测量空气动力压力的时程变化。分别用安装于与结构表面刚性连接的木材之上的线性位移传感器（LVDTs）和拉绳位移传感器（CelescoSP-2stringpots）测量屋顶覆层的位移和所有室内框架屋顶与墙体连接处（RTWCs）的向上位移。风压时程数据由直径6.35 mm的聚氨酯压力管和型号为DSA4000，ZOC 33 Scanivalve的数据采集系统在520 Hz采样率基础上采集，之后通过实验预估的压力管系统的传递函数对压力管引起的畸变效应进行修正，并以100 Hz的频率对数据进行低通滤波。实验独创性地测试了风致内压和风致外压下覆层挠度和屋顶与墙体连接部分（RTWCs）挠度的数值变化，具有重要的参考价值，为数值模型可以容纳多种材料和结构连接的力学荷载变形特性提供了可参考的物理实验数据，并且其实验方法和设备选用对于研究台风致木结构荷载响应实验设计具有借鉴和参考意义。

2.2 轻型木结构建筑风致效应数值模型

轻型木结构中木框架剪力墙是主要受力构件，一般由墙骨柱、顶梁板和底梁板、门窗洞口上的过梁以及覆面板通过钉连接而成，其侧向力主要由覆面板承受，然后通过钉子传递至木框架[12]。利用ANSYS有限元建模软件对实验建筑进行数值建模，结构的每个构件都可以直接由ANSYS的内置单元表示。风荷载作用于结构表面由涡流结构与建筑几何形状之间的相互作用决定，并且风荷载传递的荷载路径是由结构构造通过个体构件的相对刚度和位置来控制的。

Martin[13]、Pfretzschner等[14]对模型进行了如下三个级别的对比响应验证：1）二维单体桁架的挠度及三维桁架构件的荷载和挠度分担；2）二维剪力墙内平面墙体系统刚度与钉距的相互关系；3）三维完整建筑结构内的影响功能。为了在数值模型中不构建覆板钉的模型以减少计算量，但同时又能确保数值模型可以准确预测到覆板钉在实际风荷载下对结构荷载路径的影响，他们采用了两种建模技巧：1）假设覆层的连续性；2）调整覆层的剪切模量使覆板钉的影响被计算在墙体和屋顶内部。然而，模型的预测能力仅局限于横向和竖向荷载路径的弹性范围内，并且不能捕捉风荷载情况下内部组件连接处等关键部位的力学行为。Asiz等[15]的模型通过非线性链接元素可以反映所有构件间连接处连接件的受力情况，包括地基上的地脚螺栓，覆层与框架连接的钉子，以及屋顶桁架与墙体连接处经过特殊处理的框架与框架连接的钉子。Pan等[16]将几何非线性纳入了建模分析中，并尝试使用屋顶的一片覆板条识别7种失效模式来模拟渐进失效问题。失效模式包含覆层与桁架连接（STTCs）的拔出、拉穿和荷载滑移3种模式；并提出轴向应力、剪切力、弯曲应力和位移阈值4种覆层受力模式。

Zisis等[17]使用大量全尺寸实验设施和其他特殊的设备进行现场监测，对整个轻型木结构建筑在风荷载作用下的动态影响进行研究。利用安装于框架、屋顶和基础上的测力元件，验证了结构衰减(structural attenuation)这一现象，并将此纳入加拿大国家建筑规范。Jacklin等[18]建模时将屋顶结构与顶板相连，假设RTWCs下的墙体对变形的影响可忽略不计，并推论墙体构件在施加巨大荷载情况下几乎不会发生轴向变形。 He等[19]回顾和讨论了以上所有低层木结构建筑风荷载数值模型的不足，提出关于每个组件的有限元建模方法。谢文博等[20]研究了木结构建筑楼盖结构振动特性与建筑舒适度耦合性能，对其进行有限元振动模型计算、模态试验及振型和舒适度分析，得出楼盖结构的基频模拟值与测试值相对误差为4.852%。Jing等提供了一种数值模型的建模方法，可以帮助确定低层轻型木结构建筑在风荷载作用下贯穿线性到非线性范围的实际荷载路径和荷载分担。综上所述，低层轻型木结构建筑风性能数值模型所面临的挑战是，既要保持非线性模型的高分辨率，又要在整个建筑尺寸内施加动态风荷载，并且缺乏基于大尺寸或者全尺寸实际模型在风洞实验中的测试结果与对数值模型整个失效过程进行验证。

2.3 数值模型的加载及验证

2.3.1 数值模型的加载

数值模型的加载基于等效面积原则。物理模型中如果采用高密度的测压孔可以获得理想的加载分辨率，即有限元模型的加载网格直接由物理模型的测压孔数量决定。通常有两种典型的风荷载分布，即各风荷载工况的时间均值和吹向建筑结构屋顶的普通风向角下的时程荷载，如90°。Qin等[21]介绍了数值模型风吸力负载(wind up lift load)加载的计算公式，详细介绍了耿贝尔分布(Gumbel distribution)在求解外风压系数上的应用和有无开口两种情况下的内风压系数加载计算公式。Guha等[22]研究了加载时间对结构的影响，风暴持续时间从1 h增加到5 h时，结构的失效增加了15%。Henderson等[23]对全尺寸的屋顶进行加载波动变化的风压实验，研究发现：屋顶-墙体对于相对较小的拔出力，即连接可以恢复到原来的位置时，影响结构恢复变形的系数只在峰值期间改变；对于较大的、永久性拔出，影响系数为永久性改变。

2.3.2 验证

Jing等的验证方法分为两步：首先进行物理模型和数值模型的平均时间响应比较，利用线性位移传感器测量的屋顶覆层位移值，与拉绳位移传感器测量的所有室内框架屋顶与墙体连接处向上位移值作为真实的结构行为，并与数值模型预测值进行比较。然后，进行物理模型和数值模型的时间历程中的验证比较(validation in time-history domain)，比较测量值和预测值在不同时间点下覆层挠度值的差异，分析挠度最大值和最小值以及波动样式的差异。Stevenson等[24]指出，对木材结构进行准确分析就必须考虑木材的各向异性特性、连接件的复杂行为和许多可能发生的破坏模式。研究采用力包络法(Verification of force envelope method)对模型进行验证，在不同类型的建筑中使用一致的方法比较获得每个单元上可能的最大负载影响，根据相对的线性需求容量比(demand-to-capacity ratios)来确定可能失效的单元，以确定所有脆弱单元来揭示之前未考虑过的关键条件。Maloney等[25]的有限元模型验证范围从单个组件扩展到整个建筑物以增加验证的准确性，对建筑整体的验证采用有限元模型进行静力侧向推覆分析和从有限元模型中提取特征值两种方法。

2.4 建模方法对结构行为的影响分析

轻型木结构建筑有限元建模方法对结构行为的影响分析主要分为三方面：1）框架连接建模对围护结构荷载分担的影响。Jing等人为了区分RTWC建模方法之间的区别，对外围护结构的冯米塞斯应力分布(the Von Mises stress distribution)的7种案例在同一风况下进行比较，旨在涵盖所有RTWC建模的可能方式，这些建模方式根据自由度（DOF）的处理进行分类。2）屋顶覆层紧固能力对覆层失效的影响。钉在木结构中主要用于传递剪力、抵抗拔力，在长期载荷作用下连接节点会发生多种形式的破坏。Dao等[26]通过对比一个轴向钉模型和轴向弯曲钉在每个钉连接处的覆层位移来确定不同钉模型的效果。轻型木结构建筑在低风速情况下不考虑覆板钉的旋转能力会高估覆板的反应，在高风速事件例如发生台风，覆板钉的旋转能力产生的影响将变得显著，在覆层失效预测中尤其不可忽略[27-33]。3）基础连接对结构行为的影响[34-37]。当基础连接变得更加密集时，建筑围护结构和主要抗风系统产生的变形不大。比较而言，基础连接密度对梁和墙骨柱的影响更大，因为它们之间的连接是封闭的，但梁却是风荷载下最不易损坏的构件。

3 结语

目前轻型木结构台风致荷载响应的一般研究方法是建立有限元数值模型，并且在一个大尺寸建筑模型实验中进行验证。采用的建模方法可以模拟连接件及整个结构的非线性行为，并且对基于线性的相应部分的性能预测也有帮助。研究表明：直接使用有限元软件内置单元作为一种实用技术是可行的。数值模型的验证可通过比较在时空变化的真实荷载下经数值模型分析和物理实验方法获得的屋顶覆层和RTWCs挠度实现。然后在验证模型的基础上，进一步研究模型对结构某些特定部分如RTWCs、基础紧固件、墙骨柱连接和STTCs的影响。未来应进一步研究并量化结构部件的力学性能，特别是连接处的力学性能。

在实际应用中，限制连接件建模的主要瓶颈是缺乏一个具有各种类型木材和木材连接件非线性材料特性的详尽资料库。木材组件强度由木材纤维丝角、结晶度、纹孔及木材化学组分决定，因此研究中关注木材紧固件和木材连接件的延性，可以更为有效地利用木材组件（如框架和覆层）的强度，而不会使木材组件力学性能超出线性范围。今后该领域的研究需注重对各种结构构件（如覆板、框架构件）和连接件（如覆板钉、飓风连接带）的风性能力学试验，以获得反映木材构件材料特性和连接点之间关系的荷载-位移曲线，以及连接件在高波动风荷载作用下的滞回曲线。了解材料性能对结构构件和连接件抗风性能的限制，有助于建立从木材材性到结构力学性能的微观到宏观的研究机制，从而促进对木结构台风荷载响应更深层次的研究。