木质结构因其高强度、低密度、环保可持续和可再生特性，在我国拥有深厚的传统根基。然而，上世纪八十年代，我国因木材资源枯竭和外汇储备短缺，木结构的应用和研究一度陷入停滞。国际上，木结构已突破传统框架，转向以优化木材性能和充分利用木基复合材料的轻质木结构系统。近年来，轻型木结构在中国的高端别墅建筑，如北京、上海和山西等地崭露头角。作为现代木结构的重要形态，轻型木结构因其自重轻，地震时吸收的能量较少，展现出卓越的抗震性能，北美居民住宅和部分商业建筑普遍采用，日本新建住宅中超过四成选择木结构。鉴于此，特别是在地震频发的地区，轻型木结构的优势尤为明显[1]。2017年，住建部发布了《装配式木结构建筑技术标准》，正式推动了木结构预制房屋的发展。为了顺应国家的技术经济导向，发展适合大规模生产的轻型木结构房屋体系显得至关重要。山西某企业研发的纤维增强覆面木基结构装配体系，其核心是工厂预制的轻质楼板、墙板、桁架和屋面板等，现场通过组装和胶合连接形成整体[2]。木基结构的构件制作流程包括精确切割实木板和胶合板，挑选原料，清理表面，自然干燥至适宜含水量，然后按规格拼接成板，再用符合等级的木基板叠层并用胶液粘合，表面覆盖中碱玻璃纤维和凝胶材料，形成封闭结构的预制构件。这种体系主要适用于抗震设防烈度小于或等于8度的低层住宅，其中，纤维增强覆面木基墙板（简称木基墙板）是抵抗侧向力的关键组件。本研究选择了典型规格的木基墙板进行试验，旨在探究其抗震性能，为制定《纤维增强覆面木基结构装配房屋技术规程》提供实证支持。
1试验概况
1.1试件设计
为了进行深入的结构性能评估，构建了三种不同配置的实验模型，编号为QB1至QB3。QB1和QB2的设计宽度均为1500mm，但 QB1没有内墙支柱，其结构由42mm厚的框架、网格骨架以及复合材料面板构成；而QB2则是同样的宽度，但在一侧增设了墙体支柱，该支柱位于非动力作用侧。QB3的独特之处在于它的一侧边框被替换为104mm厚的墙骨柱，这个转变是通过20mm的黏合剂将两个边框紧密连接，边框使用标准的30mm宽木质基板层压拼接，并经过浸胶工艺固定[3]。如图1所示，QB3的详细尺寸和构造细节清晰呈现，其墙体与楼板的连接方式模拟实际建筑施工，即使用黏合剂填充30mm的缝隙以实现牢固结合；同时，墙板通过两端的16个M12螺栓、16个M6自攻螺丝和中部的5个M16贯穿螺栓，与钢制底座形成一体。QB1和QB3的轴向载荷根据底层木结构房屋典型墙体承受的负载来设定；而QB2的轴力则是QB1的两倍，旨在满足三层木结构墙体可能遇到的最大承载需求，确保试验的实用性与准确性。
图1 试件 QB3 尺寸图及墙板构造详图
1.2 装置配置、程序导入与测量方法
实验采用动态等效加载策略，即在固定垂直压力的前提下，实施周期性的水平变动载荷（水平移动）。加载设备的详细构造如图2所示，样本通过坚固的基座与测试平台紧密相连。首先，对样品顶部施加恒定的轴向推力，而在进行水平反复加载时，负载点距离墙面基础平面保持2490mm的距离[4]。初始水平力设定为10kN，每次递增10kN作为控制力，直至观察到明显裂纹、力-位移曲线的明显转折，或当位移角达到1/800（对应于3mm）的阈值，这些标志视为理论屈服位移的显现。此后，进入位移控制阶段，每个级别重复加载三次。当水平力降至峰值荷载的85%以下，试验才会终止。样本的位移监测点分布如图3所示：D1至D6以及D14负责墙体的横向位移测量，D1设在楼板中心，距离基座顶部2490mm，用于记录顶部的水平变化；D3至D6均匀分布在墙体高度上，间距为620mm；D7关注基座的水平滑移；D8和D9记录墙板顶端相对于地表的垂直位移；D10和D13位于墙体底部，测量墙体相对于基座的垂直位移；D11和D12位于基座两侧，监控基座的侧向变形；最后，D15测量墙板的侧向移动，其位置位于距右侧边缘100mm和上层楼板150mm的特定点。
图2 试验加载装置图
图3 位移计测点布置
2破坏过程与破坏形态
QB1和QB2的受力行为显示出一致性，尽管QB2在较高的轴力下较早地经历了裂缝的生成，比QB1提前了两个加载阶段。QB1比较典型的是，在以60kN的控制力加载下，当顶点水平移动达到名义屈服位移（3mm）后，进入位移控制阶段。在3倍的名义位移时，底部200mm区域出现了密集的细小水平和斜裂缝，缝隙宽度约0.1mm。当加载提升到6倍时，伴随着显著的破裂声，右侧边框连接部位产生了垂直裂缝，并逐渐扩展至0.4mm，同时在墙体底部850mm区域出现了新的水平裂缝，原有的裂缝长度达到350mm，宽度保持在0.1mm，边缘部分的胶层微弱碎裂，有小块胶脱落[5]。到了8倍位移，左侧边框处也显现了垂直裂缝。10倍位移时，承载能力分别降至96.83kN和-59.41kN，分别占正反向峰值承载力的73%和49%，试验随之终止。
QB3的带墙骨柱试件则展示了不同的过程：初始加载时以60kN控制，随后转为位移控制。在3倍位移阶段，墙体两端靠近底部140mm位置出现了水平和斜裂缝，而墙骨柱侧面600mm区域的木条接合处则有数条垂直裂缝。当加载至4倍位移，底部墙骨柱与墙板的连接处出现垂直裂缝，侧边木条接合处不仅有垂直裂缝，还伴随有水平裂缝的形成，伴随着撕裂声，木条纵向拼接处断裂，表皮胶脱落，相邻裂缝横向相连[6]。在8倍位移时，墙骨柱与墙板结合处的垂直裂缝扩大至0.75mm。当位移达到10倍时，两侧底部有小块胶脱落，正反向承载力分别下降至75.16kN和-81.73kN，大约相当于水平峰值承载力的65%，试验随之结束。这三个试件在破坏后的裂缝分布有各自的特性：QB1的裂缝主要集中在左侧850mm墙体底部和300mm边缘，右侧则在200mm底部和300mm边缘；QB2的裂缝广泛分布在底部500mm和两侧边缘500mm处；QB3的裂缝主要集中在墙骨柱侧面，墙身裂缝较少，集中于底部200mm和两端边缘各100mm区域。所有试件的破坏形态表现出相似性，即墙板底部两侧呈现多条细窄的水平和斜裂缝，以及边框或墙骨柱与墙板连接处的垂直裂缝，整体呈现弯曲破裂的特征。
3试验结果及分析
3.1滞回曲线与骨架曲线
从实验数据中得到各试样顶点的水平荷载-位移响应（F-U0）曲线，如图4所示，其中D1点的位移测量值对应于距离墙体底部2490mm的位置。正向加载表现为正向推力，反向加载则为拉力。以QB1为例，图5进一步展示了关键点D6、D10和D13的水平力-位移关联曲线，其余试样的曲线特征相似。观察图6，每个试样的顶点滞回曲线显得不完整，呈现出明显的倒S型特征。而图6显示，D10和D13的墙体垂直位移较大，这暗示了墙体的显著转动。墙板顶部的水平位移实际上包含着水平滑移和墙体旋转导致的顶部位移，如图7所示。为了深入研究墙板的抗震性能，需要对D1点的顶点水平位移数据进行校正。对比图4和图7的数据，三个试样在未经修正时的最大顶点水平位移约为30mm，但经过滑移和转动校正后的位移峰值仅在6mm至7mm之间，仅为原始值的五分之一。这清楚地表明，对滞回曲线进行修正对于理解试样性能至关重要。
图4 试件实测水平力-位移（F-U0）滞回曲线
图5 QB1 关键测点水平力-位移关系曲线
图6 试件修正顶点水平位移
图7 修正后水平力－顶点位移（F-U）滞回曲线、骨架曲线
3.2承载力
从调整后的滞回曲线和骨架曲线上解析各试件的承重性能。利用能量平衡原理，通过对骨架曲线的分析来确定标准的屈服标志点，即当力达到顶峰时。研究结果显示，除了QB2的反向加载情况，所有试件的最大承载力都超过了100kN，充分满足了三层轻质木质结构房屋的地震抵抗要求。值得注意的是，墙体支柱的受力状态对承载力存在显著效应，当支柱承受拉力时，其峰值承载力相较于受压状态下提升了7%。纤维增强覆面木基墙板在抗震性能实验中的承载力是关键的指标之一。通过实验结果分析发现，该墙板在受力作用下能够承受较大的载荷，表现出良好的承载能力。这说明纤维增强覆面木基墙板具有较强的抗压能力，能够在地震等灾害性事件中为建筑物提供更好的保护和支撑。因此，这项实验结果有助于验证纤维增强覆面木基墙板在抗震方面的优越性能，为其在建筑领域的应用提供了可靠的技术支持。
3.3变形能力
当承载力达到45kN时，试件的顶点水平位移、名义屈服位移Uy、峰值位移Up以及各关键点位移对应的顶点位移角θ的数据。根据试验数据，试件的名义屈服位移角的平均范围在1/768至1/518之间，而峰值位移角的平均值则介于1/528至1/445之间。值得注意的是，相较于QB1，轴向力较大的QB2试件其名义屈服位移角更小。此外，未配置墙骨柱的QB1试件相比于装有墙骨柱的QB3试件，表现出更大的变形，其名义屈服位移角和峰值位移角分别是QB3的1.5倍和1.2倍。
3.4刚度
在实验考察的三组样本中，刚度的递减趋势相对平稳，其峰值刚度大约降至起始状态的40%到44%之间，表现出良好的稳定性。值得注意的是，QB1和QB2的刚度差异微乎其微，表明轴向压力对整体墙板刚度的影响相当有限。相比之下，带有墙骨柱的QB3试样则显示出显著的优势，其刚度大约是一般情况下的1.2倍，这清楚地揭示了墙骨柱的存在对提升墙板刚度起到了决定性的作用。
4结论
通过深入细致的低频反复冲击测试，本文针对三种不同构造的纤维增强木质复合墙板进行了详尽的力学特性分析，得出以下观察结果：(1) 墙板的失效模式表现为：在墙体底部两端产生水平和斜向裂缝；垂直裂缝主要出现在墙骨柱或边缘框架与墙板的接合处，以及墙骨柱木条的接合点；水平和斜向裂缝较窄，而垂直裂缝的宽度随水平位移增加而扩大；当轴向力较大时，裂缝出现的时间提前。所有试样均经历压缩弯曲的破坏模式。(2) 在测试过程中，墙板相对于基座的转动幅度显著，校正后的顶点水平位移大约是实际测量值的五分之一，峰值位移角在1/528到1/445的范围内变化。(3) 所有试样的水平峰值承载力都超过了100kN，符合三层轻型木结构房屋抗震承载力的要求。(4) 墙骨柱能够增强墙板的刚度，且在受拉状态下的承载力略高于受压状态。
参考文献
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