作者：Nadine M. Post

5月9日，在美国加州大学圣地亚哥分校的高性能户外振动台上进行的地震模拟实验中，一个高10层大体量的木制“摇摆”结构证明了它的价值，该框架的设计具有足够的弹性，可以在几乎没有或根本没有结构损坏的情况下抵御强烈的地震。

在5月9日的第一次测试中，研究小组模拟了1994年洛杉矶北岭地震，当时洛杉矶发生6.7级地震。不久之后，他们又模拟了1999年台湾的七级地震。

美国国家科学基金会自然灾害工程研究基础设施“高层木结构”项目的首席研究员裴先令在测试后说，在这两次测试中，标本“表现完全符合预期”。

经过详细检查，研究人员没有发现结构受到损坏。“在连续两次模拟大地震后，这座建筑结构仍然没有受损，”裴先令说，他也是科罗拉多矿业学院的副教授，该学院承包了“高层木结构”项目。

他补充道：“我们找到了一种建造高层木结构的方法，这种结构可以满足抗震设计。”他说，在第一次检查时，非结构系统受到的损坏非常小。

这座112英尺（约34.14米）高的结构是有史以来他们测试过的最高大体量的木制建筑。裴先令说：“除了真正的地震，没有人见过这么大的建筑摇晃。”

这项由美国国家科学基金会资助的研究将最终形成摇摆墙系统的设计和施工指南。裴先令表示，最终报告将于今年下半年发布，但去年《ASCE结构工程》杂志上已经发表了一篇题为《后张拉大体量木制摇摆墙的抗震设计程序》的文章，该文章由裴先令和其他五人合著。

他补充道，“整个项目完成后，我们将尝试将摇摆墙系统纳入建筑规范。”

该标本由LEVER建筑公司设计，占地面积为32英尺（约9.75米）×34英尺（约10.36米）。据LEVER公司称，柱子位于40英尺（约12.19米）×25英尺（7.62米）的摇台上，但楼板的悬臂梁超出了一侧的摇台。

这个112英尺（约34.14米）高的建筑标本包括四个部分的立面组件、一些内墙和一个10层高的楼梯塔。它由大体量木制楼板组成，由交错层压木材（CLT）、胶合层压木材、单板层积材（LVL）或层板钉合木组成，具体取决于楼板水平。

大体量木制楼板与LVL梁和柱组合在一起，主要是为了抵抗重力荷载。为了抵抗振动台引起的地震荷载，测试的四个侧面都有10英尺（3.048米）宽、与结构框架齐高的垂直后张拉大体量木制摇摆墙，尽管其中一面墙靠着楼梯间。

两堵墙是CLT板，两堵是大块胶合板。

一位俄勒冈州波特兰市的结构技术总监、KPFF咨询工程师办公室高层木结构设计和施工团队成员里德·齐默尔曼表示，关于后张拉，每个摇摆墙都有两个高强度螺纹杆，它们与预压CLT板或大体量胶合板配合。里德与华盛顿大学的研究人员合作，设计和分析了框架的横向系统。

在墙的底部，钢筋锚固在地基上。在墙的顶部，螺纹杆连接到一个钢“鞍”组件上，该组件将荷载从螺纹杆转移到大体量木墙板中。

齐默尔曼说，在摇晃过程中，大体量木板会摇晃，在墙的跟端抬起，在墙趾压缩，同时总是受到后张拉杆的控制并“回到中心”。

该标本基于未建成的12层建筑结构项目，由LEVER与KPFF共同设计。但对这座高大的木结构建筑所做的研究是需要修改法规和更多的规范。

齐默尔曼说：“这次测试的影响是巨大的。”他补充道：“大多数横向连接都受到木框架的启发。”

齐默尔曼说，其中包括摇摆墙底部拐角处的钢板，这些钢板与钢制剪力键反应，以抵抗底部水平向的剪力，防止滑动。它们还“保护”墙壁，防止墙趾被挤压。

在摇晃之前，后张杆提供的压缩应力沿着墙壁的长度均匀分布。在震动过程中，当墙在其前缘（即墙趾）附近晃动时，先前均匀分布的应力集中在墙趾处。齐默尔曼解释说，墙底部的钢板有助于减少集中压缩应力造成的潜在挤压。

摇摆墙系统的另一个重要细节是通过将一块钢板弯曲成U形而制成U形弯曲板。U形板的一侧用螺栓固定在墙的边缘处，另一侧用螺钉固定在相邻的柱子上。

齐默尔曼解释说，当大体量木墙的跟部边缘向上摆动时，它与不向上摆动的柱子之间的相对位移迫使U形板“向外滚动”。他补充道，当它们滚动时，它们会弯曲，并耗散地震输入的能量。

他补充道，尽管U形板可以处理许多屈服循环，特别是因为在轧制过程中，钢板屈服是沿着板的长度共享的，但它们也可以被替换。

另一个重要的连接是从地板到摇摆墙。该连接允许在摇晃过程中进行水平力传递，同时也适应了由于墙壁摇晃而产生的隆起。齐默尔曼说，这对于实现弹性设计是必要的，因为墙壁摇摆引起的隆起不会对地板系统造成破坏。

地板到墙壁的连接包括一个“钢舌板”，该悬臂伸入一个矩形钢的“口袋”中，在墙上排列着聚四氟乙烯，在这种情况下是指特氟隆。

齐默尔曼表示，因此，在震动过程中，墙板可以围绕“钢舌板”自由提升和旋转，同时地板与墙壁保持牢固连接且未受损。

四个摇摆墙中的三个位于标本的边缘，部分包裹着，以测试非结构构件的性能。第四堵墙在内部，靠近楼梯间。

加州大学圣地亚哥分校表示，最近对振动表的升级增加了振动轴的精度，更好地模拟了实际地震事件。

根据学校的说法，现在，它能够再现地震期间发生的3D地面运动，表现地面在六个度上自由移动。

该校表示，该平台具有世界上最大的有效载荷能力，能够承载和摇晃重达2000公吨（450万磅）的结构。

高层木结构项目的总资金为620万美元，包括2017年在一个两层木结构上进行的地震振动测试。除了美国国家科学基金会，该项目还得到了美国林业局、森林产品实验所和一些工业合作伙伴的支持。

一个大学联盟正在高层木结构项目上进行合作。除了科罗拉多矿业学院，这些学校还包括内华达大学、雷诺大学、科罗拉多州立大学、华盛顿大学、华盛顿州立大学、加州大学圣地亚哥分校、俄勒冈州立大学和利哈伊大学。

“每个人都从测试中受益，”建造该结构框架的木材实验室高级项目经理布鲁克·惠特塞尔说。“我们希望鼓励人们进行基于性能的设计，直到规范被采纳。”

LEVER测试结构框架负责人乔纳森·赫普纳称，这项研究“令人兴奋”。他补充说，即使在摇摆框架被纳入建筑规范之前，设计指南“也将有助于许可证审批流程”。

自五月初以来，该团队已经进行了20次模拟较小地震的测试。裴先令说，总的来说，结构框架没有损坏。

所有较小的测试将在5月20日前完成。裴先令说，下周，“我们将模拟比北岭地震更大的地震。我们将达到地震等级测试的极限值。”