村鎮(zhèn)木構(gòu)架土坯圍護(hù)墻房屋足尺模型振動臺試驗(yàn)

PAGEPAGE12村鎮(zhèn)木構(gòu)架土坯圍護(hù)墻房屋足尺模型振動臺試驗(yàn)研究摘要：隨著社會主義新農(nóng)村建設(shè)的開展，村鎮(zhèn)建設(shè)的抗震防災(zāi)工作刻不容緩地提到了各級政府和廣大科技人員的議事日程。為了在我國廣大村鎮(zhèn)推廣應(yīng)用抗震技術(shù)，對村鎮(zhèn)新建民宅的設(shè)計(jì)與建造進(jìn)行規(guī)范和指導(dǎo)，使其具備一定的抗災(zāi)能力，建設(shè)部于2004年立項(xiàng)編制建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《村鎮(zhèn)與集鎮(zhèn)建筑抗震技術(shù)規(guī)程》。為使該規(guī)程的編制工作順利進(jìn)行，中國建筑科學(xué)研究院和工程抗震研究所的領(lǐng)導(dǎo)給予了大力支持，啟動了10萬元的規(guī)程配套研究經(jīng)費(fèi)，使得村鎮(zhèn)典型民宅的抗震性能試驗(yàn)研究得以順利進(jìn)行。本文作者根據(jù)多年來對村鎮(zhèn)房屋震害現(xiàn)場調(diào)查的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇農(nóng)村目前仍大量采用的木構(gòu)架承重土坯圍護(hù)墻房屋作為研究對象，采用足尺模型，在模擬地震振動臺上進(jìn)行試驗(yàn)研究。本文介紹了木構(gòu)架承重土坯、夯土和磚圍護(hù)墻房屋房屋的典型震害、試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)、試驗(yàn)概況與試驗(yàn)結(jié)果，為同行在類似的研究工作中提供參考。限于篇幅，本文沒有就結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)展開分析。關(guān)鍵詞：木構(gòu)架土坯圍護(hù)墻房屋足尺模型模擬地震振動臺抗震試驗(yàn)1引言房屋建筑是人們生活和生產(chǎn)的重要場所，在為人們提供室內(nèi)活動空間的同時(shí)應(yīng)具有安全和舒適的基本保障，但建于自然環(huán)境中的房屋建筑常常遭受地震、洪水、風(fēng)暴等自然災(zāi)害的襲擊并造成不同程度的破壞，對人們生命財(cái)產(chǎn)的安全造成威脅。隨著科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展，新材料和新技術(shù)的運(yùn)用大大提高了房屋建筑抵御災(zāi)害的能力。地震實(shí)踐表明，依據(jù)我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)建造的城市建筑基本能夠滿足規(guī)范提出的抗震設(shè)防目標(biāo)要求，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”，可以有效地減輕建筑的地震破壞，避免傷亡、減少經(jīng)濟(jì)損失。然而，對于我國廣大經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的村鎮(zhèn)地區(qū)來說，由于受經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?、傳統(tǒng)建筑型式、施工技術(shù)以及建造習(xí)慣等諸多因素的影響和局限，絕大多數(shù)房屋還不具備足夠的抗震防災(zāi)能力，但完全按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行村鎮(zhèn)房屋的抗震設(shè)計(jì)顯然是不切實(shí)際的。因此，研究提高村鎮(zhèn)建筑抗災(zāi)能力時(shí)，主要不是要求農(nóng)民放棄當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的建筑型式選擇另一種結(jié)構(gòu)類型，而是應(yīng)按照“當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，墻體與屋架不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞”的設(shè)防目標(biāo)，針對現(xiàn)有房屋的結(jié)構(gòu)類型在災(zāi)害中表現(xiàn)出的整體性不足、構(gòu)造不合理、習(xí)慣做法存在缺陷等方面予以改進(jìn)，或在構(gòu)造措施方面予以加強(qiáng)等。本文的試驗(yàn)研究本著“因地制宜、就地取材、簡易有效、經(jīng)濟(jì)可行”[1]的原則，旨在增加少量造價(jià)的前提下，采取有效且盡可能簡單、經(jīng)濟(jì)的抗震構(gòu)造措施，以期較大幅度地提高農(nóng)村房屋的抗震能力?？紤]農(nóng)村傳統(tǒng)習(xí)慣和經(jīng)濟(jì)技術(shù)上的可承受水平，對農(nóng)村現(xiàn)有木構(gòu)架承重土坯圍護(hù)墻單層房屋在結(jié)構(gòu)整體性和節(jié)點(diǎn)連接方面采取加強(qiáng)措施，進(jìn)行足尺模型的模擬地震振動臺試驗(yàn)，驗(yàn)證增加抗震構(gòu)造措施的抗震效果，為編制《村莊與集鎮(zhèn)建筑抗震技術(shù)規(guī)程》提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為農(nóng)村房屋抗震建設(shè)服務(wù)。2農(nóng)村木構(gòu)架承重房屋典型震害木構(gòu)架承重房屋，其屋架、屋蓋重量以及其他荷載由木柱及其形成的木構(gòu)架承擔(dān)。根據(jù)木構(gòu)架的結(jié)構(gòu)型式不同可分為：平頂木構(gòu)架（又稱門式木構(gòu)架）、老式坡頂木構(gòu)架（又稱小式木構(gòu)架）、木柱木屋架和穿斗木構(gòu)架四種。其圍護(hù)墻體主要有土坯墻、夯土墻、磚墻等。由于這類房屋普遍存在縱橫墻交接處連接薄弱，無圈梁、構(gòu)造柱等抗震構(gòu)造措施等問題，房屋整體性差，加上砌體的施工質(zhì)量、墻體材料和砌筑方法等方面的不良做法，如縱橫墻不同時(shí)咬槎砌筑、同一房屋墻體采用不同材料砌筑、里生外熟（里層土坯、外層磚，俗稱“金包銀”）墻體等，在地震作用下，內(nèi)外墻交接處易產(chǎn)生豎向裂縫，嚴(yán)重時(shí)外墻向外倒塌，特別是山尖墻相對高柔，更容易外閃倒塌（如圖1～圖4所示）。圖1夯土圍護(hù)墻外閃倒塌圖2磚圍護(hù)墻外閃倒塌圖3土坯圍護(hù)墻房屋墻倒架歪圖4木構(gòu)架房屋全部倒塌3木構(gòu)架承重土坯圍護(hù)墻房屋試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)3.1模型參數(shù)根據(jù)木構(gòu)架承重土坯圍護(hù)墻房屋的建筑材料、房屋規(guī)模（大?。┖徒Y(jié)構(gòu)構(gòu)造等特點(diǎn)，選取村鎮(zhèn)民居中典型的一個(gè)開間的房屋作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ蜑楸壤?：1的足尺模型。木構(gòu)架由木柱和三角形木屋架構(gòu)成，屋面由檁條、椽子、葦箔、泥被構(gòu)成。模型在振動臺下制作，建在鋼筋混凝土地梁上，試驗(yàn)時(shí)地梁與振動臺面錨固，地震力通過地梁傳遞給模型。模型采用了配筋磚圈梁，配筋砂漿帶，斜撐、剪刀撐，連接用的扒釘、鐵件、墻攬等造價(jià)低廉的抗震構(gòu)造措施。圖5是模型平面圖和地梁剖面圖。模型參數(shù)如下：⑴模型基座為500mm高鋼筋混凝土地梁；⑵模型尺寸：長4.90m，寬3.28m，高2.60m（自地梁頂至屋架下弦）；⑶模型總重量（包括地梁）：模型總重量約41t，小于標(biāo)準(zhǔn)加速度指標(biāo)下振動臺的承載能力60t；⑷土坯砌塊尺寸：長×寬×厚=360mm×240mm×120mm；⑸墻體厚度：外墻厚360mm，內(nèi)墻厚240mm，墻體兩側(cè)各抹20mm厚粘土泥漿，外墻總厚度為400mm，內(nèi)墻總厚度為280mm；北圖5試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫鎴D和地梁剖面圖3.2模型抗震構(gòu)造措施本試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕扇×艘韵驴拐饦?gòu)造措施：⑴在沿墻體高度方向的中部，配置了50mm厚的配筋砂漿帶，內(nèi)配2ф6鋼筋；墻體頂部配置140mm（兩皮磚）厚的配筋磚圈梁，內(nèi)配2ф6鋼筋，見圖6；⑵山墻與屋架用墻攬連接，見圖7；⑶縱橫墻交接處，沿墻高每隔400mm設(shè)荊條、葦桿、樹條、竹片等拉結(jié)層一道；縱橫拉接材料相交處用鉛絲綁扎；⑷屋架下弦沿長度方向每隔1000mm設(shè)置木夾板護(hù)墻；⑸屋架間設(shè)置剪刀撐；⑹木柱與墻體之間用鋼筋拉結(jié)；⑺承重木構(gòu)架各構(gòu)件間應(yīng)采用暗榫、燕尾榫、螺栓、扒釘、圓釘?shù)壤喂踢B接，屋架與木柱間加設(shè)斜撐，見圖6。墻攬圖6配置砂漿帶和配筋磚圈梁圖7山墻與屋架用墻攬連接3.3加速度傳感器布置根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，在模?1\*GB3①軸地梁上表面布置1對X、Y方向（模型的長向?yàn)閄方向，短向?yàn)閅方向）加速度傳感器，測量地梁上表面的加速度反應(yīng)；在模型外山墻（=1\*GB3①軸）上沿高度布置3對X、Y方向加速度傳感器，測量山墻平面內(nèi)和平面外沿高度的加速度反應(yīng)；在A軸墻窗臺和檐口高度各布置1個(gè)Y方向加速度傳感器，測量窗上、下墻平面外沿高度的加速度反應(yīng)；在A軸墻的兩個(gè)外墻角，沿房屋1/2高度處和檐口高度處布置4對X、Y方向加速度傳感器，測量外墻平面內(nèi)和平面外沿高度的加速度反應(yīng)；在內(nèi)橫墻（=2\*GB3②軸）上沿高度布置2對X、Y方向加速度傳感器，測量內(nèi)橫墻平面內(nèi)和平面外沿高度的加速度反應(yīng)；在B軸的門洞上口高度處布置1個(gè)Y方向加速度傳感器，測量門上墻平面外的加速度反應(yīng)；在B軸墻的兩個(gè)外墻角，沿房屋1/2高度處和檐口高度處布置4對X、Y方向加速度傳感器，測量外墻平面內(nèi)和平面外沿高度的加速度反應(yīng)；加速度傳感器共布置31個(gè)，具體位置見加速度計(jì)布置圖8，編號見加速度計(jì)布置位置表2-1-1。圖8模型加速度計(jì)布置圖4模型試驗(yàn)方法4.1地震波的選擇本次試驗(yàn)為單向輸入的模擬水平地震試驗(yàn)，地震波選用Ⅱ類場地的二組天然波，第一組是SANFERNANDO波，第二組是COALINGA波（表1）和一組Ⅱ類場地的人工波，模型進(jìn)入彈塑性階段后擬采用人工地震波激振，做到嚴(yán)重破壞。表1地震波信息表編號分量地震時(shí)間地震地點(diǎn)臺站地點(diǎn)震級震中距離(kkm)震源深度(kmm）震中烈度TH21.0335SOUT1971.2..9SANFERRNANDDO1760N..ORCCHIDAVENNUE,GGNDFLLOOR,,HOLLLYWOOOD,CAL.6.4--1311TH22.0335EASTTH31.0335S50E1983.5..2COALINGGAPARKFIEELD,VINEEYARDDCANYYON6.543.19--TH32.0335S40W4.2試驗(yàn)步驟=1\*GB2⑴對模型進(jìn)行低幅白噪聲激振，獲得模型的振型、自振頻率和阻尼；=2\*GB2⑵先對結(jié)構(gòu)X、Y向分級輸入SANFERNANDO、COALINGA和人工波，每級約50gal，觀察裂縫并進(jìn)行記錄，出現(xiàn)較嚴(yán)重裂縫時(shí)為止；=3\*GB2⑶以人工波作為輸輸入波繼續(xù)續(xù)進(jìn)行X、Y向試驗(yàn)直直至嚴(yán)重破破壞；=4\*GB2⑷在每級地震波試試驗(yàn)完畢后后，都輸入入白噪聲激激振以觀察察動力特性性的變化。試驗(yàn)詳細(xì)步驟見見表2（表中X向?yàn)榉课菸莸拈L向，Y向?yàn)榉课菸莸亩滔颍?。?shí)實(shí)際操作時(shí)時(shí)，可根據(jù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果果進(jìn)行調(diào)整整。表2木構(gòu)架架承重土坯坯圍護(hù)墻房房屋模擬地地震振動臺臺抗震能力力試驗(yàn)步驟驟序號輸入波臺面加速度峰值值測試內(nèi)容備注X向Y向1白噪聲0.035g振型、頻率、阻阻尼7度小震20.035g3第一組天然波((firsst)X0.035g加速度4第二組天然波((seconnd)X0.035g5人工波(mannmadee)X0.035g6第一組天然波((firsst)Y0.035g7第二組天然波((seconnd)Y0.035g8人工波(mannmadee)Y0.035g9白噪聲0.035g振型、頻率、阻阻尼100.035g裂縫觀察、記錄錄11～16重復(fù)3～8步0.07g0.07g加速度8度小震17、18白噪聲0.05g0.05g振型、頻率、阻阻尼裂縫觀察、記錄錄19～24重復(fù)3～8步0.10g0.10g加速度7度中震25、26白噪聲0.05g0.05g振型、頻率、阻阻尼裂縫觀察、記錄錄27～32重復(fù)3～8步0.15g0.15g加速度7．5度中震33、34白噪聲0.05g0.05g振型、頻率、阻阻尼裂縫觀察、記錄錄35～40重復(fù)3～8步0.20g0.20g加速度8度中震41、42白噪聲0.05g0.05g振型、頻率、阻阻尼裂縫觀察、記錄錄43～48重復(fù)3～8步0.30g0.30g加速度8．5度中震49、50白噪聲0.05g0.05g振型、頻率、阻阻尼裂縫觀察、記錄錄5試驗(yàn)結(jié)果果與分析5.1試驗(yàn)?zāi)ＤＰ偷恼駝觿臃磻?yīng)與破破壞現(xiàn)象本次試驗(yàn)從輸入入地面峰值值加速度為為0.0335g開始始，當(dāng)加速速度為0..07g時(shí)時(shí)，模型輕輕微振動，有有微細(xì)裂縫縫出現(xiàn)；隨隨著加速度度的增大，模模型的振動動明顯，裂裂縫增多、加加寬，當(dāng)加加速度達(dá)到到0.200g時(shí)，模模型出現(xiàn)扭扭轉(zhuǎn)，屋頂頂泥被開始始有碎土掉掉落；至00.30gg時(shí)，模型型扭轉(zhuǎn)加劇劇，窗洞和和門洞以上上部位明顯顯分離，裂裂縫增多，加加寬、部分分裂縫貫通通。模型裂裂縫分布見見圖9～圖12。5.2房屋模模型破壞機(jī)機(jī)理分析從試驗(yàn)裂縫分布布圖可以看看出以下特特點(diǎn)：⑴X方向地震作用下下南北立面面（內(nèi)橫墻墻與外山墻墻）墻體裂裂縫南立面為內(nèi)橫墻墻（=22\*GB3②軸），北北立面為外外山墻（==1\\*GBB3①軸）。在X方向地震震作用下，兩兩墻體的裂裂縫（如圖9和圖10所示）主要要沿豎向集集中在東西西兩側(cè)與木木柱對應(yīng)的的位置處，特特別是南立立面的西側(cè)側(cè)和北立面面的東側(cè)裂裂縫相對更更為密集，南南立面的西西側(cè)裂縫基基本在木柱柱位置沿豎豎向貫通，北北立面的東東西兩側(cè)裂裂縫則在木木柱位置沿沿豎向45度呈羽狀狀密集排列列，但南北北兩立面墻墻體裂縫并并沒有形成成較長的貫貫通主裂縫縫。經(jīng)分析析其原因有有兩點(diǎn)：一一是由于模模型是木構(gòu)構(gòu)架承重土土坯圍護(hù)墻墻結(jié)構(gòu)，墻墻體為自承承重，南北北山墻兩側(cè)側(cè)的裂縫是是在振動過過程中墻體體與木柱圖9模型北立立面裂縫圖圖圖10模型南立立面裂縫圖圖圖11模型西西立面裂縫縫圖圖12模型東立立面裂縫圖圖相互作用產(chǎn)生的的，由于木木柱與墻體體之間由配配筋磚圈梁梁和配筋砂砂漿帶中的的φ6鋼筋連接接，并沿墻墻高每隔4400mmm設(shè)有竹片片加強(qiáng)縱橫橫墻的拉接接，所以盡盡管在木柱柱位置產(chǎn)生生了裂縫，但但裂縫的寬寬度很小，縱縱墻在拉接接措施下沒沒有外閃，說說明圍護(hù)墻墻體與木柱柱的連接措措施是非常常有效的。二二是南、北立面墻墻體較長（4.990m），剛度相相對較大，墻墻體沿高度度設(shè)有配筋筋磚圈梁和和配筋砂漿漿帶，對墻墻體形成約約束，并在在一定程度度上提高了了墻體的承承載力，故故墻體沒有有形成較長長的貫通主裂縫縫。南立面門洞以上上至屋架下下弦之間墻墻體出現(xiàn)了了幾條斜向向和水平裂裂縫，北立立面檁條和和墻攬?zhí)幊龀霈F(xiàn)幾條較較小的斜裂裂縫，是由由于屋架構(gòu)構(gòu)件與墻體體相互作用用產(chǎn)生的。⑵Y方向地震作用下下東西立面面（外縱墻墻）墻體裂裂縫在Y方向地震作用下下，東西兩兩外縱墻裂裂縫如圖11和圖12所示。由由圖可見，墻墻體裂縫主主要集中在在窗洞四角角和門洞的的兩個(gè)上角角，但裂縫縫并未斜向向上延伸到到墻頂，洞洞口兩側(cè)的的墻體也未未出現(xiàn)較長長的斜裂縫縫。主要原原因：一是是模型的縱縱向較短，又又開有門窗窗洞口，墻墻體的抗剪剪承載能力力較橫向弱弱，故在地地震作用下下出現(xiàn)了典典型的洞口口角部的八八字形裂縫縫；二是因因?yàn)榕浣畲u磚圈梁阻止止了裂縫的的向上發(fā)展展；三是因因?yàn)榕浣钌吧皾{帶阻止止了該部位位墻體斜裂裂縫的形成成。由地震現(xiàn)場照片片可知（如如圖1），在縱縱向地震作作用下，圍圍護(hù)墻的山山墻特別是是山尖墻容容易出平面面倒塌。由由于模型的的山尖墻采采用墻攬與與屋架連接接，且兩屋屋架之間設(shè)設(shè)置了豎向向剪刀撐，這這使得模型型山尖墻在在0.300g（相當(dāng)當(dāng)于8度半）地地震作用下下完好無損損，說明墻墻攬和屋架架的連接較牢牢固，起到到了有效阻阻止山尖墻墻外閃的作作用。6試驗(yàn)結(jié)果果評價(jià)與增增加的用鋼鋼造價(jià)6.1試驗(yàn)結(jié)果果評價(jià)試驗(yàn)輸入的加速速度峰值達(dá)到0.30g（即達(dá)到8度半）時(shí)時(shí)，墻體裂裂縫較多（如如圖9～圖12所示），振振動過程中中觀察時(shí)裂裂縫寬度很很大，模型型相對振動動臺臺面的的位移在檐檐口高度處處為8.883mm，山山尖高度處處為11..98mmm。但振動動停止后觀觀察到的裂裂縫寬度最最大只有22mm，大大部分裂縫縫寬度在0.2～0.8之間，說說明抗震措措施對開裂裂墻體具有有較強(qiáng)的約約束能力。屋屋架、梁柱柱節(jié)點(diǎn)、墻墻與柱連接接節(jié)點(diǎn)的抗抗震效果良良好，達(dá)到到了預(yù)期目目的。在這這種破壞狀狀態(tài)下，對對較大裂縫縫采用灌泥泥漿修復(fù)后后，該模型型房屋可照照常使用。6.2模型房屋屋因抗震設(shè)設(shè)防所增加加的用鋼量量造價(jià)模型房屋的鋼筋筋用量為220kg，每每噸鋼材按按4800元計(jì)算，每每平方米建建筑面積約約6.4元。按每每戶建筑面面積60mm2，則每戶戶僅需384元。再加加上墻攬、支支撐、屋架架等所用的的鐵件、扒扒釘、螺栓栓等，每戶戶用于抗震震設(shè)防的鋼鋼材造價(jià)在在450元左右。這說明，采用簡簡單有效、經(jīng)經(jīng)濟(jì)合理的的抗震措施施，可使農(nóng)農(nóng)村中力學(xué)學(xué)性能最差差、但也是是最經(jīng)濟(jì)、最最易于就地地取材的土土木結(jié)構(gòu)房房屋也能承承受基本烈烈度（基本本烈度各地地不同）地地震的作用用，不致倒倒塌。7結(jié)論本項(xiàng)試驗(yàn)研究是是針對廣大大農(nóng)村地區(qū)區(qū)量大面廣廣的木構(gòu)架架承重土坯坯圍護(hù)墻結(jié)結(jié)構(gòu)單層房房屋進(jìn)行的的。對現(xiàn)有有的木構(gòu)架架承重土坯坯圍護(hù)墻房房屋采取抗抗震措施，并并對其進(jìn)行行模擬地震震振動臺試試驗(yàn)，為探探討經(jīng)濟(jì)可可行、簡單有效效的