生態(tài)文明建設(shè)下我國生土建筑抗震性能

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摘要：生土建筑是一種傳統(tǒng)建筑形式，但傳統(tǒng)生土建筑墻體材料抗震性能較差?？偨Y(jié)我國生土墻體抗震性能、生土房屋抗震性能、生土結(jié)構(gòu)抗震加固等方面的研究進(jìn)展，為生土建筑提供參考。

關(guān)鍵詞：生態(tài)文明；生土建筑；抗震性能

1生土墻體抗震性能研究

紅等通過3片夯土墻的低周反復(fù)試驗分析圈梁和構(gòu)造柱可約束夯土墻體后期變形，增加墻體延性，但對墻體承載力提高作用不大，并指出了夯土墻體施工中應(yīng)注意的問題；卜永紅等通過3片不同方法夯筑的夯土墻體抗震性能試驗，表明錯層夯筑法和加銷鍵夯筑均可提高墻體變形能力，采用錯層夯筑法還可提高墻體承載能力；卜永紅等提出了一種內(nèi)置繩網(wǎng)夯土墻體建造技術(shù)，低周反復(fù)加載試驗表明，內(nèi)置繩網(wǎng)夯土墻體的承載和變形能力比傳統(tǒng)夯土墻有很大提高。紅等通過試驗分析影響土坯墻抗震性能的主要因素，結(jié)果表明土坯墻體和磚砌體破壞模式相似，構(gòu)造柱與圈梁等抗震構(gòu)造措施可有效提高墻體抗震性能。陳漢清等基于正交試驗因素分析方法，運(yùn)用靜力彈塑性非線性有限元數(shù)值模擬，研究未開孔及開孔的素土坯墻體極限位移和極限荷載的影響因素（墻體厚度、豎向壓應(yīng)力及開孔大小等），評估土坯墻體在眾值烈度和基本烈度地震作用下的抗震性能，提出了素土坯墻體開洞尺寸的限制條件。阿肯江•托呼提等通過對木柱梁–土坯組合墻體的彈塑性有限元計算，證明組合墻體的抗側(cè)承載力、延性及耗能能力均比素土坯墻體有較大提高，評估素土坯墻體和組合墻體在眾值烈度和基本烈度地震作用下的效應(yīng)，認(rèn)為木柱梁–土坯組合墻體可達(dá)到“大震不倒”要求。王苗苗基于ANSYS通過有限元對未開洞及開洞的素土坯墻體進(jìn)行彈塑性動力時程分析，指出墻體裂縫多出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)薄弱部位，破壞時其底部沿平面內(nèi)外均有外鼓現(xiàn)象，通過彈塑性動力時程分析指出采用木框架加固素土坯墻體后墻體耗能能力明顯提高。吳鋒等通過擬靜力試驗進(jìn)行實體土坯墻及開洞土坯墻的抗震性能研究，結(jié)果表明土坯墻體試件的破壞形態(tài)為剪壓破壞或剪摩破壞，建立了土坯墻體承載力公式，指出開洞土坯墻體的承載力、剛度及耗能能力均有明顯下降，但延性有所提高。張偉等運(yùn)用簡化力學(xué)模型，基于峰值速度分析生土圍護(hù)墻傾覆倒塌的破壞機(jī)理，得出不同地震烈度下高厚比限值，可避免地震下生土墻體發(fā)生傾覆倒塌。陳國新等提出一種內(nèi)填植物纖維生土基砌塊生態(tài)復(fù)合墻體，通過低周反復(fù)加載試驗闡述試件破壞的主要過程和受力特點表明，該墻體有良好的抗倒塌能力，提出了影響復(fù)合墻體特征荷載和位移的主要因素。趙西平等對素土墻、灰土墻和草土墻的研究結(jié)果表明，在單調(diào)荷載或反復(fù)荷載作用下，灰土墻的極限剛度高于工況相同的素土墻和草土墻，素土墻和草土墻的耗能能力比灰土墻好。

2生土房屋抗震性能研究

申世元針對木構(gòu)架承重土坯圍護(hù)墻單層房屋進(jìn)行振動臺試驗，驗證了配筋砂漿帶、配筋磚圈梁、斜撐、剪刀撐等構(gòu)造措施及扒釘、墻纜等常用加強(qiáng)連接手段的有效性，結(jié)果表明，在地面峰值加速度為0.30g時仍未發(fā)生嚴(yán)重破壞。于文等以新疆喀什老城區(qū)的代表性房屋做研究原型，對按原型縮尺采取墻體內(nèi)外側(cè)角鋼帶加固、角鋼斜撐與檁條的連接和屋蓋增設(shè)扁鋼帶等措施進(jìn)行振動臺試驗，結(jié)果表明，加固后的原型房屋滿足喀什地區(qū)8度抗震設(shè)防的要求。劉開康以村鎮(zhèn)既有土坯結(jié)構(gòu)為研究對象，提出應(yīng)用摩擦滑移隔震技術(shù)對土坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震的措施，并對模型進(jìn)行振動臺試驗，對比分析厚度約1cm的砂?；茖痈粽鹉Ｐ秃突A(chǔ)固定模型試驗，驗證了砂層滑移隔震對土坯砌體結(jié)構(gòu)的減震效果。黃辰蕾針對西部農(nóng)村地區(qū)土坯墻結(jié)構(gòu)房屋的震害特征提出現(xiàn)澆石膏土坯墻、砌筑灰膏–土坯墻、木板夾芯結(jié)構(gòu)和木構(gòu)架–土坯墻結(jié)構(gòu)等4種結(jié)構(gòu)形式。通過振動臺試驗表明，現(xiàn)澆石膏土坯墻結(jié)構(gòu)和砌筑灰膏–土坯墻結(jié)構(gòu)的約束強(qiáng)于木板夾芯結(jié)構(gòu)和木構(gòu)架–土坯墻結(jié)構(gòu)；木板夾芯結(jié)構(gòu)和木構(gòu)架–土坯墻結(jié)構(gòu)比另2種結(jié)構(gòu)的變形性能好，但4種結(jié)構(gòu)均具有較好的抗倒塌性能，滿足8度抗震設(shè)防要求。周鐵鋼等在夯筑材料選擇、夯筑機(jī)具、夯筑工藝和結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施等方面進(jìn)行技術(shù)改良，提出現(xiàn)代夯土建筑的概念，制作了采用鋼筋混凝土構(gòu)造柱及現(xiàn)澆屋面的單層夯土房屋的1/2縮尺模型，抗震性能試驗結(jié)果表明，現(xiàn)代夯土建筑抗震性能得到很大提高，8度罕遇地震作用下模型房屋仍可繼續(xù)承載且具有較好的變形能力。同時，還進(jìn)一步運(yùn)用現(xiàn)代夯土技術(shù)制作單層坡屋頂原型房屋1/2縮尺振動臺模型，結(jié)果表明在8.5度罕遇地震作用下模型房屋仍可繼續(xù)承載，變形性能良好。吳鋒等通過振動臺試驗研究土坯房屋模型在不同地震強(qiáng)度下的抗震性能，結(jié)果表明，土坯房屋模型破壞形態(tài)與砌體房屋相似，并提出了罕遇地震作用下墻體承載力的土坯房屋抗震設(shè)計方法。

3生土結(jié)構(gòu)抗震加固措施研究

王建衛(wèi)等提出針對土坯墻采用鋼絲網(wǎng)水泥砂漿、木柱木梁、木板及木柱木梁加斜撐等措施進(jìn)行加固，對臥砌土坯墻體及加固墻片進(jìn)行低周反復(fù)試驗。結(jié)果表明，鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固墻體效果較顯著，水平承載力提高幅度最大，抗震性能提高最為顯著。木板及木柱木梁加斜撐加固墻體可有效約束墻體后期變形，延性提高幅度較大。木柱木梁形成邊框的加固體系對提高墻體承載力和延性作用均不大，加固效果一般。王建衛(wèi)還進(jìn)行了平砌土坯墻體及運(yùn)用塑鋼打包帶加固墻片的低周反復(fù)試驗，證明該加固措施可有效提高平砌土坯墻體的抗震性能。卜永紅針對夯土墻體提出應(yīng)用內(nèi)置繩網(wǎng)、加木構(gòu)造柱木圈梁框架等措施進(jìn)行加固，通過低周反復(fù)試驗表明，內(nèi)置繩網(wǎng)承重夯土墻體可有效結(jié)合繩索的抗拉特性與土體的抗壓特性，使墻體表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，夯土墻水平承載和變形能力得到較大提高；木構(gòu)造柱與木圈梁可有效約束T形夯土墻體與一字形夯土墻體，明顯提高墻體抗震性能。張又超等采用正放或斜放的鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層加固夯土墻體，通過5片縮尺墻片的低周反復(fù)加載試驗表明，加固后墻體的開裂荷載、極限荷載、開裂位移、極限位移均有明顯提高，夯土墻體的承載力提高，墻體脆性破壞特征得到改善，但該法對墻體的加固效果影響不大。張坤等提出磚柱錨桿構(gòu)造和磚柱配筋砂漿帶構(gòu)造2種夯土墻體加固措施，通過5片縮尺墻片的低周反復(fù)加載試驗表明，2種方法均可抑制墻體裂縫發(fā)展，約束夯土墻體變形，改善墻體脆性破壞特征，提高承載力和延性性能，但磚柱配筋砂漿帶對墻體延性影響較大，磚柱錨桿對墻體承載能力影響較大。張琰鑫等通過地震反應(yīng)譜分析表明，檁–墻連接部位、縱墻頂面部位及山墻中部是結(jié)構(gòu)的薄弱部位，提出在檁條下設(shè)置弧形墊塊、在縱墻頂面設(shè)置木圈梁和山墻外設(shè)置扶壁柱等解決方法，并通過分析驗證了這些方法的合理性。黃金勝等針對夯土墻提出鋼絲網(wǎng)水泥砂漿和玻璃纖維水泥砂漿加固法（統(tǒng)稱為夾板墻），研究表明該法對加固夯土墻體非常有效，加固后墻體的極限承載力和極限位移均得到大幅度提高。董玉將等以陜南典型夯土民居為原型設(shè)計了U形夯土墻片單元，針對墻體在地震中易發(fā)生外閃破壞的問題，設(shè)計了鍍鋅鐵絲網(wǎng)帶加固方法。試驗結(jié)果表明，通過對墻體設(shè)置水平及豎向鍍鋅鐵絲網(wǎng)加固帶，提高了房屋的整體性和抗震性能。周鐵鋼等提出在土坯墻內(nèi)設(shè)置水平和豎向配筋砂漿帶形成格柵配筋網(wǎng)加固墻體的方法，制作了1/2單間縮尺房屋加固模型，通過振動臺試驗表明，小震時格柵配筋網(wǎng)對裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展有抑制作用，大震時格柵配筋網(wǎng)對墻體約束較好，墻體無剝落現(xiàn)象，承載能力仍繼續(xù)保持，變形能力顯著增強(qiáng)。周鐵鋼等針對土坯圍護(hù)墻–木結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)民居，提出對木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點采用扁鐵、薄鋼片和角鋼進(jìn)行加固，在墻體內(nèi)外水平刻槽并設(shè)置配筋砂漿帶進(jìn)行加固，制作了1/2單間縮尺房屋加固模型，振動臺試驗表明，加固后的木結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，且能與土坯圍護(hù)墻協(xié)同工作，在總體上實現(xiàn)了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。木合塔扎爾白克•蘇力唐針對工字型土坯墻提出鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固的方法，擬靜力試驗表明，加固墻體的開裂荷載值比未加固土坯墻體提高近2倍，峰值荷載提高11倍并表現(xiàn)出良好的延性特征。黃斌等應(yīng)用有限元數(shù)值分析方法分析多種因素（墻體厚度、豎向荷載及開孔尺寸等）復(fù)合作用對鋼絲網(wǎng)砂漿加固墻體抗震性能的影響，表明對未開孔和開孔的加固墻體，豎向荷載均是影響墻體抗側(cè)承載力和變形能力的主要因素，在土坯房屋加固改造時應(yīng)合理設(shè)計屋（樓）面荷載。徐舜華等對采用武都地區(qū)施工工藝夯筑的2片夯土墻體進(jìn)行擬靜力試驗，在水平往復(fù)荷載作用下，墻體破壞始終沿夯土層間水平和垂直接觸裂縫處，最終形成碎裂塊。徐舜華等還進(jìn)一步提出使用鐵絲網(wǎng)加固夯土墻體的做法，通過4片夯土墻體的偽靜力試驗表明，該法可提高夯土墻體由于施工方法引起板與板之間薄弱部位的強(qiáng)度，增強(qiáng)夯土墻體的整體性，提高墻體抗震能力。許滸等提出一種采用薄壁型鋼條帶加固生土墻體、角鋼加固獨立柱和屋蓋的加固方案。通過典型生土建筑模型的地震倒塌全過程模擬表明，該方案可提高生土房屋的整體性，防止生土墻體倒塌破壞，顯著提高生土建筑的抗倒塌能力。張延年等提出一種對改性生土坯砌筑墻體運(yùn)用縱向布置4鐵絲、水平向布置鐵絲網(wǎng)等加強(qiáng)措施的加固生土墻體，低周反復(fù)試驗表明，該措施可提高墻體開裂荷載和極限荷載，顯著改善墻體的變形及耗能能力；指出改變水平鐵絲網(wǎng)間距可提高墻體的承載力，但對變形能力的提高不明顯。

4結(jié)束語

作為傳統(tǒng)民居的一種主要形式，生土建筑目前在我國村鎮(zhèn)仍大量存在，但由于生土建筑抗震性能較差，降低了使用的安全性。在生態(tài)文明建設(shè)背景下，對抗震性能較差的生土建筑進(jìn)行合理設(shè)計施工和有效修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)有重要意義。本文總結(jié)了我國生土墻體抗震性能、生土房屋抗震性能、生土結(jié)構(gòu)抗震加固等方面的研究進(jìn)展，可對生土建筑提供參考。

參考文獻(xiàn)

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作者：張波 單位：陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院