村镇木构架土坯围护墙房屋足尺模型振动台试验

PAGEPAGE12村镇木构架土坯围护墙房屋足尺模型振动台试验研究摘要：随着社会主义新农村建设的开展，村镇建设的抗震防灾工作刻不容缓地提到了各级政府和广大科技人员的议事日程。为了在我国广大村镇推广应用抗震技术，对村镇新建民宅的设计与建造进行规范和指导，使其具备一定的抗灾能力，建设部于2004年立项编制建设行业标准《村镇与集镇建筑抗震技术规程》。为使该规程的编制工作顺利进行，中国建筑科学研究院和工程抗震研究所的领导给予了大力支持，启动了10万元的规程配套研究经费，使得村镇典型民宅的抗震性能试验研究得以顺利进行。本文作者根据多年来对村镇房屋震害现场调查的实践经验，选择农村目前仍大量采用的木构架承重土坯围护墙房屋作为研究对象，采用足尺模型，在模拟地震振动台上进行试验研究。本文介绍了木构架承重土坯、夯土和砖围护墙房屋房屋的典型震害、试验模型设计、试验概况与试验结果，为同行在类似的研究工作中提供参考。限于篇幅，本文没有就结构的动力反应展开分析。关键词：木构架土坯围护墙房屋足尺模型模拟地震振动台抗震试验1引言房屋建筑是人们生活和生产的重要场所，在为人们提供室内活动空间的同时应具有安全和舒适的基本保障，但建于自然环境中的房屋建筑常常遭受地震、洪水、风暴等自然灾害的袭击并造成不同程度的破坏，对人们生命财产的安全造成威胁。随着科学和工程技术的发展，新材料和新技术的运用大大提高了房屋建筑抵御灾害的能力。地震实践表明，依据我国《建筑抗震设计规范》设计建造的城市建筑基本能够满足规范提出的抗震设防目标要求，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”，可以有效地减轻建筑的地震破坏，避免伤亡、减少经济损失。然而，对于我国广大经济不发达的村镇地区来说，由于受经济发展状况、当地建筑材料、传统建筑型式、施工技术以及建造习惯等诸多因素的影响和局限，绝大多数房屋还不具备足够的抗震防灾能力，但完全按照《建筑抗震设计规范》进行村镇房屋的抗震设计显然是不切实际的。因此，研究提高村镇建筑抗灾能力时，主要不是要求农民放弃当地传统的建筑型式选择另一种结构类型，而是应按照“当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时，墙体与屋架不致倒塌或发生危及生命的严重破坏”的设防目标，针对现有房屋的结构类型在灾害中表现出的整体性不足、构造不合理、习惯做法存在缺陷等方面予以改进，或在构造措施方面予以加强等。本文的试验研究本着“因地制宜、就地取材、简易有效、经济可行”[1]的原则，旨在增加少量造价的前提下，采取有效且尽可能简单、经济的抗震构造措施，以期较大幅度地提高农村房屋的抗震能力。考虑农村传统习惯和经济技术上的可承受水平，对农村现有木构架承重土坯围护墙单层房屋在结构整体性和节点连接方面采取加强措施，进行足尺模型的模拟地震振动台试验，验证增加抗震构造措施的抗震效果，为编制《村庄与集镇建筑抗震技术规程》提供基础数据，为农村房屋抗震建设服务。2农村木构架承重房屋典型震害木构架承重房屋，其屋架、屋盖重量以及其他荷载由木柱及其形成的木构架承担。根据木构架的结构型式不同可分为：平顶木构架（又称门式木构架）、老式坡顶木构架（又称小式木构架）、木柱木屋架和穿斗木构架四种。其围护墙体主要有土坯墙、夯土墙、砖墙等。由于这类房屋普遍存在纵横墙交接处连接薄弱，无圈梁、构造柱等抗震构造措施等问题，房屋整体性差，加上砌体的施工质量、墙体材料和砌筑方法等方面的不良做法，如纵横墙不同时咬槎砌筑、同一房屋墙体采用不同材料砌筑、里生外熟（里层土坯、外层砖，俗称“金包银”）墙体等，在地震作用下，内外墙交接处易产生竖向裂缝，严重时外墙向外倒塌，特别是山尖墙相对高柔，更容易外闪倒塌（如图1～图4所示）。图1夯土围护墙外闪倒塌图2砖围护墙外闪倒塌图3土坯围护墙房屋墙倒架歪图4木构架房屋全部倒塌3木构架承重土坯围护墙房屋试验模型设计3.1模型参数根据木构架承重土坯围护墙房屋的建筑材料、房屋规模（大小）和结构构造等特点，选取村镇民居中典型的一个开间的房屋作为试验模型，模型为比例1：1的足尺模型。木构架由木柱和三角形木屋架构成，屋面由檩条、椽子、苇箔、泥被构成。模型在振动台下制作，建在钢筋混凝土地梁上，试验时地梁与振动台面锚固，地震力通过地梁传递给模型。模型采用了配筋砖圈梁，配筋砂浆带，斜撑、剪刀撑，连接用的扒钉、铁件、墙揽等造价低廉的抗震构造措施。图5是模型平面图和地梁剖面图。模型参数如下：⑴模型基座为500mm高钢筋混凝土地梁；⑵模型尺寸：长4.90m，宽3.28m，高2.60m（自地梁顶至屋架下弦）；⑶模型总重量（包括地梁）：模型总重量约41t，小于标准加速度指标下振动台的承载能力60t；⑷土坯砌块尺寸：长×宽×厚=360mm×240mm×120mm；⑸墙体厚度：外墙厚360mm，内墙厚240mm，墙体两侧各抹20mm厚粘土泥浆，外墙总厚度为400mm，内墙总厚度为280mm；北图5试验模型平面图和地梁剖面图3.2模型抗震构造措施本试验模型主要采取了以下抗震构造措施：⑴在沿墙体高度方向的中部，配置了50mm厚的配筋砂浆带，内配2ф6钢筋；墙体顶部配置140mm（两皮砖）厚的配筋砖圈梁，内配2ф6钢筋，见图6；⑵山墙与屋架用墙揽连接，见图7；⑶纵横墙交接处，沿墙高每隔400mm设荆条、苇杆、树条、竹片等拉结层一道；纵横拉接材料相交处用铅丝绑扎；⑷屋架下弦沿长度方向每隔1000mm设置木夹板护墙；⑸屋架间设置剪刀撑；⑹木柱与墙体之间用钢筋拉结；⑺承重木构架各构件间应采用暗榫、燕尾榫、螺栓、扒钉、圆钉等牢固连接，屋架与木柱间加设斜撑，见图6。墙揽图6配置砂浆带和配筋砖圈梁图7山墙与屋架用墙揽连接3.3加速度传感器布置根据试验目的和要求，在模型=1\*GB3①轴地梁上表面布置1对X、Y方向（模型的长向为X方向，短向为Y方向）加速度传感器，测量地梁上表面的加速度反应；在模型外山墙（=1\*GB3①轴）上沿高度布置3对X、Y方向加速度传感器，测量山墙平面内和平面外沿高度的加速度反应；在A轴墙窗台和檐口高度各布置1个Y方向加速度传感器，测量窗上、下墙平面外沿高度的加速度反应；在A轴墙的两个外墙角，沿房屋1/2高度处和檐口高度处布置4对X、Y方向加速度传感器，测量外墙平面内和平面外沿高度的加速度反应；在内横墙（=2\*GB3②轴）上沿高度布置2对X、Y方向加速度传感器，测量内横墙平面内和平面外沿高度的加速度反应；在B轴的门洞上口高度处布置1个Y方向加速度传感器，测量门上墙平面外的加速度反应；在B轴墙的两个外墙角，沿房屋1/2高度处和檐口高度处布置4对X、Y方向加速度传感器，测量外墙平面内和平面外沿高度的加速度反应；加速度传感器共布置31个，具体位置见加速度计布置图8，编号见加速度计布置位置表2-1-1。图8模型加速度计布置图4模型试验方法4.1地震波的选择本次试验为单向输入的模拟水平地震试验，地震波选用Ⅱ类场地的二组天然波，第一组是SANFERNANDO波，第二组是COALINGA波（表1）和一组Ⅱ类场地的人工波，模型进入弹塑性阶段后拟采用人工地震波激振，做到严重破坏。表1地震波信息表编号分量地震时间地震地点台站地点震级震中距离(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试验步骤=1\*GB2⑴对模型进行低幅白噪声激振，获得模型的振型、自振频率和阻尼；=2\*GB2⑵先对结构X、Y向分级输入SANFERNANDO、COALINGA和人工波，每级约50gal，观察裂缝并进行记录，出现较严重裂缝时为止；=3\*GB2⑶以人工波作为输输入波继续续进行X、Y向试验直直至严重破破坏；=4\*GB2⑷在每级地震波试试验完毕后后，都输入入白噪声激激振以观察察动力特性性的变化。试验详细步骤见见表2（表中X向为房屋屋的长向，Y向为房屋屋的短向）。实实际操作时时，可根据据试验结果果进行调整整。表2木构架架承重土坯坯围护墙房房屋模拟地地震振动台台抗震能力力试验步骤骤序号输入波台面加速度峰值值测试内容备注X向Y向1白噪声0.035g振型、频率、阻阻尼7度小震20.035g3第一组天然波((firsst)X0.035g加速度4第二组天然波((seconnd)X0.035g5人工波(mannmadee)X0.035g6第一组天然波((firsst)Y0.035g7第二组天然波((seconnd)Y0.035g8人工波(mannmadee)Y0.035g9白噪声0.035g振型、频率、阻阻尼100.035g裂缝观察、记录录11～16重复3～8步0.07g0.07g加速度8度小震17、18白噪声0.05g0.05g振型、频率、阻阻尼裂缝观察、记录录19～24重复3～8步0.10g0.10g加速度7度中震25、26白噪声0.05g0.05g振型、频率、阻阻尼裂缝观察、记录录27～32重复3～8步0.15g0.15g加速度7．5度中震33、34白噪声0.05g0.05g振型、频率、阻阻尼裂缝观察、记录录35～40重复3～8步0.20g0.20g加速度8度中震41、42白噪声0.05g0.05g振型、频率、阻阻尼裂缝观察、记录录43～48重复3～8步0.30g0.30g加速度8．5度中震49、50白噪声0.05g0.05g振型、频率、阻阻尼裂缝观察、记录录5试验结果果与分析5.1试验模模型的振动动反应与破破坏现象本次试验从输入入地面峰值值加速度为为0.0335g开始始，当加速速度为0..07g时时，模型轻轻微振动，有有微细裂缝缝出现；随随着加速度度的增大，模模型的振动动明显，裂裂缝增多、加加宽，当加加速度达到到0.200g时，模模型出现扭扭转，屋顶顶泥被开始始有碎土掉掉落；至00.30gg时，模型型扭转加剧剧，窗洞和和门洞以上上部位明显显分离，裂裂缝增多，加加宽、部分分裂缝贯通通。模型裂裂缝分布见见图9～图12。5.2房屋模模型破坏机机理分析从试验裂缝分布布图可以看看出以下特特点：⑴X方向地震作用下下南北立面面（内横墙墙与外山墙墙）墙体裂裂缝南立面为内横墙墙（=22\*GB3②轴），北北立面为外外山墙（==1\\*GBB3①轴）。在X方向地震震作用下，两两墙体的裂裂缝（如图9和图10所示）主要要沿竖向集集中在东西西两侧与木木柱对应的的位置处，特特别是南立立面的西侧侧和北立面面的东侧裂裂缝相对更更为密集，南南立面的西西侧裂缝基基本在木柱柱位置沿竖竖向贯通，北北立面的东东西两侧裂裂缝则在木木柱位置沿沿竖向45度呈羽状状密集排列列，但南北北两立面墙墙体裂缝并并没有形成成较长的贯贯通主裂缝缝。经分析析其原因有有两点：一一是由于模模型是木构构架承重土土坯围护墙墙结构，墙墙体为自承承重，南北北山墙两侧侧的裂缝是是在振动过过程中墙体体与木柱图9模型北立立面裂缝图图图10模型南立立面裂缝图图图11模型西西立面裂缝缝图图12模型东立立面裂缝图图相互作用产生的的，由于木木柱与墙体体之间由配配筋砖圈梁梁和配筋砂砂浆带中的的φ6钢筋连接接，并沿墙墙高每隔4400mmm设有竹片片加强纵横横墙的拉接接，所以尽尽管在木柱柱位置产生生了裂缝，但但裂缝的宽宽度很小，纵纵墙在拉接接措施下没没有外闪，说说明围护墙墙体与木柱柱的连接措措施是非常常有效的。二二是南、北立面墙墙体较长（4.990m），刚度相相对较大，墙墙体沿高度度设有配筋筋砖圈梁和和配筋砂浆浆带，对墙墙体形成约约束，并在在一定程度度上提高了了墙体的承承载力，故故墙体没有有形成较长长的贯通主裂缝缝。南立面门洞以上上至屋架下下弦之间墙墙体出现了了几条斜向向和水平裂裂缝，北立立面檩条和和墙揽处出出现几条较较小的斜裂裂缝，是由由于屋架构构件与墙体体相互作用用产生的。⑵Y方向地震作用下下东西立面面（外纵墙墙）墙体裂裂缝在Y方向地震作用下下，东西两两外纵墙裂裂缝如图11和图12所示。由由图可见，墙墙体裂缝主主要集中在在窗洞四角角和门洞的的两个上角角，但裂缝缝并未斜向向上延伸到到墙顶，洞洞口两侧的的墙体也未未出现较长长的斜裂缝缝。主要原原因：一是是模型的纵纵向较短，又又开有门窗窗洞口，墙墙体的抗剪剪承载能力力较横向弱弱，故在地地震作用下下出现了典典型的洞口口角部的八八字形裂缝缝；二是因因为配筋砖砖圈梁阻止止了裂缝的的向上发展展；三是因因为配筋砂砂浆带阻止止了该部位位墙体斜裂裂缝的形成成。由地震现场照片片可知（如如图1），在纵纵向地震作作用下，围围护墙的山山墙特别是是山尖墙容容易出平面面倒塌。由由于模型的的山尖墙采采用墙揽与与屋架连接接，且两屋屋架之间设设置了竖向向剪刀撑，这这使得模型型山尖墙在在0.300g（相当当于8度半）地地震作用下下完好无损损，说明墙墙揽和屋架架的连接较牢牢固，起到到了有效阻阻止山尖墙墙外闪的作作用。6试验结果果评价与增增加的用钢钢造价6.1试验结果果评价试验输入的加速速度峰值达到0.30g（即达到8度半）时时，墙体裂裂缝较多（如如图9～图12所示），振振动过程中中观察时裂裂缝宽度很很大，模型型相对振动动台台面的的位移在檐檐口高度处处为8.883mm，山山尖高度处处为11..98mmm。但振动动停止后观观察到的裂裂缝宽度最最大只有22mm，大大部分裂缝缝宽度在0.2～0.8之间，说说明抗震措措施对开裂裂墙体具有有较强的约约束能力。屋屋架、梁柱柱节点、墙墙与柱连接接节点的抗抗震效果良良好，达到到了预期目目的。在这这种破坏状状态下，对对较大裂缝缝采用灌泥泥浆修复后后，该模型型房屋可照照常使用。6.2模型房屋屋因抗震设设防所增加加的用钢量量造价模型房屋的钢筋筋用量为220kg，每每吨钢材按按4800元计算，每每平方米建建筑面积约约6.4元。按每每户建筑面面积60mm2，则每户户仅需384元。再加加上墙揽、支支撑、屋架架等所用的的铁件、扒扒钉、螺栓栓等，每户户用于抗震震设防的钢钢材造价在在450元左右。这说明，采用简简单有效、经经济合理的的抗震措施施，可使农农村中力学学性能最差差、但也是是最经济、最最易于就地地取材的土土木结构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结论本项试验研究是是针对广大大农村地区区量大面广广的木构架架承重土坯坯围护墙结结构单层房房屋进行的的。对现有有的木构架架承重土坯坯围护墙房房屋采取抗抗震措施，并并对其进行行模拟地震震振动台试试验，为探探讨经济可可行、简单有效效的