村镇木构架土坯围护墙房屋足尺模型振动台试验

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；洋⑵那肝模型尺寸移：破长估4.90访m颈，飘宽献3.28玻m救，含高郊2.60宰m菊（自地梁钞顶至屋架嗓下弦）；蹲⑶踢翼模型总重改量（包括见地梁）：匹模型总重权量物约程41惩t忠，小于标忌准加速度蓬指标下振御动台的承会载能湾力宰60毁t酒；首⑷柏火土坯砌块旬尺寸：律长喇×住宽飞×塌厚余=360捐mm×2负40mm与×120贼m蝶m夺；仁⑸窗颜墙体厚度溪：外墙佣厚卸360m锡m从，内墙耻厚巴240m饭m隆，墙体两鸭侧各踏抹乒20m猎m禽厚粘土泥香浆，外墙航总厚度路为碧400m甩m帽，内墙总睡厚度押为斤280m提m吩；北惑图鬼5恳环试验模型病平面图和现地梁剖面绝图老3.2座播模型抗震测构造措施拴本试验模甲型主要采说取了以下朽抗震构造梳措施想：直决⑴赛宿在沿墙体软高度方向笼的中部，欲配置年了考50m消m届厚的配筋委砂浆带，苍内则配刘2螺ф绘6轰钢筋；墙忆体顶部配稿置群140m视m棋（两皮砖疗）厚的配乖筋砖圈梁咱，内罪配瓣2慈ф液6孙钢筋，见妨图蒸6圾；坦⑵粒载山墙与屋图架用墙揽痕连接，见辩图裤7相；键⑶矩粮纵横墙交牢接处，沿滚墙高每骄隔顽400m软m锈设荆条、侍苇杆、树赤条、竹片扮等拉结层向一道；纵针横拉接材诚料相交处乡用铅丝绑雅扎；书⑷稼晌屋架下弦杰沿长度方笔向每在隔自1000肝m渠m舰设置木夹窃板护墙；足⑸翼糕屋架间设拍置剪刀撑糖；钟⑹企木柱与墙醉体进之间鸣用钢筋拉幕结；拿⑺氏耀承重木构撕架各构件释间应采用瑞暗榫、燕拜尾榫、螺播栓、扒钉向、圆钉等库牢固连接所，屋架与污木柱间加三设斜撑，叠见尚图歉6慎。墙揽秀图模6锋停配置砂浆计带和配筋甜砖圈浓梁探馒币奉捡牧骨狐丢图秀7耗蔑山墙与屋喘架用墙揽催连接顶3.3踪驾加速度传厌感器布置块根据试验塔目的和要死求，在模飘型=1\*GB3伸①李轴地梁上丽表面布扑置造1逢对建X篇、棋Y料方向（模蝇型的长向针为岂X拖方向，短痕向剩为吹Y今方向）加伏速度传感览器，测量怎地梁上表孕面的加速晶度反应；栏在模型外肿山墙（=1\*GB3制①阳轴）上沿杜高度布玉置炮3违对子X滥、升Y树方向加速呈度传感器蝶，测量山例墙平面内祸和平面外季沿高度的有加速度反兴应；绢在双A番轴墙窗台狗和檐口高范度各布恢置携1绝个叼Y腰方向加速焦度传感器俗，测量窗湾上、下墙醉平面外沿支高度的加龙速度反应在；扒在姨A我轴墙的两染个外墙角次，沿房份屋帆1/恋2绢高度处和班檐口高度解处布见置与4下对叮X届、沫Y幻方向加速清度传感器江，测量外域墙平面内初和平面外董沿高度的珠加速度反帜应；竟在内横墙占（=2\*GB3线②腰轴）上沿闷高度布催置草2自对铁X喂、湿Y姨方向加速亏度传感器距，测量内堡横墙平面掀内和平面呢外沿高度并的煤加速度反乒应；养在苍B扭轴的门洞驳上口高度童处布顺置滤1屑个随Y浮方向加速颠度传感器箭，测量门叛上墙平面叶外的加速舅度反应；友在胁B坊轴墙的两供个外墙角北，沿房产屋堡1/亦2宁高度处和沉檐口高度蛾处布你置问4急对踪X白、欢Y巷方向加速工度传感器侦，测量外圆墙平面内售和平面外辅沿高度的垒加速度反沉应；拥加速度传胳感器共布稠置罗3尝1唱个，具体宅位置见加悉速度计布党置管图精8念，编号见怎加速度计与布置位置心表市2-1-冈1队。井图泳8逝此模型加速尸度计布置督图泄4厌船模型试验进方法松4.榜1按地震波的公选择股本次试验掩为单向输思入的模拟像水平地震膨试验，地典震波选弃用登Ⅱ目类场地的舱二组天然炭波，第一傻组是侦SAN肯FERN勿ANDO拼波，第二社组是故COAL晚INGA店波（务表朱1请）和一利组恐Ⅱ捆类场地的晃人工波，收模型进入饲弹塑性阶溪段后拟采述用人工地神震波激振萝，做到严纺重破坏。扎表锻1习地震波信跟息表纷编号学分量表地震时间忆地震地点捧台站地点仍震级舰震中距屑离丈(km罪)愉震源深邮度等(k榴m干）咬震中烈度客TH21胶.035逮SOUT轿1971墓.2.9剩SAN粉FERN腿ANDO发1760荒N.胁ORCH宇IDA棵VENU誉E,GN栗DFLO燥OR,肺HOLL扯YWOO备D,C能AL.观6.4辜--维13引11乱TH22胶.035港EAST扰TH31孤.035雪S50E耽1983自.5.2凉COAL钉INGA提PARK视FIEL板D,V帝INEY金ARD猎CANY朝ON叙6.5往43.1沟9善--义TH32科.035史S40W地4.2两避试验步骤=1\*GB2橡⑴孤择对模型进必行低幅白碌噪声激振淡，获得模坦型的振型耗、自振频政率和阻尼肝；=2\*GB2豪⑵申锹先对结扶构驴X参、棒Y依向分级输护入堪SAN澡FERN联ANDO基、较COAL呈INGA模和人工波语，每级循约甜50ga劝l帽，观察裂漂缝并进行霜记录，出碗现较严重干裂缝时为惯止；=3\*GB2卷⑶筛虾以人工波达作为输入支波继续进遮行醉X粘、坏Y蛾向试验直向至严重破势坏；=4\*GB2暗⑷疏犬在每级地戒震波试验菌完毕后，华都输入白纵噪声激振榆以观察动坝力特性的演变化。篇试验详细黑步骤见缺表湾2数（表蚁中万X谨向为房屋熊的长向暂，持Y施向为房屋畜的短向）飘。实际操简作时，可闪根据试验斑结果进行突调整。刑表歌2任闲木构架承岭重土坯围杀护墙房屋译模拟地震除振动台抗捕震能力试纱验步骤停序号折输入波屈台面加速脸度峰值暑测试斜内容这备注棒X骗向芳Y副向丧1队白噪声监0.03抗5g芬振型、频赠率、阻尼轮7西浆度小震锐2炒0.03各5g袍3冒第一组天券然桶波欧(少firs文t)X达0.03芳5g旱加速度惜4膀第二组天咏然烂波棍(粘s融econ瓣d眯)X堆0.03撤5g良5办人工炊波嫁(说manm固ade躁)X帖0.03那5g扇6绪第一组天侍然允波筛(祝firs迎t)Y桐0.03欣5g某7土第二组天哨然奖波纵(外s仔econ点d忍)Y骗0.03钟5g晕8订人工版波偶(却manm蜂ade穗)Y践0.03娱5g殖9籍白噪声日0.03怜5g换振型、频搅率、阻尼冒10充0.03休5g乖裂缝观察截、记录骂1惹1肉～专16比重月复满3戏～扯8凉步闹0.07附g厕0.07捉g续加速度拖8府桑度小震另1表7据、用18莲白噪声巷0.05晴g贯0.05触g施振型、频拣率、阻尼昂裂缝观察滋、记录装1式9仙～建24朵重叙复桥3剂～抚8革步航0.10传g哪0.10搭g虑加速度么7黄窗度中震叹2愤5帅、满26块白噪声漆0.05勾g懒0.05埋g情振型、频牙率、阻尼矮裂缝观察敬、记录辞2陷7扰～依32蠢重残复纹3亮～荣8纵步栗0.15盗g伐0.15奖g栏加速度渐7匀．填5纲策度妖中震林3姿3蛋、息34碍白噪声躲0.05正g芬0.05路g游振型、频钓率、阻尼没裂缝观察领、记录鸭3他5怕～朝40旦重织复雪3旬～股8沃步顺0.20主g解0.20跃g虹加速度庆8陵隐度副中震故4寄1挨、中42年白噪声拾0.05退g脆0.05朋g否振型、频经率、阻尼滥裂缝观察逢、记录今4往3苍～想48罢重捎复宰3素～唱8停步继0.30军g愤0.30诞g伍加速度兴8姻．丝5泥负度夹中震靠4犬9唯、菜50演白噪声裕0.05乌g冠0.05于g寻振型、频役率、阻尼她裂缝观察拼、记录方5笼疮试验结果岁与分析记5.1皮试验模型射的振动反某应与破坏另现象呜本次试验委从输入地度面峰值加质速度耳为锐0.03林5览g狼开始，当虑加速度旅为蔬0.07刷g软时，模型碑轻微振动词，有微细特裂缝出现携；随着加击速度的增乡大，模型稼的振动明蔬显，裂缝俗增多、加偏宽，当加条速度达匹到磁0.20魂g芬时，模型免出现扭转沉，屋顶泥炒被开始有领碎土掉落悲；恩至望0.30致g园时，模型拥扭转加剧亩，窗洞和悠门洞以上呀部位明显舅分离，裂险缝增多，昨加宽、部毅分裂缝贯竟通。模型腐裂缝分布贷见督图据9救～待图沈1干2鼓。定5.2泊主房屋模型绝破坏机理违分析营从试验裂晚缝分布图义可以看出瓶以下特点部：灵⑴桨鸦X扰方向地震票作用下南判北立面（熄内横墙与六外山墙）密墙体裂缝虚南立面为胳内横墙（=2\*GB3擦②网轴），北旷立面为外将山墙（=1\*GB3罩①埋轴）。骡在吊X雹方向地震疮作用下，涛两墙体的酷裂缝涛（如阅图城9王和吵图坚1洒0辰所示）赚主要沿竖昼向集中在景东西两侧帽与木柱对滨应的位置朴处，特别筹是南立面散的西侧和符北立面的刺东侧裂缝惑相对更为窗密集，南嚼立面的西促侧裂缝基孝本在木柱添位置沿竖悔向贯通，毙北立面的席东西两侧州裂缝则在梅木柱位置冠沿竖愈向秀4第5杯度呈羽状坑密集排列浴，但南北访两立面墙拼体裂缝并僻没有形成查较长的贯寇通主裂缝爽。经分析机其原因有红两点：一粮是由于模誉型是木构出架承重土哀坯围护墙蛋结构，墙疲体为自承菜重，南北婚山墙两侧欺的裂缝是牧在振动过针程中墙体睛与木柱涂图查9候枕模型北立柱面裂缝聚图终他堤房图猎10射恳模型南立撇面裂缝图纽图港11捕是模型西立坐面裂缝讲图归嫂都图忌12症顷模型东立夜面裂缝图映相互作用后产生的，溪由于木柱截与墙体之狠间由配筋迁砖圈梁和暑配筋砂浆横带中扮的绸φ京6欧钢筋连接仇，并沿墙赛高每弄隔故400m逐m忧设有竹片爽加强纵横床墙的拉接轰，所以尽假管在木柱然位置产生切了裂缝，嗽但裂缝的拌宽度很小搁，纵墙在策拉接措施国下没有外凶闪，说明谣围护墙体枯与木柱的桥连接措施任是非常有岂效的。二炕是偷南息、棋北立面墙泳体骗较钳长合（峡4.90酷m骨），前刚度相对洁较大，墙以体沿高度竟设罚有配筋砖垒圈梁和配照筋砂浆带专，完对墙体形般成约束，振并在一定倍程度上提染高了墙体证的承载力班，故墙体羞没有形成怠较长的肿贯通吵主裂缝。选南立面门崭洞以上至捏屋架下弦伸之间墙体拼出现了几悔条斜向和签水平裂缝耗，北立面她檩条和墙随揽处出现足几条较小所的斜裂缝持，是由于梨屋架构件话与墙体相项互作用产过生的。甲⑵劝否Y式方向地震运作用下东阵西立面（役外纵墙）车墙体裂缝晶在移Y心方向地震镜作用下，险东西两外柄纵墙裂缝亩如支图丽1农1跨和榴图组1毫2币所示。由如图可见，蠢墙体裂缝密主要集中娃在窗洞四肿角和门洞迈的两个上芬角，但裂器缝并未斜牺向上延伸饿到墙顶，明洞口两侧她的墙体也凡未出现较近长的斜裂懂缝。主要浆原因：一锤是模型的乡纵向较短拾，又开有壳门窗洞口萌，墙体的搜抗剪承载汉能力较横胖向弱，故棋在地震作窜用下羊出现了典靠型的洞口石角部的八丢字形裂缝捡；二是因应为慨配筋砖圈抓梁阻止了足裂缝的向宽上发展；西三久是因为筛配筋砂浆倚带阻止了习该部位墙法体斜裂缝阔的形成。渡由地震现抢场照片可驱知（如每图孤1套），在纵熟向地震作细用下，围作护墙的山院墙特别是涌山尖墙容铸易出平面渐倒塌。由麻于模型的歼山尖墙采减用墙揽与挡屋架连接小，且两屋汁架之间设广置了竖向看剪刀撑，烘这使得模捎型山尖墙它在谎0.30苍g胡（相当斤于凑8处度半）地客震作用下谱完好无损嗽，说明病墙揽和寿屋架燃的连接萌较牢固，便起到了有朽效阻止山晴尖墙外闪负的作用。丛6苗试验结果嘴评价与增胖加的用钢令造价苍6.腊1懒试验结果律评价辽试验迅输入的巷加速度路峰按值良达侮到镇0.3狂0名g阅（即达蜡到顺8尼度半）时迫，墙体裂耕缝较多（贴如猫图悬9按～给图烫1墙2针所示），在振动过程厉中观察时迟裂缝宽度孟很大，模稼型相对振福动台台面纤的位移在利檐口高度事处勒为忽8.83她m岩m畏，山尖高非度处红为陆11.9滚8m链m场。但振动访停止后观功察到的裂厨缝宽度最口大只哀有碧2m秀m苍，大部分斩裂缝宽度陪在权0.盾2夜～筐0.贤8喊之间，说贷明抗震措幅施对开裂献墙业体具有较尾强的约束愧能力。屋臂架、梁柱灶节点、墙母与柱连接痰节点的抗显震效果良清好，达到蝴了预期目火的。在这托种破坏状萌态下，对任较大裂缝妨采用灌泥正浆修复后贱，该模型输房屋可照践常使用。仪6.撞2齿模型房屋专因抗震设他防所增加茄的用钢量垮造价倘模型房屋圾的钢筋用镇量眯为穗20k椅g沫，每吨钢沙材笑按页480啦0积元计算，边每平方米考建筑面积扁约笼6.赌4乱元。按每舱户建筑面山积算60m工2皱，则每户友仅乘需衬38论4序元。再加腊上墙揽、跌支撑、屋糠架等所用倡的铁件、修扒钉、螺摇栓等，每卧户用于抗因震设防的抄钢材造价慢在端45犁0野元左右。筹这说明，断采用均简单有效恩、经济合侮理的抗震灰措施，可捧使农村中仗力学性能票最差、但血也是最经撒济、最易袋于就地取攀材的土木骂结构房屋暮也能承受男基本烈度道（基本烈佳度各地不涝同）鼠地震的作痛用，不致量倒塌旁。携7摘结论蔽本项试验墙研究是针滚对广大农刻村地区量疤大面广的树木构架承捞重土坯围驱护墙结构营单层房屋啦进行的。扣对现有的谈木构架承定重土坯围圈护墙房屋西采取抗震防措施，并盟对其进行甜模拟地震奇振动台试则验，为探牧讨遇经济可行坏、闲简单有效受的抗震措脉施