轻型木结构在震后房屋重建工程中的应用探究

曹 芳 (荆州市江汉建设工程施工图审查事务所,湖北荆州434020)

董龙彬 (荆州市城市规划设计研究院,湖北荆州434021)

祁香文 (中国石油天然气管道局第一工程分公司,河北廊坊065200)

在我国,每一次大的地震之后必须面对和解决的问题就是灾后重建,而灾后重建工程中的房屋建设既是基础又是龙头。国务院提出 “以人为本”的重建原则,这意味着重建房屋的建设不仅仅需要满足舒适,经济,美观的要求,更重要的是满足人身安全的要求。无论是唐山大地震,汶川大地震,还是玉树大地震,造成大量人员伤亡和财产损失的直接原因就是建筑的倒塌,构件脱落,墙体倒塌。然而,这些重建地区仍然处在我国地震频发区,地震具有周期性,在不久的将来,重建地区仍然可能遭遇地震袭击,那么灾后重建的建筑必须具有较高的设防烈度和抗震能力,保证人民生命财产安全在未来可能的地震灾害中得到保障。

在房屋抗震设计时抗震结构体系的选择最为关键[1,2],结构方案的选择是否合理,对建筑安全性起决定性作用。在汶川地震灾后重建中,新向峨小学教室、宿舍和食堂采用的是全木结构,设防烈度达到了9°,同时满足了美观,耐用,环保,节能等要求。这无疑为灾后建筑重建提供了一种新思路和举措:将木结构引入和运用到地震灾后重建中。

1 轻型木结构构造及特点

轻型木结构是指用规格木材及木基结构板材或石膏板材的木构架墙体、楼盖和屋面系统构成的单层或多层建筑结构。这一结构体系主要是由建造框架结构的规格木材、工程木产品 (加工木)以及覆面板材 (墙体,楼盖,屋面)建造而成的,其基础采用的是混凝土基础。这种结构的特点是:①设计形式多样,满足建筑上的美观要求;②使用年限长,节能,环保;③施工周期短。

轻型木结构是北美地区独立房屋及低层住宅最常见的建筑形式,根据木结构以往在地震中的调查表明,在美国加州、阿拉斯加、纽芬兰、加拿大魁北克和日本的地震中,多数木结构能够承受0.6g以下的地面峰值加速度,没有造成房屋倒塌和严重人员伤亡,通常也没有任何损坏的迹象。这表明轻型木结构在地震灾害中满足生命安全的要求。

在国内,同济大学工程防灾国家重点实验室和加拿大林产工业技术研究所 (Forintek Canada Corp)合作进行了轻型木结构振动台实验研究[3,4]。这次振动台实验研究表明,轻型木结构在0.1g地震加速度作用下结构处于弹性状态,几乎没有可见的破坏发生,满足我国抗震设计规范中 “小震不坏”的抗震设防目标;在0.2g和0.4g地震试验中,模型结构破坏很轻微,满足我国抗震设计规范中 “中震可修”的抗震设防目标;在0.55g及以上的地震加速度的振动实验中,结构进入弹塑性阶段,尽管模型已经较严重损坏,但是没有倒塌,满足我国抗震设计规范中 “大震不倒”的抗震设防目标。这表明,轻型木结构建筑具有良好的抗震性能,仅从抗震角度来说,完全适用于地震频发区和地震危害区。因此,在地震灾后重建中运用轻型木结构是具有理论研究、试验研究和现实依据作为支撑的。

2 轻型木结构的抗震机理

在地震频发的北美地区,木结构住宅处于市场的主导地位,新建建筑的大多数均为轻型木质结构。加拿大木业协会调查结果表明,在多次地震中,包括加州近年发生的3次大地震,北美地区木框架建筑能够承受0.6g或更高的地面峰值加速度,结构构件没有受到严重破坏,多数情况下连结构损伤的迹象都没有。轻型木结构在地震作用下满足 “小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防要求,不是采用“硬抗地震,加强结构的方法”,而是采取 “以柔克刚,耗能减震”的途径[5]。轻型木结构抗震机理主要在于以下几点:

1)木材强度高,韧性好 轻型木结构均采用木材建筑而成,木材本身具有良好抗压强度,韧性较好,有很强的弹性回复性,对于瞬间冲击力和和周期性疲劳破坏有很强的抵抗性,能够消耗一部分地震能量,与工程结构减震控制中的被动控制相符合。

2)轻型木结构质轻,受地震力小 与钢筋混凝土结构和钢结构相比,轻型木结构重量轻。由于地震力与结构的重量成正比,精心设计和施工的轻质木框架房屋便可在地震中有上佳表现。

3)柔性连接耗能 轻型木结构房屋各构件均采用钉连接,齿板连接和锚栓连接等柔性连接,在地震作用下这些柔性连接能够减震耗能,这种减震耗能属于阻尼耗能范畴。在轻型木结构剪力墙反复荷载试验和足尺房屋建筑模型振动台试验中,控制结构破坏的关键因素就剪力墙的层间位移。提高了剪力墙的抗变形的能力也就提高了轻型木结构的抗震能力。提高剪力墙抗变形能力措施包括:使用墙角锚栓,加强墙骨柱的连接,加强横墙和翼缘墙体的连接。

3 有待解决的问题

1)传统住房观念有待转变 提到木结构住宅,人们就会联想起传统农村的简陋、粗糙、四面透风木房屋,其实这是个误区。现代的木结构房屋与其完全不同,它造型多样、环保、节能、舒适,具有观赏性。木结构建筑在我国为人们接受的程度还很低,木结构产品进入我国住宅市场并被消费者所欢迎还有待时日。

2)木结构建筑的教育研究滞后 由于中国森林资源缺乏,二十多年前木结构被严格禁止。因此,多年来木结构被排斥在主流建筑体系之外,在中国各高校的建筑学专业和土木工程专业教学计划中很少有木结构建筑的相关课程。在技术上缺乏专业的设计人员和施工人员。相关的木结构法规、规范还有待完善。

3)森林资源匮乏和材料成本较高 我国目前木结房屋构成本是以国外经销商统计数据作为参考,不同地区、不同城市的房价不尽相同。据专家估算,若我国采用进口木材进行建造,其成本约为1500～2000元/m2。相对于目前农村采用的砖混结构而言,其造价是比较高的。

4 结 语

轻型木结构房屋具有环保、节能、抗震性能好、施工速度快等优点,但也存在造价高、资源少等缺点,但在地震区推行这种结构有利于快速恢复生产生活,有效减少未来灾害造成的损失。经过综合比较,在地震区灾后重建中轻型木结构房屋具有可发展性。

[1]马成松.结构抗震设计 [M].北京大学出版社,2006.

[2]GB50005-2003木结构规范设计 [S].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[3]吕西林,程海江,卢文胜,等.两层轻型木结构足尺房屋模型模拟地震振动台试验研究 [J].土木工程学报,2007,40(10):41-49.

[4]元兴军,李小军.土木工程结构减震控制方法综述 [J].工业建筑,2006,36(8):58-63.

[5]费本华,王戈.我国发展木结构房屋的前景分析[J].木材工业,2002,16(5):6-8.