农村砖木结构房屋地震倒塌试验研究

丁世倩，郭 迅

(防灾科技学院，河北三河 065201)

0 引言

我国农村住宅抗震性能普遍较差，历次震害表明，在遭受同等强度的地震时，农村房屋的倒塌数量和破坏程度远远高于城市建筑，造成了巨大的人员伤亡和财产损失。目前虽然有关于农村住宅结构抗震性能的研究，但是针对其地震倒塌机理的研究尚缺乏［1］。因此本文选取较为典型的农村砖木结构房屋为研究对象，设计了振动台缩尺模型，进行振动台试验。

1 振动台模型

1.1 结构原型

以三河段甲岭某一砖木结构(木柱支撑加木屋架)房屋为原型。该房屋具有三河砖木结构房屋的典型特征，砖墙未设置圈梁和构造柱;木屋架直接搁置在前纵墙的木柱和后纵墙上;山墙采用硬山搁檩前后纵墙抗侧刚度相差较大。房屋原型如图1所示。

1.2 试验模型设计

与农宅原型相比，试验模型的尺寸采用1/4比例缩尺，具体尺寸如图2所示。

1.3 模型制作

模型制作包括清理台面、放线、支柱、横纵墙及山墙的砌筑、木屋架及木檩条布置等。墙厚均为50mm，采用100mm×50mm×50mm微粒混凝土小型砌块进行砌筑，砌筑砂浆比例为1∶5。模型经一周养护后，为了更清楚地观察模型破坏时的裂缝形态，将外侧墙体刷白。模型制作具体过程见图3。

1.4 相似比和配重

在振动台试验中，为了使小比例模型能够很好地再现原型结构的动力特征，应对缩尺模型配置一定附加配重［2］，所需的人工配重［3］为:

式中:弹性模量相似比Er=1;长度相似比lr=0.25;mp为估算原型结构构件和非结构构件的总质量，取60t;mm为模型质量，取0.365t。

由此得到人工配重:ma=3.385t。

2 输入地震动

2.1 地震动的选取

为了模拟结构在真实地震作用下的反应，本次试验输入卧龙地震波，纵、横向同时输入。

2.2 加速度计的布置

根据确定的试验内容，我们在振动台面上安放了4个941B型加速度传感器。具体布置如图4所示。

图1 段甲岭典型砖木结构Fig．1 Typical brick-timber structure of Duanjialing

图2 模型设计尺寸Fig．2 Model design dimensions

图3 模型制作Fig．3 Model making

图4 加速度传感器布置Fig．4 Acceleration sensors arrangement

2.3 试验数据处理

通过对采集到的数据进行处理，发现同向布置的两个加速度计记录到的数据差距很小，证实了试验数据的可靠性。因此选取了通道1、通道3的数据进行整理。得到了台面纵、横向的加速度反应(见图5、图6)。

通过试验数据我们得到了台面纵、横向的加速度时程曲线和加速度反应谱，其中PGA(峰值加速度)及加速度反应谱中最大加速度反应对应的Tp(卓越周期)分别如表1所示。

表1 峰值加速度及卓越周期Tab．1 Peak ground acceleration and predominant period

图5 台面纵向加速度反应Fig．5 Vertical acceleration response of table

图6 台面横向加速度反应Fig．6 Horizontal acceleration response of table

3 破坏现象及分析

3.1 破坏现象

试验过程中，从不同角度对结构进行观测，发现结构出现裂缝集中，发展迅速，试验现象如图7所示。

(1)窗下墙很快与木柱脱离，一侧窗下墙与山墙连接处出现竖向裂缝并严重开裂，结构前脸所受力完全由木柱承担，木柱摇晃明显。

(2)山墙主要出现横向贯穿裂缝和斜向裂缝。

(3)后纵墙出现斜向贯通裂缝并逐渐发展，随着地震波的输入，裂缝宽度越来越大，最终结构被压溃倒塌，出现出平面破坏。

3.2 原因分析

该结构在地震波输入过程中迅速破坏并倒塌，其原因主要有三方面:

(1)散而不整

该结构纵横墙间连接薄弱，构造柱缺失，木柱与窗下墙之间也没有有效拉结。这就导致了在地震作用下，窗下墙与山墙交接处开裂严重，纵墙与山墙处率先出现竖向裂缝并迅速开展。

(2)脆而不延

结构使用脆性材料，延性较差，导致墙体裂缝一出现便迅速扩展，结构瞬间倒塌。

(3)偏而不匀

结构前脸门窗洞口较大，造成前纵墙抗侧构件很少，导致整个住宅结构沿纵向抗侧刚度偏心严重。

3.3 理论计算

3.3.1 结构纵、横墙抗剪承载力计算

计算普通砖墙截面受剪承载力公式［4］如下，

式中:fV为非抗震设计的砌体抗剪强度设计值，试验中所用为混凝土小试块，砂浆强度等级为M5，根据表格，取 fV=0.07;ξN取值与 σ0/fV相关，计据表格，取 ξN=1.0309

得，

γRE根据规范取值为1.0。

由于前纵墙开窗洞较多，承载力要远小于后纵墙。在此只计算后纵墙和其中一面山墙的承载力。

纵墙抗剪承载力

横墙抗剪承载力

3.3.2 结构所受地震剪力计算

模态测试测得模型结构纵向自振频率f1=7.82Hz，横向自振频率为f2=6.95Hz。根据试验数据得到的输入地震波的卓越频率，可得纵、横向扰动频率与结构自振频率之比分别为:

动态放大系数为

其中，根据规范［5］和相关参考文献［6］，ξ取0.045

得纵、横向放大系数分别为:

结构响应加速度与地面加速度关系如下:

图7 试验现象Fig．7 Testing phenomenon

根据试验数据可得，

得

根据牛顿第三定律可得，纵、横向地震剪力分别为

3.3.3 结果验证

由于本模型为砖木结构，属于柔性屋盖房屋［7］，水平地震剪力按照抗侧力构件从属面积上重力荷载代表值的比例分配。因此本试验模型结构所受纵向地震剪力在前、后纵墙均匀分配，为F1/2;横向地震剪力在两侧山墙均匀分配，为F2/2。

可得

即地震剪力大于结构所能承受的最大剪力，因此结构发生破坏并倒塌是合理的。

4 结论

本文以三河某砖木结构房屋1/4缩尺试验模型为研究对象，通过观察模型的宏观破坏现象及数据分析，可得到如下结论:

(1)我国北方农村该类砖木结构的抗震能力极弱，存在严重的安全隐患。

(2)在横向地震力作用下，纵横墙交接处、木柱与窗下墙交接处率先出现裂缝并丧失承载能力，导致结构倒塌。在抗震加固中，应增强结构的整体性，比如增设角柱、窗下墙与木柱之间加设拉结筋。

(3)结构裂缝扩展迅速，在实际工程中，应增强此类结构的整体延性，避免结构出现脆性破坏。可以加设适量的钢筋，墙体外可以布设钢丝网等。

(4)结构前脸门窗洞口太大，导致整个住宅结构沿纵向抗侧刚度偏心严重。应增强结构前沿的刚度，避免前后纵墙刚度差异过大出现出平面的破坏。

［1］ 王满生，杨威，赵作周，等．两种农村砖木结构模型振动台试验比较分析［J］．世界地震工程，2014，30(4):151－157．

［2］ 杨威，王满生，陈俞，等．农村典型砖砌体结构房屋抗震性能试验研究［J］．地震工程与工程振动，2013，33(2):150－155．

［3］ 张敏政．地震模拟实验中相似律应用的若干问题［J］．地震工程与工程振动，1997，17(2):52－58．

［4］ GB50003－2011．砌体结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2011．

［5］ GB50011－2010．建筑抗震设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［6］ 王广军．关于规范标准反应谱阻尼比选用的探讨［J］．地震学刊，1991，15(1):70－75．

［7］ 陈忠范．村镇砌体结构抗震设计手册［M］．南京:东南大学出版社，2012．

［8］ 纪晓东，马琦峰，赵作周，等．北京市既有农村住宅砖木结构加固前后振动台试验研究［J］．建筑结构学报，2012，35(11):53－61．