历史土木结构房屋技术改良与抗震加固研究

2018-11-09周巧慧

科技视界 2018年18期

周巧慧

【摘要】通过文献调研总结，并对汶川震后四川农村生土房屋震害调查、对农村生土结构房屋的建筑材料、连接构造以及施工工艺等进行分析，总结了影响生土结构房屋抗震性能的主要因素；得到新建土木结构房屋的技术实施方案，在此基础上获得生土结构房屋抗震加固的方案。

【关键词】生土结构；抗震性能；技术改良；抗震加固

中图分类号： TU36 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）18-0157-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.071

【Abstract】Through literature review and summary concluded， Survey earthquake rural housing after the Sichuan Wenchuan， adobe houses success stories in the field survey of rural adobe structure housing construction materials， construction technology connection structure were analyzed， summarized the impact of the seismic performance of adobe structure houses. Get the new civil engineering structure of the implementation of the program On this basis， Obtain the main factor seismic retrofit program adobe structure houses.

【Key words】Adobe structure；Seismic performance；Structure improvement；Seismic reinforcement

0 引言

随着不断加剧的温室效应造成的全球變暖，雾霾天气严重等问题出现，业内人士开始反思工业时代为了过度经济开发而忽视的生态环境问题，由此绿色建筑及绿色建造又重新受到人们的青睐。生土结构房屋历史悠久，人类使用生土建造房屋已经有上千年的历史，多采用黏土材料夯实成承重墙，或加工成土坯垒砌成结构。具有优良的热学特性、低廉的价格和随处可得简单易行等优点，且其保温与隔热性能优越、加工过程低耗能且无污染，在经济不发达的农村在新中国成立初，是首选的建筑材料，但生土材料强度低、不耐水、体积稳定性差，且大多数房屋施工粗糙，抗震能力差，历次地震灾害均会使得农村房屋破坏严重，造成人员伤亡数量大。

震后灾害调查表明，生土结构房屋震害十分严重。我国农村在役生土房屋仍很多，大多房屋均有不同程度损伤，在短期内彻底拆除这批房屋有很大的难度；有些建筑为明清建筑，具有较强历史文化价值，文物建筑具有唯一性和不可再生性，我们在对其进行保护维修时需要遵循相关的原则，保留其应有的历史信息。研究这些房屋的抗震加固问题，为这些房屋的加固改造及新建提供技术支持十分必要。生土结构房屋整体抗震性能的提高，除对单片墙体抗震性能需要提高外，也需采取一些构造措施，以提高结构整体抗震性能，同时对部分墙体及楼板等部件的加强会带来新的问题，这些都有待于进一步研究，以期为新建工程提供经验及在役工程加固提供技术参考。

1 生土结构抗震性能研究

1.1 生土墙体抗震性能研究

以生土墙体为主要承重构件的房屋，其抗震性能对整个房屋的抗震性能影响很大。学者们[1]对生土结构房屋承重墙的抗震性能的研究表明：土坯墙体的破坏模式与砖砌体相似，采取抗震构造措施后，土坯墙体具有较好的承载力和一定的变形能力，砌体结构抗震加固方法适用于土坯墙结构。

1.2 生土房屋抗震性能研究

近年来，学者们对房屋整体的研究相对较少，主要集中在振动台试验和房屋整体构造措施方面。申世元、于文等[2-3]通过试验研究了生土房屋的抗震性能，针对其抗震方面存在的不足提出加固措施，采用扒钉、铁件、墙揽等加强连接的手段，试验结果验证了抗震措施的有效性、合理性和经济性。王冲锋等[4]通过大量实地调研得到生土结构房屋在历次地震中的主要破坏情况，提出生土墙体加构造柱和圈梁、草绳拉结、集中荷载位置处设置垫板等抗震构造措施，通过试验验证了抗震构造措施的有效性。卜永红等[5]提出一种内置绳网的生土结构房屋承重夯土墙体及其建造技术，并对该种夯土墙受力及抗震性能进行试验表明，内置绳网夯土墙体的承载和变形能力更高，可使房屋的整体性增强，抗震能力得到提高。

2 生土结构房屋技术现状及改良

2.1 墙面无保护

大多数生土结构房屋未做保护面层，夯实的承重墙体裸露在外，直接遭受雨淋、日晒与冻融作用，墙体根部截面破坏严重，部分墙面因风化而表皮脱落，调查发现，风雨共同作用冲击侵蚀土墙已成为生土建筑的主要破坏形式，雨水冲刷及雨水形成的干湿交替作用会造成墙体开裂，因此外墙需做摸植物与钢混合纤维泥浆处理。

2.2 无圈梁构造柱等加强措施

满足抗震设防要求的房屋应当采用圈梁及构造柱等方式对墙体进行约束加强，使得墙体裂缝产生但不发展，提高房屋整体性，进而提高房屋抗震能力。生土结构房屋多建于上世纪70～80年代，故大多生土房屋均未设置圈梁以及构造柱，墙体部分倒塌往往会导致房屋整体倒塌，因此新建房屋中增加木圈梁及构造柱是提高房屋抗震性能的重要措施。

2.3 墙体连接薄弱

内外墙连接处，木柱与内填墙体等构件间连接薄弱，削弱了生土建筑的整体性，使房屋在薄弱部位形成局部破坏进而引起整体结构严重破坏。因此应从加强抗震概念设计入手、新建时考虑采用诸如在纵横墙相交处放置竹条代替钢筋，加强纵横墙间的连接。

2.4 砌筑工艺差

生土结构没有咬槎，纵横墙之间连接不牢固，所以相交处容易出现通缝，土坯墙砌筑过程中采用泥土砌筑，黏结性能较差。砌筑材料多采用泥浆，砌块竖向灰缝大多均不饱满，易形成竖向通缝，降低耐久性及抗震能力，因此新建时建议在块体缝隙间增加水平竹筋。

2.5 前后承重墙刚度差异大

考虑到采光需要，前墙开门窗洞口较大，后墙基本不开洞口，且前后墙又均为承重墙，造成前后墙刚度相差较大，地震时容易出现房屋严重扭转而造成的房屋坍塌；有些房屋则考虑到美观与实用性，在建造时纵向承重墙体不在同一直线上，也会使得房屋在地震时发生扭转，引起房屋严重破坏，因此应限制开洞率，且在门窗洞口周边应增加竹筋数量。

2.6 屋架与墙体无可靠连接

经调查发现，大部分生土结构梁都直接搁置在墙体上，与墙体均没有可靠连接措施，不能协调各个墙体协同受力，整体性差，地震时不能将水平地震力完全传递到抗震横墙与纵墙上，梁容易滑移导致整个屋架塌落。梁的对接处基本为木销连接，未设梁垫或梁与梁垫之间无连接，水平地震作用下，上部结构容易坍塌，因此新建时檩条下方应放置竹筋，提高局部抗压能力的同时避免墙体发生拉裂裂缝。

3 既有生土结构房屋抗震加固措施

因生土部件本身强度低，而其整体性主要依靠自身制作过程中的黏聚力，若加固过程中过多伤及墙体本身，可能达不到加固的目的，反而破坏了原有墙体的整体性，再则生土材料与其它材料表面黏结力很弱，外贴其他材料加固时，必须有很好的拉结或夹卡构造，否则很难让新旧材料协同工作。因此，生土结构的抗震加固方法仍需进一步研究。

3.1 部件加固

学者常卫华，王建卫，徐福泉[6-8]采用钢丝网水泥砂浆、木板、木柱木梁及木斜撑等加固措施，通过对普通卧砌土坯墙体及加固墙片进行抗震加固研究，证明了加固措施可有效提高土坯墙体抗震性能，昭化古镇房屋后墙为生土墙体，汶川地震后采用了钢丝网水泥砂浆加固法，墙面有细微裂缝，但修复几年未见裂缝发展。黄金胜等[9]针对夯土墙提出了钢丝网水泥砂浆加固法和玻璃纤维水泥砂浆加固法，试验表明夯土墙加固后极限抗剪承载力、极限位移有了大幅度提高，采用钢丝网和玻璃纤维水泥砂浆用于加固夯土墙是一种非常有效的方法。

在墙体加固中可考虑采用木板及穿墻长螺栓组合应用代替圈梁。梁墙连接部位、山墙中部以及纵墙顶面等部位均是结构的薄弱部位，提出了在山墙外加设扶壁柱和纵墙顶面增设木板圈梁的方法，并分析证明了其合理性，供此类建筑加固提供参考。

3.2 墙体承载力改善

在生土中掺入麻刀、稻草、竹筋、麦秆等植物纤维材料，对土料的强度有显著的提高[10]，生土中所添加植物纤维材料具有较强的韧性，可明显提高生土材料的变形能力，弥补生土墙体脆性不足。在墙体加固中，可在原有墙体外表面用钢钉固定钢板网片，后在外面压抹植物纤维泥浆，提高墙体耐雨水冲刷能力，也提高墙体承载力及延性。

3.3 前后纵墙刚度相差悬殊

前后墙刚度相差较大，可在前墙内外侧增加型钢斜撑，将生土墙体承重改为型钢构架与墙体混合承重体系，水平抗震剪力由斜撑承担，使得前后墙水平抗侧刚度差距变小，减小地震作用下房屋扭转变形。

3.4 屋架加固

屋架离散成单个构件，对房屋抗震极为不利，墙体间协同工作能力差，用扒钉铁件加固木梁、檩条与承重墙体间形成可靠拉接，檩条之间增设横向连接与斜撑，屋架之间增设剪刀撑，使得屋盖成为一个传力整体，将剪力传递到纵墙，进而传递到基础，且协调各墙体共同抵抗水平地震作用。

4 结语

传统生土房屋曾经作为农村房屋主要结构形式之一，在相当长一段时间内难以弃用，尤其是当前工业快速发展所带来的环境问题，绿色建筑及绿色建造尤为重要；有些建造较早的明清甚至更久远的建筑，具有较强历史价值、艺术价值和科学价值，因此需采取必要的技术措施进行加强，提高其耐久性。已有震害表明地震作用下土墙体脆性强，抗震性能较差，特别是纵横墙连接部位最容易开裂破坏。为此，提出改善生土建筑建造改良技术措施及抗震加固的措施。

（1）如何应用现代建造技术手段，对结构抗震薄弱部位进行构造加强，对已经损伤的部位进行修复加强，保存这些历史建筑，避免房屋倒塌造具有重要的工程意义及历史文化价值。

（2）对于抗震设防区的生土建筑，新建时应在建筑外墙的四角及纵横墙交界处加设构造柱；在大洞口周边放置竖向及水平竹筋。应在每层墙顶标高处设置一道竹筋圈梁，圈梁内的竹筋应加密，且泥土内应掺拌植物纤维。

（3）加固时在梁下应增设木板壁柱，内外木板壁柱间采用钢筋拉接，圈梁采用木板穿墙钢筋组合圈梁，能够明显提高房屋整体性；墙体加固时可外铺钢板网片外加植物纤维泥浆，能够明显提高墙体承载能力及延性。

【参考文献】

[1]王芳，王力.绿色生态策略在传统生土建筑改造中的应用—以郑州邙山黄河黄土地质博物馆建筑设计为例[J].建筑科学，2014，30（2）：24-30.

[2]申世元.农村木构架承重土坯围护墙结构振动台试验研究[D].北京：中国建筑科学研究院，2006.

[3]于文，葛学礼，朱立新.新疆喀什老城区生土房屋模型振动台试验研究[J].工程抗震与加固改造，2007，29（3）：24-29.

[4]王冲锋.生土结构房屋抗震构造措施研究[D].西安：长安大学，2012.

[5]卜永红，王毅红，李丽，等.不同夯筑方法的承重夯土墙体抗震性能试验[J].长安大学学报：自然科学版，2011，31（6）：72-76.

[6]常卫华，王建卫，徐福泉，等.卧砌土坯墙体加固抗震性能试验研究[J].建筑结构，2012，42（9）：126-130.

[7]王建卫.既有村镇生土结构房屋承重土坯墙体加固试验研究[D].西安：长安大学，2011.

[8]陈全杰.既有村镇生土结构房屋承重夯土墙体加固试.验研究[D].西安：长安大学，2011.