藏式建筑震害分析及加固方法研究★

丛 宇，谭森龙，王佳豪

(1.四川省文物考古研究院，四川 成都 610041；2.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

由于地理位置、宗教文化、经济环境等因素的影响，藏式建筑的建造风格显得独树一帜，并在我国的建筑史中占据重要地位[1]。近年来，藏民居住地区震害频发，藏式建筑受损严重，引发国内学者对藏式建筑的构造特征和抗震性能等领域深入进行研究。邓传力等[2]通过研究藏式石墙的本身具有收分、两端部位起弧砌筑的形式能够提高其承载能力，黏结材料黄泥作为其黏性材料是藏式建筑易发生震害的重要因素；吉喆等[3]对比分析了藏式石墙的抗压性能，碎石填缝砌筑工艺能明显提高其抗压性能；杨娜等[4-5]通过研究对藏式石砌体进行受压曲线特征性能和剪-压作用下的抗剪性能提出轴心受压开裂前的应力-应变曲线本构关系两段式二次多项式表达式和藏式石砌体抗剪强度预测表达式；李鹏等[6-7]选取藏式建筑木结构节点进行分析，建立建筑结构模型和局部精细化模型作为算例，确定了木梁柱节点连接的特性和使用暗销能够使滑移初始刚度略有提高，能够明显提高构件的相对滑移承载极限；李碧雄等[8]研究发现藏式建筑结构整体性差，抗震性能整体较差，其易损性也与砖混结构、钢筋混凝土结构的易损性差异较大。藏式石砌善于运用力学原理，具有特殊构造特点和抗震思想，具有一定科学研究的价值。但针对藏式建筑的加固方法的研究目前还较为缺乏。

根据上述学者研究发现，藏式建筑易遭受震害主要有黏结材料强度低、石墙结构不稳定和建筑结构体系整体性差等原因。根据《危险房屋鉴定标准》[9]和震害原因将藏式建筑破坏形式分为“黏结材料状态”“墙体裂缝与变形”和“建筑构造与连接”三类。在此基础上对藏式建筑进行受力特征及震害机理分析，结合传统砌体结构的加固措施，考虑传统砌体结构加固方法对于藏式建筑的适用情况，提出针对藏式建筑施工方法的选用和具体施工工艺，使得藏式建筑加固达到“灾前可预防，灾后可修缮”的目的。

1 藏式建筑构造及抗震设计

1.1 藏式建筑的构造特征

现藏式民居多以外承重墙和内木框架组成的石木混合结构为主，结构体系包括：地基基础、外围墙、木梁柱、楼(屋)盖。建筑平面的整体形态方正规整，呈“品”“田”及“口”的形态，组合形成“束筒”受力结构[10](见图1)。

基座多以有长条石材砌筑而成，石材具有很好的抗压性能，足以承受上部的荷载。基础上部的建筑材料主要为粗土石、黄泥及木构件。黄泥采用当地黄土掺水拌制成黄土泥浆，具有方便廉价等特点。石墙的砌筑极具传统手法和特点，以不规则的大块石材为主，小块碎石进行嵌缝，石材间通过黄土泥浆进行黏结，石墙整体设计具有收分效果，呈现下宽上窄的形式。墙体间连接多以木梁、木柱及部分连接件构成木结件为主，木柱直接搁置在建筑内部，上端与木梁连接并设计有替木作为承重件，木梁则与深入两端外围墙中，木梁上部满铺木椽，在木椽上部铺设粗黄土，再闷水夯实，形成楼(屋)盖。可见楼屋盖各层构造之间及水平结构构件与竖向承重构件梁柱间均为简单叠压，并无可靠连接，整体性差。

1.2 藏式建筑的抗震设计

藏民居住区域近百年来遭受5级以上地震共达600余次，其中最大震级高达到8.6级，发生于1950年8月15日的西藏墨脱。频发的地震灾害对藏式建筑及藏族人民带来了巨大的损失，藏族人民具有强烈的抗震减灾思想，如表1所示，并赋予建筑结构的抗震设计中。

表1 藏式建筑的抗震设计

藏式建筑在其建造过程中含有上述多种抗震设计，藏式建筑受损程度有所降低。但其抗震设计与《建筑抗震设计规范》[11]中抗震设计标准仍具有差别，根据近年来藏族地区房屋受损情况看，藏式建筑仍然需要采取更加规范的抗震标准。

2 藏式建筑震害性能研究

2.1 建筑受力性能分析

藏式建筑受竖向荷载和横向荷载影响，其简化力学模型的受力传递路径如下：1)竖向荷载→屋(楼)盖荷载→木梁→横墙(立柱)→基础→地基；2)横向荷载→横墙→a.横墙基础→地基;b.屋(楼)盖→横墙(木柱)→基础→地基。简化刚性力学模型如图2所示。

2.2 结构震害性能分析

依据《危险房屋鉴定标准》将藏式建筑常见的破坏形式分为：1)黏结材料状态破坏;2)墙体裂缝与变形破坏;3)建筑构造与连接破坏三类。

2.2.1 黏结材料状态

邓传力等学者通过对藏式建筑使用的黄土泥浆进行承载比试验和崩解试验如图3所示，黄泥的CBR值很低仅为0．28，而膨胀量数值为4．28%。李家春等[12]通过对黄泥进行崩解试验发现，前期黄泥快速吸水，黄泥表面凹凸受力不均，出现应力集中现象，导致结构破坏。藏式建筑外围墙中的黄泥在荷载作用下，横向膨胀，经过雨水洗刷，建筑的承载力和稳定性降低，最终丧失黏结性能。

2.2.2 墙体裂缝与变形

1)门窗斜拉破坏。

李碧雄等发现藏式石砌墙处的洞口角部存在应力集中现象。藏式建筑门窗洞口较小，是外围墙体的薄弱部位，洞口角部易出现应力集中，并且表现为引起石砌墙破坏形态的主因素。当洞口对角处墙体达到抗拉、抗剪承载力极限时，易出现对角斜裂缝如图4所示。

2)墙体外皮闪裂坍塌。

武奥军[13]利用ABAQUS对藏式石砌体建立数值模型，并进行了研究对抗压过程进行仿真模拟。刘潇等[14]通过对藏式墙体在竖向荷载下所受到的变形试验发现墙体平面变形呈现不均匀化，墙体极易发生平面外失稳破坏。藏式建筑外围墙体分内外两层，由不规则石块和黄泥组成，中间缝隙填筑小砌块，采用黄泥填缝，墙体纵横咬砌力不足。外围墙体既作为藏式建筑的重要承重部件，又是易发生残损和破坏的部件。墙外皮经风化、挤压，黄泥逐渐硬化，黏结强度降低，而内皮较厚，抗剪承载力较大，地震作用下墙体外皮易裂闪剥落或分层倒塌(见图5)。

2.2.3 建筑构造与连接

1)屋(楼)盖板滑移破坏。

藏式建筑内部的木梁及木椽条直接布置在楼(屋)盖砌体上部，并未设置圈梁与墙体进行可靠连接。楼(屋)盖与墙体在地震时两者呈现不协调波动，导致梁端与墙体之间极易出现震害。

2)木柱梁、暗销残损位移。

相比于外承重墙，木框架的震害程度普遍较轻，却仍然存在一定的结构安全隐患。木框架震损形式主要包括木梁柱开裂(见图6)、节点槽损移位(见图7)。破坏产生主要原因：a.因屋盖自身过重，结构稳定性和整体性较差，当木柱梁承载压力过大时，内部木柱结构发生侧向移位或发生开裂脆断；b.木柱梁节点多采用刚度较弱的暗销约束进行简单连接，因而节点区域易发生震害；c.木结构因其材料经雨水冲刷和自然风化作用易开裂受损，降低承载力，加速破坏发生。

3 藏式建筑加固方法适用性分析

3.1 黏结材料状态

3.1.1 面层材料加固

面层材料加固法是指在原石砌墙体的侧向墙面上涂抹高强度等级的水泥砂浆或新型复合材料,如改性活性粉末混凝土[15]见图8(a)。超高性能混凝土[16]见图8(b)，高延性纤维增强水泥基复合材料等复合材料的加固方法。

由于藏式建筑的黄泥强度较低且存在松动现象，挤压后呈干缩效应。通过采用更高强度水泥砂浆或新型复合材料的砂浆能够增强新旧材料的黏结性，使新加面层与旧墙体共同受力，共同分担原结构所受荷载，对其砌体结构黏结性能进行加强，面层材料加固法对于藏式建筑加固具有可行性。

3.1.2 压力灌浆加固

该法通过预先根据配合比拌制强度较高的黏结材料，利用压力注浆设备，将高强度高流动性的胶凝材料注入墙体的灰缝内。施养杭[17]将石粉水泥浆作为灌浆材料，对石砌体结构进行灌浆加固试验与研究，并确定配合比及材料强度；石建光等[18]通过灌浆加固法测得相比于原砌体抗压强度提高25%，抗剪强度提高209%。

藏式建筑胶合材料黏结性能差，强度低，采用压力灌浆方法能够显著改善藏式建筑黄泥强度低、黏结性差、砌筑不饱满等缺点，能够很好地提升墙体的黏结性能，限制墙体及黏结材料发生横向变形，也能间接地提高墙体的抗压承载力。

3.2 墙体裂缝与变形

3.2.1 组合砌体加固

组合砌体加固也称夹板墙加固，是指在石砌墙体的单侧或双侧增抹钢筋混凝土(或钢筋砂浆)面层。钢筋布置一般分为正向方格网布筋和斜向方格网布筋，如图9所示。通过内部配置共同工作的钢筋混凝土(或钢筋砂浆)来提高藏式建筑承载力和抗侧变形的能力。

藏式建筑呈现收分构造，墙体重心低，但竖向荷载偏心距较大，咬砌不充分，其承载力不足且截面尺寸受限。李想等[19]通过ADINA有限元软件建立普通石砌体墙、单面加固石砌体墙,双面加固石砌体墙建立模型并进行性能数值仿真分析发现经过双面加固石砌体墙的耗能性能、极限承载能力、刚度退化性能和延性明显优于普通石砌体墙和单面加固石砌体墙。采用组合砌体加固能够显著提高墙体承载力和解决墙体内外皮咬合不足的问题。

3.2.2 斜拉钢筋加固

斜拉钢筋加固法是指通过石砌墙体两侧对称布置斜拉钢筋。钢筋两端采用锚固件进行可靠的锚固链接，斜拉钢筋端点处采用穿墙锚固连接，通过预应力钢筋限制了两侧砌块侧向位移，提高墙体的整体稳定性。

针对藏式毛石墙体纵横咬砌不足的问题，为防止藏式建筑外闪倒塌，提高墙体抗侧能力，采用与组合砌体加固方法类似的斜拉钢筋加固具有良好效果(见图10)。

3.2.3 配筋砌体加固

与3.2.1和3.2.2方法类似，配筋砌体加固则在水平灰缝间配置钢筋进行加固处理。钢筋布置包括网状配筋和连弯钢筋网。配置水平钢筋能够避免竖向主裂缝引起砌块失稳破坏，较好地发挥钢筋抗弯和抗剪性能，提高砌块与钢筋的整体性，延缓构件横向变形。

藏式建筑由于黄泥黏结性能差，水平砌块咬合力不足等原因，在作用竖向压力时，砌块间发生压实，导致砌块发生横向膨胀外闪。针对上述破坏现象，提出配筋砌体加固的方法。

3.2.4 后加抗震墙加固

后加抗震墙加固法是指在原墙体之间增设砖石砌墙体(或现浇钢筋混凝土墙体)以增强其抗震整体性。加固后的墙体其简化力学模型的受力传递路线分别是：楼(屋)盖荷载→横墙(横向抗震墙、木柱)→基础→地基和风荷载→横墙→a.纵向抗震墙→地基；b.屋盖→横墙→基础→地基(见图11)。后加抗震墙整体性和稳定性能够得到改善，墙体的水平抗侧性能得到提高。

由于藏式建筑内部的承重横墙分布间距较大，导致墙体侧向强度较差，采用抗震墙加固横墙承重能够提高其承抗侧刚度和抗震能力，该方法具有可行性。

3.2.5 粘贴复合材料加固

粘贴复合材料加固法是依靠复合材料优越的材料性质而进行砌体加固的方法。复合材料是一种科技含量较高的新型材料，具有轻质高强、耐磨防腐、容易弯折、便于施工等特点。已有研究表明，纤维复合材料[20]加固砌体的方式能够明显提升墙体平面抗剪强度，增强变形能力，提高结构延性。在近年来的砌体结构加固中得到广泛应用。

复合材料对于砖混结构的加固具有明显的效果，但复合材料容易弯折，藏式建筑具有独特的填缝砌筑工艺，墙体内外皮咬合力不足，墙体外皮极易发生裂闪倒塌，仅在藏式石砌墙粘贴复合材料，并不能很好地限制藏式石砌墙发生裂闪损害，该方法应考虑提高复合材料粘贴藏式墙体的牢固性。

3.2.6 内嵌复合材料加固

针对粘贴复合材料加固的局限性，有学者提出内嵌复合材料加固。内嵌复合材料加固是指依靠复合材料强度高、自重轻、耐腐蚀等特点，将其材料平铺在砌块灰缝层间，使得砌块与复合材料有效粘结，提高墙体受力整体性。

考虑到藏式建筑石砌墙砌筑工艺的独特性，黄辉等[21]将玄武岩纤维复材布置在毛石墙体水平不规则接缝处(见图12)，在低周水平往复荷载作用下BFRP网格改良毛石墙体的耗能性能和抗剪承载力较未改良毛石墙体也有显著提高，试验结果表明，改良墙体的开裂、屈服、极限状态及最终破坏状态的荷载值分别提高93.0%，103.4%，74.3%及90.5%。

3.3 建筑构造与连接

3.3.1 外加约束构件(组合墙)加固

外加约束构件(组合墙)加固法即指外加钢筋混凝土构造柱和圈梁对墙段形成约束。构造柱布置在墙体薄弱部位，圈梁布置在墙体与框架连接处，圈梁与构造柱对墙体形成整体约束。

对于藏式建筑墙体易发生外皮脱落或分层倒塌、墙体与木框架结构连接不稳定的问题。外加约束构件(组合墙)加固法能够提高石砌墙体的咬合力，承载力和刚度。尚守平等[22]研究了HPFL加固多孔砖砌体抗震性能时发现，墙体的抗剪承载力、延性性能和水平刚度在加固圈梁构造柱之后有显著提高。

3.3.2 组合件加固

组合件加固就是通过在石砌墙体间、地基与墙体间、墙体与楼(屋)盖增设连接，从而提高藏式建筑的整体稳定性。常见增设连接包括：1)墙体间的拉结；2)楼板搁置长度；3)楼板与圈梁、墙体的拉结；4)屋架、梁与墙柱的锚拉等。

藏式建筑呈现外承重墙体和木框架组合的建筑风格，这种风格既削弱了墙体与地基的连接又增加墙体与内框架连接的不稳定性。增加组合件约束能够使楼(屋)盖板、墙体和圈梁等构件形成整体，加固构件间的锚拉度，提升藏式建筑的整体性和稳定性。

4 结论

1)国内外学者在砖混结构的加固抗震研究颇多，但在石砌体结构抗震加固方面很少进行系统研究，尤其是针对近年来频繁遭受地震袭扰的藏式建筑则更加缺乏，在加固方面没有针对藏式建筑的统一结论。

2)本文从《危险房屋鉴定标准》和构造特征将藏式建筑的损坏类型和加固方法分为：黏结材料状态、墙体裂缝与变形、建筑构造与连接三类。

3)根据藏式建筑受力性能和损坏类型，结合传统砌体加固方法，对不同加固方法是否适用于藏式建筑进行适应性分析。

4)针对藏式建筑的加固方法，国内部分学者已进行试验研究和数值分析，对部分加固方法确认可行。本文是在传统砌体加固方法上对藏式建筑是否可行进行适用性分析，并未对具体加固方法进行试验研究，故对不同加固方法的结构体系抗震性能研究需要进行深入研究。