輕型木結構在震后房屋重建工程中的應用探究

曹 芳 (荊州市江漢建設工程施工圖審查事務所,湖北荊州434020)

董龍彬 (荊州市城市規劃設計研究院,湖北荊州434021)

祁香文 (中國石油天然氣管道局第一工程分公司,河北廊坊065200)

在我國,每一次大的地震之后必須面對和解決的問題就是災后重建,而災后重建工程中的房屋建設既是基礎又是龍頭。國務院提出 “以人為本”的重建原則,這意味著重建房屋的建設不僅僅需要滿足舒適,經濟,美觀的要求,更重要的是滿足人身安全的要求。無論是唐山大地震,汶川大地震,還是玉樹大地震,造成大量人員傷亡和財產損失的直接原因就是建筑的倒塌,構件脫落,墻體倒塌。然而,這些重建地區仍然處在我國地震頻發區,地震具有周期性,在不久的將來,重建地區仍然可能遭遇地震襲擊,那么災后重建的建筑必須具有較高的設防烈度和抗震能力,保證人民生命財產安全在未來可能的地震災害中得到保障。

在房屋抗震設計時抗震結構體系的選擇最為關鍵[1,2],結構方案的選擇是否合理,對建筑安全性起決定性作用。在汶川地震災后重建中,新向峨小學教室、宿舍和食堂采用的是全木結構,設防烈度達到了9°,同時滿足了美觀,耐用,環保,節能等要求。這無疑為災后建筑重建提供了一種新思路和舉措:將木結構引入和運用到地震災后重建中。

1 輕型木結構構造及特點

輕型木結構是指用規格木材及木基結構板材或石膏板材的木構架墻體、樓蓋和屋面系統構成的單層或多層建筑結構。這一結構體系主要是由建造框架結構的規格木材、工程木產品 (加工木)以及覆面板材 (墻體,樓蓋,屋面)建造而成的,其基礎采用的是混凝土基礎。這種結構的特點是:①設計形式多樣,滿足建筑上的美觀要求;②使用年限長,節能,環保;③施工周期短。

輕型木結構是北美地區獨立房屋及低層住宅最常見的建筑形式,根據木結構以往在地震中的調查表明,在美國加州、阿拉斯加、紐芬蘭、加拿大魁北克和日本的地震中,多數木結構能夠承受0.6g以下的地面峰值加速度,沒有造成房屋倒塌和嚴重人員傷亡,通常也沒有任何損壞的跡象。這表明輕型木結構在地震災害中滿足生命安全的要求。

在國內,同濟大學工程防災國家重點實驗室和加拿大林產工業技術研究所 (Forintek Canada Corp)合作進行了輕型木結構振動臺實驗研究[3,4]。這次振動臺實驗研究表明,輕型木結構在0.1g地震加速度作用下結構處于彈性狀態,幾乎沒有可見的破壞發生,滿足我國抗震設計規范中 “小震不壞”的抗震設防目標;在0.2g和0.4g地震試驗中,模型結構破壞很輕微,滿足我國抗震設計規范中 “中震可修”的抗震設防目標;在0.55g及以上的地震加速度的振動實驗中,結構進入彈塑性階段,盡管模型已經較嚴重損壞,但是沒有倒塌,滿足我國抗震設計規范中 “大震不倒”的抗震設防目標。這表明,輕型木結構建筑具有良好的抗震性能,僅從抗震角度來說,完全適用于地震頻發區和地震危害區。因此,在地震災后重建中運用輕型木結構是具有理論研究、試驗研究和現實依據作為支撐的。

2 輕型木結構的抗震機理

在地震頻發的北美地區,木結構住宅處于市場的主導地位,新建建筑的大多數均為輕型木質結構。加拿大木業協會調查結果表明,在多次地震中,包括加州近年發生的3次大地震,北美地區木框架建筑能夠承受0.6g或更高的地面峰值加速度,結構構件沒有受到嚴重破壞,多數情況下連結構損傷的跡象都沒有。輕型木結構在地震作用下滿足 “小震不壞,中震可修,大震不倒”的抗震設防要求,不是采用“硬抗地震,加強結構的方法”,而是采取 “以柔克剛,耗能減震”的途徑[5]。輕型木結構抗震機理主要在于以下幾點:

1)木材強度高,韌性好 輕型木結構均采用木材建筑而成,木材本身具有良好抗壓強度,韌性較好,有很強的彈性回復性,對于瞬間沖擊力和和周期性疲勞破壞有很強的抵抗性,能夠消耗一部分地震能量,與工程結構減震控制中的被動控制相符合。

2)輕型木結構質輕,受地震力小 與鋼筋混凝土結構和鋼結構相比,輕型木結構重量輕。由于地震力與結構的重量成正比,精心設計和施工的輕質木框架房屋便可在地震中有上佳表現。

3)柔性連接耗能 輕型木結構房屋各構件均采用釘連接,齒板連接和錨栓連接等柔性連接,在地震作用下這些柔性連接能夠減震耗能,這種減震耗能屬于阻尼耗能范疇。在輕型木結構剪力墻反復荷載試驗和足尺房屋建筑模型振動臺試驗中,控制結構破壞的關鍵因素就剪力墻的層間位移。提高了剪力墻的抗變形的能力也就提高了輕型木結構的抗震能力。提高剪力墻抗變形能力措施包括:使用墻角錨栓,加強墻骨柱的連接,加強橫墻和翼緣墻體的連接。

3 有待解決的問題

1)傳統住房觀念有待轉變 提到木結構住宅,人們就會聯想起傳統農村的簡陋、粗糙、四面透風木房屋,其實這是個誤區。現代的木結構房屋與其完全不同,它造型多樣、環保、節能、舒適,具有觀賞性。木結構建筑在我國為人們接受的程度還很低,木結構產品進入我國住宅市場并被消費者所歡迎還有待時日。

2)木結構建筑的教育研究滯后 由于中國森林資源缺乏,二十多年前木結構被嚴格禁止。因此,多年來木結構被排斥在主流建筑體系之外,在中國各高校的建筑學專業和土木工程專業教學計劃中很少有木結構建筑的相關課程。在技術上缺乏專業的設計人員和施工人員。相關的木結構法規、規范還有待完善。

3)森林資源匱乏和材料成本較高 我國目前木結房屋構成本是以國外經銷商統計數據作為參考,不同地區、不同城市的房價不盡相同。據專家估算,若我國采用進口木材進行建造,其成本約為1500～2000元/m2。相對于目前農村采用的磚混結構而言,其造價是比較高的。

4 結 語

輕型木結構房屋具有環保、節能、抗震性能好、施工速度快等優點,但也存在造價高、資源少等缺點,但在地震區推行這種結構有利于快速恢復生產生活,有效減少未來災害造成的損失。經過綜合比較,在地震區災后重建中輕型木結構房屋具有可發展性。

[1]馬成松.結構抗震設計 [M].北京大學出版社,2006.

[2]GB50005-2003木結構規范設計 [S].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[3]呂西林,程海江,盧文勝,等.兩層輕型木結構足尺房屋模型模擬地震振動臺試驗研究 [J].土木工程學報,2007,40(10):41-49.

[4]元興軍,李小軍.土木工程結構減震控制方法綜述 [J].工業建筑,2006,36(8):58-63.

[5]費本華,王戈.我國發展木結構房屋的前景分析[J].木材工業,2002,16(5):6-8.