土坯圍護墻-木結構民居抗震加固振動臺試驗研究

周鐵鋼，朱瑞召，朱立新，于 文，左德亮

(1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055； 2.中國建筑科學研究院，北京 100013）

以榫卯節(jié)點為特征的傳統(tǒng)木結構是我國傳統(tǒng)民居中分布最廣泛、既存數(shù)量最多的民居結構形式，并且在建筑形式上靈活多樣，種類繁多.作為民間建筑，傳統(tǒng)木結構民居在材料選擇、營建工藝、使用維護等方面不同于我國古代官式建筑，加之大部分年久失修，承重木構件腐朽、蟲蛀嚴重，總體安全性能不容樂觀.近年來，國內(nèi)外關于木結構抗震加固陸續(xù)開展研究，但研究主要集中在古建筑木結構的節(jié)點、構件或單純木構架研究，對于傳統(tǒng)民居尤其是木構架圍護墻體整體抗震加固研究較少.2008年汶川地震以來的歷次震害資料表明，有相當部分木結構民居在8度以上烈度區(qū)產(chǎn)生嚴重破壞，如出現(xiàn)節(jié)點脫榫、滑落，桿件斷裂，甚至整體散架現(xiàn)象.另外，國內(nèi)傳統(tǒng)木結構民居一般采用生土墻或磚墻圍護，由于這些圍護墻與木結構之間缺乏可靠連接，地震時相互之間不能協(xié)同工作，且自身穩(wěn)定性較差，大震時非常容易倒塌.本文根據(jù)以上情況及實地調(diào)查，制作了一個典型的土坯圍護墻-木結構傳統(tǒng)民居房屋模型，通過抗震加固與模擬地震振動臺試驗，以探討所采取的加固方法及措施的可行性，希望對當前傳統(tǒng)民居的安全性改造提供一些技術參考.

1 模型的設計與加固

1.1 模型設計

試驗原型房屋位于北京順義，單層5開間，承重結構為我國北方典型的傳統(tǒng)抬梁式木結構，圍護墻體為土坯墻.根據(jù)西安建筑科技大學振動臺臺面尺寸及承載能力，試驗采用2開間、1/2縮尺模型，模型各參數(shù)相似比例關系[1-2]見表1.

表1 模型相似比Tab.1 Similitude ratios of model

模型如圖1所示，長3.70 m，寬2.85 m，檐高1.46 m，脊高1.91 m.抬梁式木結構由木柱（直徑110 mm）、托梁（直徑120 mm）、瓜柱（直徑100 mm）、檁條（直徑100 mm）、檐枋（75×50 mm）和木椽（直徑30 mm，實際采用20×30 mm的小方木代替）組成，構件所用木材是與原型相同（東北落葉松）.圍護墻厚200 mm，土坯制作及砌筑工藝與原型基本相同，屋面椽子上鋪設薄木板和草泥保溫層.上述木構件及土坯墻均按比例縮尺，土坯的立壓強度為1.30 MPa，臥壓強度為1.03 MPa.

圖1 模型設計Fig.1 Design of model

1.2 模型加固方法與措施

歷次震害[3-5]表明木結構可能發(fā)生脫榫和折榫破壞，或節(jié)點轉(zhuǎn)動較大時形成鉸接，整個結構轉(zhuǎn)為幾何可變體系，當?shù)卣鹱饔幂^大時就會發(fā)生傾斜或倒塌.因此對木結構自身的加固主要是增強節(jié)點的承載能力，適度提高節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度與木結構的整體剛度，同時不過多減小木結構的耗能減震特性.對于木結構中的圍護墻體，在地震中的破壞主要表現(xiàn)為局部開裂、外閃，嚴重時倒塌.出現(xiàn)這種狀況的主要原因是墻體自身強度、穩(wěn)定性與變形能力較差，同時由于墻體與木結構主體之間沒有連接，大震時木結構側(cè)移變形較大，對墻體產(chǎn)生外推所致.因此對于圍護墻體的加固應該是一方面提高墻體自身強度、整體性和變形能力，一方面加強圍護墻體與主體木結構之間的連接，這樣兩者可以捆綁在一起協(xié)同工作，圍護墻體主要承擔水平地震作用，并增加了房屋剛度，使得房屋整體側(cè)移大大較小，同時木結構對圍護墻體產(chǎn)生一定的拉接、支撐及約束作用，進而提高圍護墻體的穩(wěn)定性與抗倒塌性能.

根據(jù)上面思路，并參考已有加固方法[6-9]，及經(jīng)濟性考慮，采取的具體加固措施如下.

(1)對木構件節(jié)點的加固（圖2所示）：木柱與托梁連接處采用∟50×50×3等邊角鋼加固，角鋼與木柱和托梁分別用8顆自攻螺絲（以下所用自攻螺絲均為此規(guī)格，直徑6 mm，長40 mm）固定；木柱與檁條和檐枋用2 mm厚的薄鋼片（如圖3所示）連接，薄鋼片與木柱、檁條和檐枋分別采用 6顆、8顆和8顆自攻螺絲固定；瓜柱與托梁和檁條連接處用30×3 mm扁鐵加固，扁鐵兩端頭與瓜柱分別用2顆自攻螺絲固定.以上鐵件所用鋼材均為Q235鋼，事先鉆孔，孔的位置按照規(guī)范設計，滿足邊、端距和間距要求.

圖2 木結構節(jié)點加固Fig.2 Reinforcement of timber structure node

圖3 鋼片示意圖Fig.3 Drawing of sheet-steel

(2)土坯圍護墻加固（圖4所示）：使用手提切割機在墻體兩側(cè)刻槽，槽內(nèi)設置砂漿配筋帶對墻體進行加固.刻槽高度100 mm，深25 mm.刻槽位置：檐口以下共設三道水平槽；山墻瓜柱部位設置三道豎向槽.槽內(nèi)鋼筋：縱向配2Φ4鋼筋，每隔200 mm設2Φ4穿墻鋼筋，將兩側(cè)槽內(nèi)縱向鋼筋拉接.鋼筋連接完成后，對槽內(nèi)浮土進行清除，適當噴水后在槽內(nèi)分兩次抹上水泥砂漿，砂漿標號M15.

圖4 嵌槽砂漿配筋帶示意Fig.4 Drawing of reinforced mortar in the groove

(3)土坯圍護墻與木結構的連接（圖5所示）：在木柱與土坯墻水平砂漿配筋帶結合處，設置Ω型Φ6鋼筋2道，將木柱箍牢，鋼筋兩端深入水平槽內(nèi)，并與槽內(nèi)鋼筋焊接；木柱兩側(cè)與墻體的凹縫處，用水泥砂漿塞填并形成豎向壁柱，以保護Ω型鋼筋，并夾緊木柱，使得木柱與墻體可靠連接.山墻瓜柱部位設置的三道豎向槽內(nèi)，同樣設置Ω型鋼筋將山墻頂部與瓜柱拉接.

圖5 木柱與墻體拉接示意Fig.5 Drawing of the timber column tied with the wall

2 試驗工況及測試

試驗在西安建筑科技大學教育部結構與抗震重點實驗室進行.規(guī)定模型縱向為Y向，橫向為X向.為測得振動臺臺面、基座、半墻高、檐口、山墻尖和屋脊處加速度，在相應位置處布置了 18個加速度計；為測得振動臺臺面、基座、檐口和屋脊處位移，在相應位置處布置了10個位移計.

為了驗證加固措施的一般性，兼顧中西部地區(qū)土坯墻圍護-傳統(tǒng)木結構民居當前的加固改造需求，試驗選用兩條Ⅱ～Ⅳ類場地天然波（EL Centro波和江油波）和一條Ⅱ類場地人工波.

為得到原型房屋在0.1 g（7度設防）、0.2 g（8度設防）、0.3 g（8.5度設防）、0.4 g（8度罕遇）四個加速度輸入下的地震反應，加載前按照相似關系對地震波加速度峰值、持續(xù)時間、時間間隔加以調(diào)整.實際操作時，對模型房屋的臺面輸入依次為：173 gal（7度設防）、347 gal（8度設防）、520 gal（8.5度設防）、691 gal（8度罕遇），且每個加速度峰值下，依次單向輸入X和Y向上述三種波.上述工況完成后，鑒于模型房屋尚有承載能力，最后一個工況采用EL Centro波一次加載至810 gal（介于8度罕遇與8.5度罕遇地震之間）.試驗過程中，在每個加載級別前后都進行了一次白噪聲掃頻，以考察模型房屋的自振頻率變化情況.

3 試驗現(xiàn)象

在整個試驗過程中，主體木結構沒有發(fā)生破壞且能保持整體穩(wěn)定.8度罕遇地震作用時，節(jié)點加固的薄鋼片僅輕微變形，墻體和木結構出現(xiàn)輕微脫離，兩者能夠始終協(xié)同工作.墻體損壞如圖6所示.

圖6 模型裂縫圖Fig.6 Photographs of model cracks

(1)173 gal（7度設防）地震作用下，墻體未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，結構基本處于彈性階段.

(2)347 gal（8度設防）地震作用下，后墻兩高窗下角都出現(xiàn)了斜裂縫，并延伸到加固帶邊緣，裂縫寬度較小（約0.1 mm），長度約160 mm；山墻前下角與基座接觸處均出現(xiàn)松動；加載過程中，隨著房屋水平晃動，木結構發(fā)出“吱吱”聲響；屋蓋和墻體發(fā)生輕微滑移.

(3)520 gal（8.5度設防）地震作用下，后墻高窗上下角出現(xiàn)斜裂縫，并在加固帶邊緣發(fā)展為水平裂縫，裂縫寬約0.3 mm；后墻在與中間木柱對應處出現(xiàn)豎向裂縫，寬度0.2 mm；后墻、山墻底部與基座出現(xiàn)水平滑移；后墻上部兩條加固帶和墻體在接觸面處發(fā)生輕微錯動；部分木柱根部砂漿有脫落現(xiàn)象.

(4)691 gal（8度罕遇）地震作用下，墻面原有裂縫持續(xù)發(fā)展，最大寬度約2 mm，但均在水平配筋帶處截止；在后墻的四角和中上部出現(xiàn)新斜裂縫，和原來裂縫形成“X”形、八字形，分布于水平配筋帶間；木柱周邊砂漿脫落明顯；土坯墻與水平配筋帶間滑移錯動明顯；木結構變形聲響較大.

(5)810 gal地震作用下，圍護墻體與木結構間有明顯錯動傾覆現(xiàn)象，但由于水平配筋帶的有力約束，墻體與木結構之間尚未嚴重脫離；除了在后墻中柱處出現(xiàn)兩條裂縫外，其余部分均未出現(xiàn)新裂縫；雖然晃動劇烈，但整體上還沒有倒塌跡象.

4 試驗結果分析

4.1 模型動力特性

通過用白噪聲對模型進行掃頻，得到模型在不同級別加載前后的自振頻率，見表2.模型初始一階頻率為8.52 Hz（Y向平動），二階頻率為8.67 Hz（X向平動）.隨著臺面輸入增大，墻體裂縫逐漸增多、延伸，模型房屋頻率呈減小趨勢，但減小幅度逐漸降低.X和Y向自振頻率自始至終都比較接近，X向降幅略比Y向小.

表2 模型的自振頻率Tab.2 Natural frequencies of model

4.2 模型加速度反應

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，模型檐口和屋脊處加速度相對基座的放大系數(shù)如圖7所示.

圖7 動力放大系數(shù)Fig.7 Dynamic magnification factors

在粘滯阻尼體系中，動力放大系數(shù)主要和模型的阻尼比（成反比）與頻率比（模型頻率和振動頻率比越接近1，動力反應越大，共振現(xiàn)象）有關.由圖可以看出，隨著臺面輸入增加，模型裂縫逐漸開展損傷增大，結構的阻尼與耗能性能逐漸增強，動力放大系數(shù)逐漸減小.但X向動力放大系數(shù)大部分位于1.5～2之間，與后墻裂縫開展情況一致，即裂縫沒有突然地大量出現(xiàn).其次，相同臺面輸入下，不同地震波的動力放大系數(shù)有所不同，這可能與地震波的頻譜特性有關.總體上來說X向加載時，模型對EL Centro波最敏感對人工波反應最弱；Y向加載時，模型對江油波最敏感對人工波反應最弱.另外，實測動力放大系數(shù)均大于 1，表明相對于傳統(tǒng)純木結構房屋[10]，模型房屋的抗側(cè)剛度明顯增強.

4.3 模型位移反應

表3為模型房屋各處的位移反應與墻體位移角.

表3 位移反應最大值Tab.3 Peak values of displacements

由表中數(shù)值可以看出，模型X向位移大于Y向；隨臺面輸入逐漸增大，各點位移增加，但基本上屋脊處位移略小于檐口處位移（個別例外），這可能與屋脊位移計設置在草泥屋面上有關（草泥有干縮裂縫，屋面剛度較小）.墻體位移角用同一時刻檐口和基座處位移差除以墻高得到，墻體最大位移角隨臺面輸入逐漸增大.810 gal地震作用下位移角最大達到1/57，此時，墻體上的裂縫已基本穩(wěn)定，但裂縫的寬度較大，墻體有明顯的傾覆現(xiàn)象并伴隨有局部振動.位移角達到1/57，但墻體并未，主要可能由于墻體裂縫不斷開展，導致其剛度不斷下降，砂漿配筋帶對墻體的約束減弱，墻體在隨結構整體振動的同時伴隨著局部振動而造成墻頂處位移反應的急劇增大，而造成位移失真.但也能說明通過加固，模型房屋具有較好的變形能力.

5 結論

(1)從模型制作過程來看，此加固方法簡單易行，且所用材料均為常用材料，加固費用較少.

(2)模型在地震作用下，山墻出現(xiàn)“X”形裂縫，后墻在窗洞角部出現(xiàn)典型的剪切斜裂縫，上述裂縫在發(fā)展時受到了砂漿帶約束.

(3)試驗過程中，木結構節(jié)點沒有發(fā)生折榫和脫榫破壞，表明節(jié)點承載能力和剛度有明顯提高.

(4)大震時由于設置的嵌槽配筋砂漿帶對土坯墻體產(chǎn)生良好約束，雖然房屋水平位移角達到1/61，但墻體裂縫發(fā)展受到很大限制，未出現(xiàn)土坯剝落現(xiàn)象.說明木結構與圍護墻體協(xié)同工作良好，房屋整體性與變形能力顯著增強.

(5)加固后模型結構總體上可以實現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防目標.

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