國內(nèi)外生土結(jié)構(gòu)研究與展望

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 陜西 西安 710000)

國內(nèi)外生土結(jié)構(gòu)研究與展望

張偉

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院陜西西安710000)

我國村鎮(zhèn)地區(qū)大量存在生土結(jié)構(gòu)，生土結(jié)構(gòu)融于自然，有利于環(huán)境保護和生態(tài)平衡。為傳承、保護我國寶貴的建筑遺產(chǎn)以及利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進一步開發(fā)、應(yīng)用、改良這種建筑物種，深入開展生土結(jié)構(gòu)的研究工作，歸納整理國內(nèi)外生土結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的大量文獻。從生土材料的化學(xué)改性和物理改性、生土墻體力學(xué)性能的試驗研究、生土結(jié)構(gòu)抗震性能的試驗研究、既有生土結(jié)構(gòu)房屋抗震加固改造方法的研究等方面綜述國內(nèi)外生土結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，提出我國生土結(jié)構(gòu)研究中有待繼續(xù)研究和解決的問題。

生土結(jié)構(gòu); 建造方法; 生土改性; 抗震性能;綜述

一、引言

近幾十年來，全球各個國家對于環(huán)境重視程度不斷提高，可持續(xù)發(fā)展的問題在土木工程領(lǐng)域受到高度的關(guān)注。低成本、低消耗的節(jié)能環(huán)保型材料在建筑中的應(yīng)用問題成為研究的熱點。由于生土突出的生態(tài)效益和普遍的地域適應(yīng)性，因此重新認識并改良夯土結(jié)構(gòu)，發(fā)揮夯土結(jié)構(gòu)中蘊含的巨大生態(tài)應(yīng)用潛力成為十分有價值的研究課題。然而這類房屋基本是由脆性材料建造而成，延性小，抗震性能較差，由于成本考慮和技術(shù)水平較低，尚難以達到抗震設(shè)防目標(biāo)，在歷次破壞性地震中，遭到不同程度的破壞，因此對此類建筑加固并進行抗震性能研究很有必要。

二、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國現(xiàn)存生土房屋仍較多，并且很多房屋都有不同程度的損傷。在短時間內(nèi)，拆除這些房屋不大可能，國家“十一五”科技支撐項目立項研究這些房屋的抗震加固問題，為這些房屋的加固改造提供了技術(shù)支持。鄭州大學(xué)張琰鑫等通過靜力分析、地震反應(yīng)譜分析等方法，探討了夯土住宅房屋的受力變形特點，結(jié)果表明檁—墻連接部位、山墻中部以及縱墻頂面部位是結(jié)構(gòu)的薄弱部位。針對上述結(jié)構(gòu)存在薄弱部位的問題，提出了分別在檁條下設(shè)置弧形墊塊、山墻外設(shè)置扶壁柱和縱墻頂面設(shè)置木圈梁的解決方法，并通過分析證明了其可行性和合理性，為以后此類建筑的加固改造提供了參考指導(dǎo)。昆明理工大學(xué)黃金勝等對夯土墻提出了鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固法和玻璃纖維水泥砂漿加固法(統(tǒng)稱為夾板墻)，通過試驗研究加固后夯土墻的承載能力及抗震性能的改變，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):加固后墻體的極限抗剪承載力、極限位移有了大幅度的提高，依據(jù)實驗結(jié)果，在以后的夯土墻加固改造過程中可以采用鋼絲網(wǎng)和玻璃纖維水泥砂漿用于加固夯土墻以提高承載力和抗震性能。長安大學(xué)王毅紅對生土結(jié)構(gòu)房屋中的承重墻的抗震性能做了研究:對不同方法夯筑的承重夯土墻體的抗震性能進行試驗研究，結(jié)果表明，錯層夯筑法筑成的墻體的承載和變形能力都可以得到提高，加銷鍵夯筑使墻體的變形能力得到提高; 試驗還分析了構(gòu)造柱、圈梁在夯土墻體中的作用，實驗指出了影響夯土墻體抗震性能的主要因因素和實際施工中應(yīng)該注意的問題。阿肯江·托呼提等對木柱梁-土坯組合墻體在不同烈度地震作用下的效應(yīng)進行了評估，結(jié)果表明該墻體可以滿足9度地區(qū)罕遇地震烈度下裂而不倒的設(shè)防準(zhǔn)則。西安建筑科技大學(xué)董玉將等根據(jù)陜南典型夯土民居房為原型，設(shè)計了“U”形夯土墻片單元，針對墻體在地震中容易發(fā)生外閃破壞的問題，設(shè)計了鍍鋅鐵絲網(wǎng)帶加固方法。試驗結(jié)果表明:通過對墻體設(shè)置水平、豎向鍍鋅鐵絲網(wǎng)加固帶，能夠提高房屋的整體性和抗震性能。生土結(jié)構(gòu)房屋的加固改造是當(dāng)前生土結(jié)構(gòu)中存在難度較大的課題，因生土構(gòu)件本身強度低，而其整體性主要依靠制作過程中的黏聚力，若加固改造過程中過多傷及構(gòu)件本身，可能達不到加固的目的，反而破壞了原有構(gòu)件的整體性; 再則生土材料與其他材料表面黏結(jié)能力很弱，如果外貼其他材料加固時，必須有很好的拉結(jié)或夾、卡構(gòu)造，否則很難讓新舊材料共同工作，共同受力，這將造成加固成本增高，與生土結(jié)構(gòu)自身造價相比，在經(jīng)濟上不合理。

三、國外研究現(xiàn)狀

從上世紀年代開始,許多發(fā)達國家就已經(jīng)意識到,隨著全球工業(yè)化的發(fā)展,全世界自然資源正在被大量地消耗,并伴隨著環(huán)境污染、氣候變暖等一系列問題,人與自然和諧的生態(tài)建筑理念也由此被更多國家接受和采納。比如美國新墨西哥州在年,對生土建筑所用材料質(zhì)量及設(shè)計施工制定了相應(yīng)得規(guī)范。新西蘭在生土建筑方面也制定了生土標(biāo)準(zhǔn),包含土坯及加筋土墻的設(shè)計,其中規(guī)定生土強度最小值是生土建筑規(guī)范化的創(chuàng)新,對生土建筑結(jié)構(gòu)的強度提高有著重要意義。法國是在夯土技術(shù)上最先推出革新的國家之一,利用水泥土、砂石攪拌成塑性體,使土與鋼筋共同作用,具有良好的抗震性,又保持了土原有的舒適、環(huán)保節(jié)能的本色。法國的 Bui 和 Hans 等人對夯土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計所需的參數(shù)進行了研究，將試驗值與由歐洲規(guī)范8中的經(jīng)驗公式計算出來的數(shù)值相比較，得到了這些公式適用于夯土結(jié)構(gòu)的抗震計算。日本生土結(jié)構(gòu)在抗震方面沿用輕巧的設(shè)計原則，生土墻體中設(shè)置一定量的荊條，形成泥笆墻這一特殊的結(jié)構(gòu)形式，泥笆墻重量小，遭受的地震力較小，同時，荊條使得墻體具有較好的延性，起到消解地震能量的作用。土耳其的現(xiàn)代建筑規(guī)范要求在生土結(jié)構(gòu)中設(shè)置4道圈梁，分別位于地面、窗下、窗上和墻頂，這些木圈梁之間每隔1m設(shè)拉結(jié)帶，拉結(jié)帶在房屋角部和縱橫墻交接處必須設(shè)置，可以滿足更高抗震要求。第十三屆世界地震工程會議中有學(xué)者提出用覆蓋有石灰砂漿的金屬絲網(wǎng)或木制構(gòu)件加固生土結(jié)構(gòu)，分別對1:5比例的加固房屋模型進行振動臺試驗,對1:1.5比例的加固墻體進行水平循環(huán)荷載作用下的試驗，結(jié)果表明，盡管這種結(jié)構(gòu)體系的地震易損性較高，但用木制構(gòu)件加固約束墻體有較好的效果，是一種很有前途的加固方案。

四、有待解決的問題

由上述內(nèi)容可以看出我國生土結(jié)構(gòu)的研究已取得了一定的成果，但是生土結(jié)構(gòu)還存在很多有待解決的問題:

(1)生土材料性能各異，目前對生土材料強度、變形性能的研究缺少相對統(tǒng)一的試驗方法，包括試件的形狀、尺寸、制作方和測試方法等。

(2)生土材料的改性，是提高生土結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性能的有效途徑，如何將我國生土的改性方法或配方歸納、整理、加工，形成可指導(dǎo)我國生土結(jié)構(gòu)實際工程應(yīng)用的成果，尚有大量的工作要做。

(3)在生土結(jié)構(gòu)房屋整體性能的研究中，除需增加大比例模型振動臺試驗外，一些構(gòu)造措施對提高結(jié)構(gòu)抗震性能的效果也還有待通過振動臺試驗的驗證。

(4)既有生土結(jié)構(gòu)安全性的評價、保護價值評估方法的研究以及與其配套的加固改造方法還需深入研究，分門別類地給出保證既有生土結(jié)構(gòu)安全性的對策，是生土結(jié)構(gòu)研究中要解決的重要問題

五、結(jié)語

我國生土結(jié)構(gòu)的理論研究和應(yīng)用研究都取得了一些成果，但需要深入研究的問題仍很多，除上述待解決的問題之外，生土材料的本構(gòu)關(guān)系、生土墻體的滯回性能、生土結(jié)構(gòu)地震作用的分析、我國傳統(tǒng)生土建造技術(shù)的傳承和改良、國外生土結(jié)構(gòu)研究經(jīng)驗的借鑒等也還需做大量的研究工作。生土結(jié)構(gòu)研究中，在充分發(fā)揮生土結(jié)構(gòu)綠色、節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等方面優(yōu)勢的同時，應(yīng)注重在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中注入現(xiàn)代技術(shù)，對其缺點進行改良、創(chuàng)新，使生土結(jié)構(gòu)成為具有地域特色、久盛不衰的建筑。

[1]王毅紅，蘇東君，劉伯權(quán)，等.生土結(jié)構(gòu)房屋的承重夯土墻體抗震性能試驗研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，39(4):451-456

[2]彭道強.夯土房屋墻體試驗與結(jié)構(gòu)性能改良技術(shù)研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué)，2012

[3]李德榮，黎海南，陳丙午.甘肅農(nóng)村土墻承重平房抗震性能的試驗研究[J].工程抗震，1987(3):14-19

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張偉(1993-)，男，漢族，陜西西安人，研究生在讀，工學(xué)碩士，西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，研究方向結(jié)構(gòu)體系與優(yōu)化設(shè)計。

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