歷史土木結構房屋技術改良與抗震加固研究

周巧慧

【摘 要】通過文獻調研總結，并對汶川震后四川農村生土房屋震害調查、對農村生土結構房屋的建筑材料、連接構造以及施工工藝等進行分析，總結了影響生土結構房屋抗震性能的主要因素；得到新建土木結構房屋的技術實施方案，在此基礎上獲得生土結構房屋抗震加固的方案。

【關鍵詞】生土結構；抗震性能；技術改良；抗震加固

中圖分類號： TU36 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著不斷加劇的溫室效應造成的全球變暖，霧霾天氣嚴重等問題出現，業內人士開始反思工業時代為了過度經濟開發而忽視的生態環境問題，由此綠色建筑及綠色建造又重新受到人們的青睞。生土結構房屋歷史悠久，人類使用生土建造房屋已經有上千年的歷史，多采用黏土材料夯實成承重墻，或加工成土坯壘砌成結構。具有優良的熱學特性、低廉的價格和隨處可得簡單易行等優點，且其保溫與隔熱性能優越、加工過程低耗能且無污染，在經濟不發達的農村在新中國成立初，是首選的建筑材料，但生土材料強度低、不耐水、體積穩定性差，且大多數房屋施工粗糙，抗震能力差，歷次地震災害均會使得農村房屋破壞嚴重，造成人員傷亡數量大。

震后災害調查表明，生土結構房屋震害十分嚴重。我國農村在役生土房屋仍很多，大多房屋均有不同程度損傷，在短期內徹底拆除這批房屋有很大的難度；有些建筑為明清建筑，具有較強歷史文化價值，文物建筑具有唯一性和不可再生性，我們在對其進行保護維修時需要遵循相關的原則，保留其應有的歷史信息。研究這些房屋的抗震加固問題，為這些房屋的加固改造及新建提供技術支持十分必要。生土結構房屋整體抗震性能的提高，除對單片墻體抗震性能需要提高外，也需采取一些構造措施，以提高結構整體抗震性能，同時對部分墻體及樓板等部件的加強會帶來新的問題，這些都有待于進一步研究，以期為新建工程提供經驗及在役工程加固提供技術參考。

1 生土結構抗震性能研究

1.1 生土墻體抗震性能研究

以生土墻體為主要承重構件的房屋，其抗震性能對整個房屋的抗震性能影響很大。學者們[1]對生土結構房屋承重墻的抗震性能的研究表明：土坯墻體的破壞模式與磚砌體相似，采取抗震構造措施后，土坯墻體具有較好的承載力和一定的變形能力，砌體結構抗震加固方法適用于土坯墻結構。

1.2 生土房屋抗震性能研究

近年來，學者們對房屋整體的研究相對較少，主要集中在振動臺試驗和房屋整體構造措施方面。申世元、于文等[2-3]通過試驗研究了生土房屋的抗震性能，針對其抗震方面存在的不足提出加固措施，采用扒釘、鐵件、墻攬等加強連接的手段，試驗結果驗證了抗震措施的有效性、合理性和經濟性。王沖鋒等[4]通過大量實地調研得到生土結構房屋在歷次地震中的主要破壞情況，提出生土墻體加構造柱和圈梁、草繩拉結、集中荷載位置處設置墊板等抗震構造措施，通過試驗驗證了抗震構造措施的有效性。卜永紅等[5]提出一種內置繩網的生土結構房屋承重夯土墻體及其建造技術，并對該種夯土墻受力及抗震性能進行試驗表明，內置繩網夯土墻體的承載和變形能力更高，可使房屋的整體性增強，抗震能力得到提高。

2 生土結構房屋技術現狀及改良

2.1 墻面無保護

大多數生土結構房屋未做保護面層，夯實的承重墻體裸露在外，直接遭受雨淋、日曬與凍融作用，墻體根部截面破壞嚴重，部分墻面因風化而表皮脫落，調查發現，風雨共同作用沖擊侵蝕土墻已成為生土建筑的主要破壞形式，雨水沖刷及雨水形成的干濕交替作用會造成墻體開裂，因此外墻需做摸植物與鋼混合纖維泥漿處理。

2.2 無圈梁構造柱等加強措施

滿足抗震設防要求的房屋應當采用圈梁及構造柱等方式對墻體進行約束加強，使得墻體裂縫產生但不發展，提高房屋整體性，進而提高房屋抗震能力。生土結構房屋多建于上世紀70～80年代，故大多生土房屋均未設置圈梁以及構造柱，墻體部分倒塌往往會導致房屋整體倒塌，因此新建房屋中增加木圈梁及構造柱是提高房屋抗震性能的重要措施。

2.3 墻體連接薄弱

內外墻連接處，木柱與內填墻體等構件間連接薄弱，削弱了生土建筑的整體性，使房屋在薄弱部位形成局部破壞進而引起整體結構嚴重破壞。因此應從加強抗震概念設計入手、新建時考慮采用諸如在縱橫墻相交處放置竹條代替鋼筋，加強縱橫墻間的連接。

2.4 砌筑工藝差

生土結構沒有咬槎，縱橫墻之間連接不牢固，所以相交處容易出現通縫，土坯墻砌筑過程中采用泥土砌筑，黏結性能較差。砌筑材料多采用泥漿，砌塊豎向灰縫大多均不飽滿，易形成豎向通縫，降低耐久性及抗震能力，因此新建時建議在塊體縫隙間增加水平竹筋。

2.5 前后承重墻剛度差異大

考慮到采光需要，前墻開門窗洞口較大，后墻基本不開洞口，且前后墻又均為承重墻，造成前后墻剛度相差較大，地震時容易出現房屋嚴重扭轉而造成的房屋坍塌；有些房屋則考慮到美觀與實用性，在建造時縱向承重墻體不在同一直線上，也會使得房屋在地震時發生扭轉，引起房屋嚴重破壞，因此應限制開洞率，且在門窗洞口周邊應增加竹筋數量。

2.6 屋架與墻體無可靠連接

經調查發現，大部分生土結構梁都直接擱置在墻體上，與墻體均沒有可靠連接措施，不能協調各個墻體協同受力，整體性差，地震時不能將水平地震力完全傳遞到抗震橫墻與縱墻上，梁容易滑移導致整個屋架塌落。梁的對接處基本為木銷連接，未設梁墊或梁與梁墊之間無連接，水平地震作用下，上部結構容易坍塌，因此新建時檁條下方應放置竹筋，提高局部抗壓能力的同時避免墻體發生拉裂裂縫。

3 既有生土結構房屋抗震加固措施

因生土部件本身強度低，而其整體性主要依靠自身制作過程中的黏聚力，若加固過程中過多傷及墻體本身，可能達不到加固的目的，反而破壞了原有墻體的整體性，再則生土材料與其它材料表面黏結力很弱，外貼其他材料加固時，必須有很好的拉結或夾卡構造，否則很難讓新舊材料協同工作。因此，生土結構的抗震加固方法仍需進一步研究。

3.1 部件加固

學者常衛華，王建衛，徐福泉[6-8]采用鋼絲網水泥砂漿、木板、木柱木梁及木斜撐等加固措施，通過對普通臥砌土坯墻體及加固墻片進行抗震加固研究，證明了加固措施可有效提高土坯墻體抗震性能，昭化古鎮房屋后墻為生土墻體，汶川地震后采用了鋼絲網水泥砂漿加固法，墻面有細微裂縫，但修復幾年未見裂縫發展。黃金勝等[9]針對夯土墻提出了鋼絲網水泥砂漿加固法和玻璃纖維水泥砂漿加固法，試驗表明夯土墻加固后極限抗剪承載力、極限位移有了大幅度提高，采用鋼絲網和玻璃纖維水泥砂漿用于加固夯土墻是一種非常有效的方法。

在墻體加固中可考慮采用木板及穿墻長螺栓組合應用代替圈梁。梁墻連接部位、山墻中部以及縱墻頂面等部位均是結構的薄弱部位，提出了在山墻外加設扶壁柱和縱墻頂面增設木板圈梁的方法，并分析證明了其合理性，供此類建筑加固提供參考。

3.2 墻體承載力改善

在生土中摻入麻刀、稻草、竹筋、麥稈等植物纖維材料，對土料的強度有顯著的提高[10]，生土中所添加植物纖維材料具有較強的韌性，可明顯提高生土材料的變形能力，彌補生土墻體脆性不足。在墻體加固中，可在原有墻體外表面用鋼釘固定鋼板網片，后在外面壓抹植物纖維泥漿，提高墻體耐雨水沖刷能力，也提高墻體承載力及延性。

3.3 前后縱墻剛度相差懸殊

前后墻剛度相差較大，可在前墻內外側增加型鋼斜撐，將生土墻體承重改為型鋼構架與墻體混合承重體系，水平抗震剪力由斜撐承擔，使得前后墻水平抗側剛度差距變小，減小地震作用下房屋扭轉變形。

3.4 屋架加固

屋架離散成單個構件，對房屋抗震極為不利，墻體間協同工作能力差，用扒釘鐵件加固木梁、檁條與承重墻體間形成可靠拉接，檁條之間增設橫向連接與斜撐，屋架之間增設剪刀撐，使得屋蓋成為一個傳力整體，將剪力傳遞到縱墻，進而傳遞到基礎，且協調各墻體共同抵抗水平地震作用。

4 結語

傳統生土房屋曾經作為農村房屋主要結構形式之一，在相當長一段時間內難以棄用，尤其是當前工業快速發展所帶來的環境問題，綠色建筑及綠色建造尤為重要；有些建造較早的明清甚至更久遠的建筑，具有較強歷史價值、藝術價值和科學價值，因此需采取必要的技術措施進行加強，提高其耐久性。已有震害表明地震作用下土墻體脆性強，抗震性能較差，特別是縱橫墻連接部位最容易開裂破壞。為此，提出改善生土建筑建造改良技術措施及抗震加固的措施。

（1）如何應用現代建造技術手段，對結構抗震薄弱部位進行構造加強，對已經損傷的部位進行修復加強，保存這些歷史建筑，避免房屋倒塌造具有重要的工程意義及歷史文化價值。

（2）對于抗震設防區的生土建筑，新建時應在建筑外墻的四角及縱橫墻交界處加設構造柱；在大洞口周邊放置豎向及水平竹筋。應在每層墻頂標高處設置一道竹筋圈梁，圈梁內的竹筋應加密，且泥土內應摻拌植物纖維。

（3）加固時在梁下應增設木板壁柱，內外木板壁柱間采用鋼筋拉接，圈梁采用木板穿墻鋼筋組合圈梁，能夠明顯提高房屋整體性；墻體加固時可外鋪鋼板網片外加植物纖維泥漿，能夠明顯提高墻體承載能力及延性。

【參考文獻】

[1]王芳，王力.綠色生態策略在傳統生土建筑改造中的應用—以鄭州邙山黃河黃土地質博物館建筑設計為例[J].建筑科學，2014，30（2）：24-30.

[2]申世元.農村木構架承重土坯圍護墻結構振動臺試驗研究[D].北京：中國建筑科學研究院，2006.

[3]于文，葛學禮，朱立新.新疆喀什老城區生土房屋模型振動臺試驗研究[J].工程抗震與加固改造，2007，29（3）：24-29.

[4]王沖鋒.生土結構房屋抗震構造措施研究[D].西安：長安大學，2012.

[5]卜永紅，王毅紅，李麗，等.不同夯筑方法的承重夯土墻體抗震性能試驗[J].長安大學學報：自然科學版，2011，31（6）：72-76.

[6]常衛華，王建衛，徐福泉，等.臥砌土坯墻體加固抗震性能試驗研究[J].建筑結構，2012，42（9）：126-130.

[7]王建衛.既有村鎮生土結構房屋承重土坯墻體加固試驗研究[D].西安：長安大學，2011.

[8]陳全杰.既有村鎮生土結構房屋承重夯土墻體加固試.驗研究[D].西安：長安大學，2011.

[9]黃金勝.云南傳統民居建筑抗震加固方法的研究[D].昆明：昆明理工大學，2007.

[10]周鐵鋼，彭道強，穆鈞.現代夯土墻體施工技術研究與實踐[J].施工技術，2012，41（370）：39-41.