輕型木結(jié)構(gòu)在震后房屋重建工程中的應(yīng)用探究

曹 芳 (荊州市江漢建設(shè)工程施工圖審查事務(wù)所,湖北荊州434020)

董龍彬 (荊州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北荊州434021)

祁香文 (中國(guó)石油天然氣管道局第一工程分公司,河北廊坊065200)

在我國(guó),每一次大的地震之后必須面對(duì)和解決的問(wèn)題就是災(zāi)后重建,而災(zāi)后重建工程中的房屋建設(shè)既是基礎(chǔ)又是龍頭。國(guó)務(wù)院提出 “以人為本”的重建原則,這意味著重建房屋的建設(shè)不僅僅需要滿(mǎn)足舒適,經(jīng)濟(jì),美觀的要求,更重要的是滿(mǎn)足人身安全的要求。無(wú)論是唐山大地震,汶川大地震,還是玉樹(shù)大地震,造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的直接原因就是建筑的倒塌,構(gòu)件脫落,墻體倒塌。然而,這些重建地區(qū)仍然處在我國(guó)地震頻發(fā)區(qū),地震具有周期性,在不久的將來(lái),重建地區(qū)仍然可能遭遇地震襲擊,那么災(zāi)后重建的建筑必須具有較高的設(shè)防烈度和抗震能力,保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全在未來(lái)可能的地震災(zāi)害中得到保障。

在房屋抗震設(shè)計(jì)時(shí)抗震結(jié)構(gòu)體系的選擇最為關(guān)鍵[1,2],結(jié)構(gòu)方案的選擇是否合理,對(duì)建筑安全性起決定性作用。在汶川地震災(zāi)后重建中,新向峨小學(xué)教室、宿舍和食堂采用的是全木結(jié)構(gòu),設(shè)防烈度達(dá)到了9°,同時(shí)滿(mǎn)足了美觀,耐用,環(huán)保,節(jié)能等要求。這無(wú)疑為災(zāi)后建筑重建提供了一種新思路和舉措:將木結(jié)構(gòu)引入和運(yùn)用到地震災(zāi)后重建中。

1 輕型木結(jié)構(gòu)構(gòu)造及特點(diǎn)

輕型木結(jié)構(gòu)是指用規(guī)格木材及木基結(jié)構(gòu)板材或石膏板材的木構(gòu)架墻體、樓蓋和屋面系統(tǒng)構(gòu)成的單層或多層建筑結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)體系主要是由建造框架結(jié)構(gòu)的規(guī)格木材、工程木產(chǎn)品 (加工木)以及覆面板材 (墻體,樓蓋,屋面)建造而成的,其基礎(chǔ)采用的是混凝土基礎(chǔ)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:①設(shè)計(jì)形式多樣,滿(mǎn)足建筑上的美觀要求;②使用年限長(zhǎng),節(jié)能,環(huán)保;③施工周期短。

輕型木結(jié)構(gòu)是北美地區(qū)獨(dú)立房屋及低層住宅最常見(jiàn)的建筑形式,根據(jù)木結(jié)構(gòu)以往在地震中的調(diào)查表明,在美國(guó)加州、阿拉斯加、紐芬蘭、加拿大魁北克和日本的地震中,多數(shù)木結(jié)構(gòu)能夠承受0.6g以下的地面峰值加速度,沒(méi)有造成房屋倒塌和嚴(yán)重人員傷亡,通常也沒(méi)有任何損壞的跡象。這表明輕型木結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害中滿(mǎn)足生命安全的要求。

在國(guó)內(nèi),同濟(jì)大學(xué)工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和加拿大林產(chǎn)工業(yè)技術(shù)研究所 (Forintek Canada Corp)合作進(jìn)行了輕型木結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究[3,4]。這次振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究表明,輕型木結(jié)構(gòu)在0.1g地震加速度作用下結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài),幾乎沒(méi)有可見(jiàn)的破壞發(fā)生,滿(mǎn)足我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中 “小震不壞”的抗震設(shè)防目標(biāo);在0.2g和0.4g地震試驗(yàn)中,模型結(jié)構(gòu)破壞很輕微,滿(mǎn)足我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中 “中震可修”的抗震設(shè)防目標(biāo);在0.55g及以上的地震加速度的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段,盡管模型已經(jīng)較嚴(yán)重?fù)p壞,但是沒(méi)有倒塌,滿(mǎn)足我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中 “大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。這表明,輕型木結(jié)構(gòu)建筑具有良好的抗震性能,僅從抗震角度來(lái)說(shuō),完全適用于地震頻發(fā)區(qū)和地震危害區(qū)。因此,在地震災(zāi)后重建中運(yùn)用輕型木結(jié)構(gòu)是具有理論研究、試驗(yàn)研究和現(xiàn)實(shí)依據(jù)作為支撐的。

2 輕型木結(jié)構(gòu)的抗震機(jī)理

在地震頻發(fā)的北美地區(qū),木結(jié)構(gòu)住宅處于市場(chǎng)的主導(dǎo)地位,新建建筑的大多數(shù)均為輕型木質(zhì)結(jié)構(gòu)。加拿大木業(yè)協(xié)會(huì)調(diào)查結(jié)果表明,在多次地震中,包括加州近年發(fā)生的3次大地震,北美地區(qū)木框架建筑能夠承受0.6g或更高的地面峰值加速度,結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒(méi)有受到嚴(yán)重破壞,多數(shù)情況下連結(jié)構(gòu)損傷的跡象都沒(méi)有。輕型木結(jié)構(gòu)在地震作用下滿(mǎn)足 “小震不壞,中震可修,大震不倒”的抗震設(shè)防要求,不是采用“硬抗地震,加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的方法”,而是采取 “以柔克剛,耗能減震”的途徑[5]。輕型木結(jié)構(gòu)抗震機(jī)理主要在于以下幾點(diǎn):

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

2)輕型木結(jié)構(gòu)質(zhì)輕,受地震力小 與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比,輕型木結(jié)構(gòu)重量輕。由于地震力與結(jié)構(gòu)的重量成正比,精心設(shè)計(jì)和施工的輕質(zhì)木框架房屋便可在地震中有上佳表現(xiàn)。

3)柔性連接耗能 輕型木結(jié)構(gòu)房屋各構(gòu)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(jié)構(gòu)剪力墻反復(fù)荷載試驗(yàn)和足尺房屋建筑模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中,控制結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)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(jié)構(gòu)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(qiáng)墻骨柱的連接,加強(qiáng)橫墻和翼緣墻體的連接。

3 有待解決的問(wèn)題

1)傳統(tǒng)住房觀念有待轉(zhuǎn)變 提到木結(jié)構(gòu)住宅,人們就會(huì)聯(lián)想起傳統(tǒng)農(nóng)村的簡(jiǎn)陋、粗糙、四面透風(fēng)木房屋,其實(shí)這是個(gè)誤區(qū)。現(xiàn)代的木結(jié)構(gòu)房屋與其完全不同,它造型多樣、環(huán)保、節(jié)能、舒適,具有觀賞性。木結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)為人們接受的程度還很低,木結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)入我國(guó)住宅市場(chǎng)并被消費(fèi)者所歡迎還有待時(shí)日。

2)木結(jié)構(gòu)建筑的教育研究滯后 由于中國(guó)森林資源缺乏,二十多年前木結(jié)構(gòu)被嚴(yán)格禁止。因此,多年來(lái)木結(jié)構(gòu)被排斥在主流建筑體系之外,在中國(guó)各高校的建筑學(xué)專(zhuān)業(yè)和土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)計(jì)劃中很少有木結(jié)構(gòu)建筑的相關(guān)課程。在技術(shù)上缺乏專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)人員和施工人員。相關(guān)的木結(jié)構(gòu)法規(guī)、規(guī)范還有待完善。

3)森林資源匱乏和材料成本較高 我國(guó)目前木結(jié)房屋構(gòu)成本是以國(guó)外經(jīng)銷(xiāo)商統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為參考,不同地區(qū)、不同城市的房?jī)r(jià)不盡相同。據(jù)專(zhuān)家估算,若我國(guó)采用進(jìn)口木材進(jìn)行建造,其成本約為1500～2000元/m2。相對(duì)于目前農(nóng)村采用的磚混結(jié)構(gòu)而言,其造價(jià)是比較高的。

4 結(jié) 語(yǔ)

輕型木結(jié)構(gòu)房屋具有環(huán)保、節(jié)能、抗震性能好、施工速度快等優(yōu)點(diǎn),但也存在造價(jià)高、資源少等缺點(diǎn),但在地震區(qū)推行這種結(jié)構(gòu)有利于快速恢復(fù)生產(chǎn)生活,有效減少未來(lái)災(zāi)害造成的損失。經(jīng)過(guò)綜合比較,在地震區(qū)災(zāi)后重建中輕型木結(jié)構(gòu)房屋具有可發(fā)展性。

[1]馬成松.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì) [M].北京大學(xué)出版社,2006.

[2]GB50005-2003木結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì) [S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

[3]呂西林,程海江,盧文勝,等.兩層輕型木結(jié)構(gòu)足尺房屋模型模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究 [J].土木工程學(xué)報(bào),2007,40(10):41-49.

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

[5]費(fèi)本華,王戈.我國(guó)發(fā)展木結(jié)構(gòu)房屋的前景分析[J].木材工業(yè),2002,16(5):6-8.