夯土墻房屋縱橫墻交接處裂縫成因及控制技術(shù)研究

張宗敏， 童麗萍

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院 河南鄭州450001)

0 引言

夯土墻房屋是指以杵等工具將未經(jīng)焙燒的原狀土逐層夯實(shí)的方法建造起來的建筑．夯土墻房屋使用地方材料建造，生土無需燒制，節(jié)約能源，對(duì)環(huán)境無污染，造價(jià)低，夯土墻能很好地隔絕夏天室外熱量，也能有效地阻擋冬天室外寒氣入侵，有“冬暖夏涼”的特點(diǎn)．此外，夯土墻房屋拆除后的建筑廢料可以回歸農(nóng)田，以此來實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用和生態(tài)平衡，這些特點(diǎn)使得夯土建筑具有強(qiáng)大的生命力．

但是，村鎮(zhèn)的夯土墻房屋多為村民的自建房，房屋建造的季節(jié)、采用的結(jié)構(gòu)形式等，完全取決于房主的財(cái)力、當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)俗習(xí)慣和建筑工匠的經(jīng)驗(yàn)，隨意性較大．村民在建造房屋的過程中防災(zāi)意識(shí)淡薄，防災(zāi)知識(shí)缺乏，采用不科學(xué)的傳統(tǒng)做法對(duì)防災(zāi)不利，由此造成了很多結(jié)構(gòu)安全隱患，如夯土墻體的材料強(qiáng)度低、夯土結(jié)構(gòu)的整體性差、房屋構(gòu)件間的連接薄弱等．其中，夯土墻體在縱橫墻交接部位產(chǎn)生的豎向裂縫就是一種常見的破壞形式，如圖1所示．縱橫墻交接部位產(chǎn)生裂縫后，縱墻和橫墻之間的相互拉結(jié)作用減弱，房屋結(jié)構(gòu)的整體性削弱，如果任由其發(fā)展，會(huì)導(dǎo)致“房倒屋塌”的重大安全事故，后果不堪設(shè)想．

圖1 縱橫墻交接處裂縫Fig．1 The wall cracks of vertical and horizontal junction

考慮到目前我國(guó)還有相當(dāng)多的村鎮(zhèn)居民在夯土墻房屋內(nèi)居住，作者對(duì)夯土墻房屋縱橫墻交接部位的受力和變形性能進(jìn)行了全面研究，揭示了縱橫墻交接部位夯土墻體的開裂和裂縫開展機(jī)理．在此基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了在現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程中控制縱橫墻交接部位裂縫的構(gòu)造措施的合理性和有效性．

1 夯土墻承重房屋縱橫墻交接處的墻體裂縫

以農(nóng)村地區(qū)典型的夯土墻房屋結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象［1］，此房屋為單層的三開間建筑，硬山擱檁，夯土墻承重，墻厚400 mm，檁條直徑180 mm，窗洞口尺寸900 mm×1 200 mm(寬×高)，如圖2和3所示(圖中沿縱墻方向?yàn)閄軸，沿橫墻方向?yàn)閅軸，沿墻高方向?yàn)閆軸，圖中結(jié)構(gòu)尺寸單位為mm，標(biāo)高尺寸單位為m)．荷載的傳遞路徑為:瓦屋面及其附屬荷載→椽子→檁條→墻體→墻體基礎(chǔ)．

圖2 夯土房屋平面圖Fig．2 The plan of rammed earth house

圖3 夯土房屋1-1剖面圖Fig．3 1-1 section of rammed earth house

縱橫墻交接處的墻體在施工時(shí)，往往先夯筑一個(gè)方向的墻體，然后再夯筑另外一方向的墻體，交接處墻體并不是整體夯筑而成，從而造成這一部位墻體之間的拉結(jié)作用較弱．施工完畢后的墻體，隨著夯土墻水分的蒸發(fā)，墻體會(huì)出現(xiàn)一定程度的干縮，在縱橫墻交接處產(chǎn)生豎向的細(xì)微裂縫．在自重作用下，縱、橫墻受力差異較大和兩者之間的沉降差容易導(dǎo)致在墻體交接部位產(chǎn)生拉應(yīng)力．此外，縱橫墻交接處墻體在地震作用下，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中而造成墻體開裂．

對(duì)于夯筑方法不當(dāng)引起的裂縫，可通過改進(jìn)夯筑順序和對(duì)縱橫墻交接處的墻體進(jìn)行整體夯筑來避免．對(duì)于墻體干縮導(dǎo)致的裂縫，可以通過加強(qiáng)對(duì)夯筑后墻體的保養(yǎng)(如及時(shí)加蓋草墊或塑料布)等方式來克服．總體上來說由上述兩種原因引起的裂縫一般不會(huì)對(duì)房屋的整體安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，并且在房屋施工時(shí)只要采取一些簡(jiǎn)單的措施就可以克服．而在自重和地震作用下，縱橫墻交接處的墻體裂縫寬度大且延伸長(zhǎng)，對(duì)夯土房屋的整體性和安全性會(huì)產(chǎn)生重大影響．作者采用數(shù)值分析方法，對(duì)自重和地震作用下夯土房屋的受力和變形進(jìn)行分析，探討縱橫墻交接處產(chǎn)生裂縫的深層原因．

2 縱橫墻交接處裂縫的成因分析

2．1 數(shù)值分析模型的建立

采用大型通用數(shù)值分析程序建立模型．在分析中，假定夯土墻體和木材材質(zhì)均勻，各檁條之間變形協(xié)調(diào)，檁條和墻體之間、墻體底部和基礎(chǔ)之間不發(fā)生相對(duì)位移．

夯土墻體采用Solid 45單元，土體采用D-P屈服準(zhǔn)則下的彈塑性本構(gòu)模型，黏聚力為45．3 kPa，內(nèi)摩擦角為 30°，彈性模量為 6．9 ×107Pa，泊松比為 0．347，密度為1．9 ×103kg/m3．木檁條采用 Beam 4 單元，木檁條與墻體接觸部位采用Solid 73單元．

房屋處于7度區(qū)，水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0．08，場(chǎng)地類型為Ⅱ類［2］．最終建立的數(shù)值分析模型如圖4(圖中沿縱墻方向?yàn)閄軸，沿橫墻方向?yàn)閅軸，沿墻高方向?yàn)閆軸)．

2．2 自重分析

自重作用的分析結(jié)果，如圖5、6所示．

位移方面，墻體主要表現(xiàn)為Z方向的位移，最大位移發(fā)生于中間橫墻的山尖位置，縱橫墻交接部位的沉降梯度(即沉降量的變化率)較大．其主要原因是中間橫墻承受的屋面荷載約為山墻的兩倍，中間橫墻在較大的屋面荷載作用下位移較大．

圖5 自重作用時(shí)Z方向位移云圖Fig．5 Z displacement cloud under gravity

圖4 夯土房屋有限元模型Fig．4 Finite element model of rammed earth house

圖6 自重作用時(shí)X方向應(yīng)力云圖Fig．6 X stress cloud under gravity

應(yīng)力方面，墻體在XY、YZ、XZ三個(gè)方向的剪應(yīng)力較小，Y、Z方向正應(yīng)力縱橫墻交接處未出現(xiàn)拉應(yīng)力以及應(yīng)力集中，因此這幾個(gè)方向的應(yīng)力云圖未給出．自重作用下房屋總體上在X方向?yàn)槭軌籂顟B(tài)，但在山墻與縱墻交接處的墻體中部和中間橫墻與縱墻交接處的上部出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)．

2．3 X方向水平地震分析

地震分析采用地震反應(yīng)譜分析方法［3］．

X方向地震作用的分析結(jié)果，如圖7～9所示．

圖7 X方向地震作用下X方向位移云圖Fig．7 X displacement cloud under the earthquake of X direction

圖8 X方向地震作用下X方向應(yīng)力云圖Fig．8 X stress cloud under the earthquake of X direction

位移方面，墻體主要表現(xiàn)為X方向的位移，山墻和中間橫墻的位移遠(yuǎn)大于縱墻的位移．這是由于當(dāng)房屋受到X方向的地震作用時(shí)，縱墻處于平面內(nèi)受力狀態(tài)，剛度較大、位移較小;而橫墻處于平面外受力狀態(tài)，剛度較小、位移較大．

應(yīng)力方面，墻體在X、Y方向的正應(yīng)力較大，且在縱橫墻交接處產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中主要發(fā)生在交接處墻體的上部．

2．4 Y方向水平地震分析

Y方向地震作用的分析結(jié)果，如圖10、11所示．

位移方面，墻體主要表現(xiàn)為Y方向的位移，縱墻的位移大于山墻和中間橫墻的位移．這是由于當(dāng)房屋受到Y(jié)方向的地震作用時(shí)，橫墻處于平面內(nèi)受力狀態(tài)，剛度較大、位移較小;而縱墻處于平面外受力狀態(tài)，剛度較小、位移較大．

應(yīng)力方面，墻體在X方向的正應(yīng)力較大，且在縱橫墻交接處產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中主要發(fā)生在交接處墻體的上部．

圖10 Y方向地震作用下Y方向位移云圖Fig．10 Y displacement cloud under the earthquake of Y direction

圖9 X方向地震作用下Y方向應(yīng)力云圖Fig．9 Y stress cloud under the earthquake of X direction

圖11 Y方向地震作用下X方向應(yīng)力云圖Fig．11 X stress cloud under the earthquake of Y direction

2．5 自重和地震作用下縱橫墻交接處墻體裂縫成因

在自重作用下，夯土房屋總的變形趨勢(shì)為豎向沉降(Z向)，橫墻由于承受屋蓋重量的緣故沉降量大于縱墻，由于房屋的縱橫墻交接處橫墻與縱墻間的沉降差，為了實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)，在交接處產(chǎn)生了X向拉應(yīng)力．夯土作為一種抗拉性能和變形性能較差的材料，很容易受縱橫墻交接處的這些拉應(yīng)力而使得在應(yīng)力梯度較大的區(qū)域發(fā)生開裂．

墻體的平面內(nèi)剛度比平面外剛度大，在地震作用下，平面內(nèi)墻體比平面外墻體的位移小很多，從而對(duì)平面外墻體產(chǎn)生較大的約束作用，引起墻體交接處的應(yīng)力集中．而應(yīng)力集中又突出體現(xiàn)在交接處墻體的上部，因此交接處墻體通常先在上部開裂，而后逐漸向下部開展，墻體上部的裂縫寬度較大，這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的情況相符，見圖1．

3 縱橫墻交接處墻體裂縫控制措施及有效性分析

為了改善縱橫墻交接處的受力狀況，民間實(shí)際采用的和相關(guān)規(guī)程［4］規(guī)定的主要有兩種措施．一種是采用在墻頂標(biāo)高處加木圈梁［4－5］，增強(qiáng)房屋的整體性和縱橫墻體的協(xié)同工作能力，可以減小墻體交接處的應(yīng)力集中;另一種是采用在縱橫墻交接處每隔一定高度設(shè)置荊條等編制的拉結(jié)網(wǎng)片，從而有效地抵抗墻體交接處的應(yīng)力集中．

其中，在墻頂標(biāo)高處加木圈梁這一措施，在實(shí)際操作中簡(jiǎn)便易行，既適用于對(duì)新建房屋的裂縫預(yù)控，也適用于對(duì)既有房屋的加固處理．作者選用這種方法對(duì)其控制墻體開裂的有效性進(jìn)行研究．

假定木圈梁和墻體之間不發(fā)生相對(duì)位移．木圈梁采用Solid 45單元，截面尺寸為200 mm×200 mm，木材的密度為400 kg/m3，彈性模量為9×109Pa，泊松比為0．3．有限元模型中的圈梁如圖12所示．

圖12 木圈梁的有限元模型Fig．12 Finite element model of wood ring beam

3．1 自重分析

設(shè)置木圈梁后，自重作用的分析結(jié)果，如圖13所示．

從上述應(yīng)力云圖可以看出，設(shè)置木圈梁后，X方向的各點(diǎn)的應(yīng)力均為壓應(yīng)力，墻體的應(yīng)力集中和拉應(yīng)力得到有效控制．Y、Z兩個(gè)方向的應(yīng)力與未設(shè)置木圈梁時(shí)相同，以壓應(yīng)力為主．

X方向的應(yīng)力集中和拉應(yīng)力消失，是由于木圈梁的剛度較大，協(xié)調(diào)了屋蓋和墻體自重在墻體內(nèi)的分布，使得各部分墻體在自重作用下的應(yīng)力分布較為均勻，自重在墻體內(nèi)的向下傳遞的力流更趨合理．

3．2 地震作用分析

X方向地震作用下的應(yīng)力云圖如圖14、15所示，Y方向地震作用下的應(yīng)力云圖如圖16所示(Y方向地震作用下Y方向應(yīng)力未出現(xiàn)集中現(xiàn)象，故未列出)．從圖中可以看出，加設(shè)木圈梁后，縱橫墻交接處的應(yīng)力數(shù)值與其他部位墻體應(yīng)力相接近，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了較為明顯的改善．

圖14 X方向地震作用下X方向應(yīng)力云圖Fig．14 X stress cloud under the earthquake of X direction

圖13 自重作用下X方向應(yīng)力云圖Fig．13 X stress cloud under gravity

圖15 X方向地震作用下Y方向應(yīng)力云圖Fig．15 Y stress cloud under the earthquake of X direction

為了更加細(xì)致地定量描述采取墻體交接處裂縫控制措施后，墻體受力的改善情況，作者選取后縱墻(?軸)和左橫墻(②軸)交接處的一系列節(jié)點(diǎn)作為代表，具體列出在應(yīng)力集中的幾個(gè)應(yīng)力方向設(shè)置木圈梁前后的應(yīng)力變化，其他墻體交接處的受力狀況與其類似．

如圖17～19所示，在墻體頂部加設(shè)木圈梁后，交接處墻體上部(2．5 m以上)應(yīng)力有明顯的減小，即墻體在這一部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象有了很大改善，可以有效地控制裂縫的產(chǎn)生和開展．墻頂(3．4～3．6 m)出現(xiàn)了較大的應(yīng)力波動(dòng)，這是由于這一部位是木圈梁所在標(biāo)高，木圈梁的剛度較大，承擔(dān)了較多的地震作用．交接處下部墻體的應(yīng)力在加設(shè)木圈梁前后變化不大，這是由于墻體底部和基礎(chǔ)之間為固結(jié)，本身應(yīng)力較小，在墻頂加設(shè)木圈梁也未對(duì)這部分墻體受力產(chǎn)生太大影響，因此應(yīng)力變化不大．

圖16 Y方向地震作用下X方向應(yīng)力云圖Fig．16 X stress cloud under the earthquake of Y direction

圖17 X方向地震作用下墻體交接處X方向應(yīng)力沿高度變化曲線Fig．17 The curve of X stress along the height under the earthquake of X direction

圖18 X方向地震作用下墻體交接處Y方向應(yīng)力沿高度變化曲線Fig．18 The curve of Y stress along the height under the earthquake of X direction

圖19 Y方向地震作用下墻體交接處X方向應(yīng)力沿高度變化曲線Fig．19 The curve of X stress along the height under the earthquake of Y direction

4 結(jié)語

研究了夯土墻房屋縱橫墻交接處裂縫的成因，采用數(shù)值分析方法對(duì)夯土墻房屋模型進(jìn)行了自重和地震作用分析，得出了以下結(jié)論:

(1)自重作用下，夯土墻主要表現(xiàn)為Z方向的位移，縱墻與橫墻之間的沉降梯度較大;夯土墻X方向的應(yīng)力在縱橫墻交接處的上部出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)．

(2)X方向地震作用下，夯土墻房屋整體呈現(xiàn)X方向的位移，且橫墻遠(yuǎn)大于縱墻的位移;縱橫墻交接處墻體上部的X、Y方向的正應(yīng)力出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中．

(3)Y方向地震作用下，夯土墻房屋主要表現(xiàn)為Y方向的位移，且縱墻遠(yuǎn)大于橫墻的位移;縱橫墻交接處上部墻體在X方向應(yīng)力集中現(xiàn)象突出．

(4)自重和地震作用下，在縱橫墻交接部位墻體產(chǎn)生的拉應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力集中現(xiàn)象，是夯土墻在此部位開裂的內(nèi)在原因．

(5)由于拉應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力集中現(xiàn)象主要發(fā)生于交接處墻體上部，因此裂縫通常先發(fā)生于墻體上部，而后向墻體下部發(fā)展，裂縫寬度具有上寬下窄的特點(diǎn)．

(6)設(shè)置木圈梁后，一方面木圈梁自身有較大的承載能力，另一方面木圈梁提高了夯土房屋的結(jié)構(gòu)整體性，使縱橫墻之間的變形較為協(xié)調(diào)．

(7)設(shè)置木圈梁后，由于木圈梁對(duì)作用力的分擔(dān)和縱橫墻之間變形協(xié)調(diào)的改善，因而交接部位墻體的拉應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減弱甚至消失，以此證實(shí)了木圈梁對(duì)于交接部位裂縫控制的有效性．

［1］ 童麗萍，張琰鑫．農(nóng)村夯土類建筑地震反應(yīng)分析［J］．世界地震工程，2009，25(2):36－40．

［2］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50011—2010［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．

［3］ 王新敏．ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］．北京:人民交通出版社，2007:542－546．

［4］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．鎮(zhèn)(鄉(xiāng))村建筑抗震技術(shù)規(guī)程JGJ 161—2008［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．

［5］ 葛學(xué)禮，朱立新，黃世敏．鎮(zhèn)(鄉(xiāng))村建筑抗震技術(shù)規(guī)程實(shí)施指南［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010:329－330．