國(guó)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(guó)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(guó)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(hù)和生態(tài)平衡。為傳承、保護(hù)我國(guó)寶貴的建筑遺產(chǎn)以及利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、改良這種建筑物種，深入開(kāi)展生土結(jié)構(gòu)的研究工作，歸納整理國(guó)內(nèi)外生土結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的大量文獻(xiàn)。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(yàn)研究、生土結(jié)構(gòu)抗震性能的試驗(yàn)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(guó)內(nèi)外生土結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，提出我國(guó)生土結(jié)構(gòu)研究中有待繼續(xù)研究和解決的問(wèn)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(lái)，全球各個(gè)國(guó)家對(duì)于環(huán)境重視程度不斷提高，可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)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(wèn)題成為研究的熱點(diǎn)。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(rèn)識(shí)并改良夯土結(jié)構(gòu)，發(fā)揮夯土結(jié)構(gòu)中蘊(yùn)含的巨大生態(tài)應(yīng)用潛力成為十分有價(jià)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(dá)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(duì)此類建筑加固并進(jìn)行抗震性能研究很有必要。

二、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)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(shí)間內(nèi)，拆除這些房屋不大可能，國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目立項(xiàng)研究這些房屋的抗震加固問(wèn)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(guò)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(diǎn)，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(duì)上述結(jié)構(gòu)存在薄弱部位的問(wèn)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(guò)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(duì)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(guò)試驗(yàn)研究加固后夯土墻的承載能力及抗震性能的改變，試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，在以后的夯土墻加固改造過(guò)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(zhǎng)安大學(xué)王毅紅對(duì)生土結(jié)構(gòu)房屋中的承重墻的抗震性能做了研究:對(duì)不同方法夯筑的承重夯土墻體的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，錯(cuò)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(yàn)還分析了構(gòu)造柱、圈梁在夯土墻體中的作用，實(shí)驗(yàn)指出了影響夯土墻體抗震性能的主要因因素和實(shí)際施工中應(yīng)該注意的問(wèn)題。阿肯江·托呼提等對(duì)木柱梁-土坯組合墻體在不同烈度地震作用下的效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)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(jì)了“U”形夯土墻片單元，針對(duì)墻體在地震中容易發(fā)生外閃破壞的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了鍍鋅鐵絲網(wǎng)帶加固方法。試驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)對(duì)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(qiáng)度低，而其整體性主要依靠制作過(guò)程中的黏聚力，若加固改造過(guò)程中過(guò)多傷及構(gòu)件本身，可能達(dá)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(shí)，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(jià)相比，在經(jīng)濟(jì)上不合理。

三、國(guó)外研究現(xiàn)狀

從上世紀(jì)年代開(kāi)始,許多發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)意識(shí)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(wèn)題,人與自然和諧的生態(tài)建筑理念也由此被更多國(guó)家接受和采納。比如美國(guó)新墨西哥州在年,對(duì)生土建筑所用材料質(zhì)量及設(shè)計(jì)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(jì),其中規(guī)定生土強(qiáng)度最小值是生土建筑規(guī)范化的創(chuàng)新,對(duì)生土建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提高有著重要意義。法國(guó)是在夯土技術(shù)上最先推出革新的國(guó)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(guó)的 Bui 和 Hans 等人對(duì)夯土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)所需的參數(shù)進(jìn)行了研究，將試驗(yàn)值與由歐洲規(guī)范8中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來(lái)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(jì)算。日本生土結(jié)構(gòu)在抗震方面沿用輕巧的設(shè)計(jì)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(shí)，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(huì)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(duì)1:5比例的加固房屋模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),對(duì)1:1.5比例的加固墻體進(jìn)行水平循環(huán)荷載作用下的試驗(yàn)，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(wèn)題

由上述內(nèi)容可以看出我國(guó)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(wèn)題:

(1)生土材料性能各異，目前對(duì)生土材料強(qiáng)度、變形性能的研究缺少相對(duì)統(tǒng)一的試驗(yàn)方法，包括試件的形狀、尺寸、制作方和測(cè)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(guó)生土的改性方法或配方歸納、整理、加工，形成可指導(dǎo)我國(guó)生土結(jié)構(gòu)實(shí)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)外，一些構(gòu)造措施對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗震性能的效果也還有待通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的驗(yàn)證。

(4)既有生土結(jié)構(gòu)安全性的評(píng)價(jià)、保護(hù)價(jià)值評(píng)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(duì)策，是生土結(jié)構(gòu)研究中要解決的重要問(wèn)題

五、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)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(wèn)題仍很多，除上述待解決的問(wèn)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(guó)傳統(tǒng)生土建造技術(shù)的傳承和改良、國(guó)外生土結(jié)構(gòu)研究經(jīng)驗(yàn)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(shì)的同時(shí)，應(yīng)注重在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中注入現(xiàn)代技術(shù)，對(duì)其缺點(diǎn)進(jìn)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(yàn)研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，39(4):451-456

[2]彭道強(qiáng).夯土房屋墻體試驗(yàn)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(yàn)研究[J].工程抗震，1987(3):14-19

[4]劉軍，褚俊英，趙金波，等.摻和料對(duì)生土墻體材料力學(xué)性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2010，13(4):446-451

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(jì)。

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