坡屋頂現(xiàn)代夯土農(nóng)房模型振動臺試驗研究
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周鐵鋼， 朱瑞召， 宋樂帥， 孟耀杰
（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安710055）
[摘要] 以單層坡屋頂原型房屋的1/2縮尺振動臺模型為對象，對現(xiàn)代夯土建筑在夯土材料、夯筑機具、夯筑工藝、抗震構(gòu)造措施等方面的改良技術(shù)做了簡要說明，重點對結(jié)構(gòu)模型在不同峰值加速度作用下的動力特性、加速度及位移反應(yīng)、開裂及破壞過程做了詳細分析。試驗結(jié)果表明，良好的機械夯筑性能加上科學(xué)有效的構(gòu)造措施，使現(xiàn)代夯土建筑在遭受相當于8度罕遇地震作用下，仍然可以繼續(xù)承載，而且表現(xiàn)出較好的變形能力�，F(xiàn)代夯土建筑體系具有一定的推廣與應(yīng)用價值。
[關(guān)鍵詞] 現(xiàn)代夯土農(nóng)房；振動臺試驗；地震反應(yīng)；抗震性能
0 引言
傳統(tǒng)夯土建筑作為生土建筑的主要形式之一，具有就地取材、施工方便、造價低廉、冬暖夏涼、生態(tài)環(huán)保等特點，目前在我國西部農(nóng)村地區(qū)仍然被廣泛使用。但由于墻體力學(xué)強度低、耐久性與整體性差、施工缺陷多，傳統(tǒng)夯土建筑在遭受中等強度以上地震時往往破壞非常嚴重�，F(xiàn)代夯土建造技術(shù)一方面繼承了傳統(tǒng)夯土建筑生態(tài)環(huán)保與熱工性能好的優(yōu)點，另一方面對夯土材料的選擇進行了優(yōu)化，同時采用機械夯筑替代手工夯筑，并增設(shè)有效的抗震構(gòu)造措施，使得現(xiàn)代夯土建筑房屋的總體抗震性能得到較大提升。
本次試驗在西安建筑科技大學(xué)新MTS (4m×4m)振動臺上完成，擬通過考察模型結(jié)構(gòu)的破壞機理與破壞模式，對單層現(xiàn)代夯土農(nóng)宅的總體抗震性能進行評價，并提出切實可行的抗震改進措施，以利于今后現(xiàn)代夯土建筑體系能有較大范圍的推廣和應(yīng)用。
1 模型設(shè)計
原型房屋為甘肅省會寧縣設(shè)計的示范農(nóng)房，單層雙坡屋面，開間4. 30m，進深4.90m，檐口高3.00m，屋脊高3.98m。墻體采用重量配合比6：1：3的土、砂、石混合料夯筑而成，墻厚400mm。
考慮到振動臺自身的承載條件，房屋模型設(shè)計與制作為1/2縮尺，模型長2.45m，寬2.15m，檐口高1. 50m，屋脊高1.99m。模型自重為5.3t，配重3. 21t，底座自重為3.78t，總重約12. 29t。模型基座采用鋼筋混凝土制作，基座與振動臺臺面通過螺栓可靠連接。模型平面圖如圖1所示。
夯土墻體厚度為200mm。夯土混合料由土、砂、石按一定比例混合而成，土（粗粒土）、砂（中細砂）、石（碎石，粒徑在10~30mm之間）均取自原型房屋所在地，重量比為6：1：3。夯土混合料由滾筒攪拌機均勻攪拌．攪拌時含水率控制在12%~15%之間。根據(jù)課題組前期所做的8組現(xiàn)代夯土棱柱體抗壓試驗，采用以上材料與配比的夯土棱柱體平均抗壓強度為1. 4MPa。
夯筑機具采用經(jīng)課題組加工改造的氣動夯錘與模板體系。氣動夯錘以空氣壓縮機為動力，沖擊力大、頻率快，并且夯擊力量可以通過調(diào)壓進行調(diào)整。模板體系由竹夾板、角鋼連接而成，兩側(cè)模板通過拉結(jié)螺桿連接；根據(jù)不同部位墻體的夯筑要求，模板設(shè)計有T形、L形、一字形三種類型，相互之間可以組裝使用。
坡屋面采用木屋蓋，由3根木檁（直徑lOOmm）沿房屋縱向布置，其上布置木椽（40mm×60mm的方木），木椽上釘五合板。屋面配重為混凝土材料，澆筑時用木板隔為300mm×300mm的不同區(qū)間，以盡可能減小由于屋蓋剛度過大對試驗結(jié)果造成的有利影響。
抗震構(gòu)造措施包括構(gòu)造柱、爬坡圈梁、檐口圈梁及水平配筋帶等。構(gòu)造柱與底層采用現(xiàn)澆方式連接。其中構(gòu)造柱采用預(yù)制，在模型房屋四角內(nèi)側(cè)布置，截面尺寸為75mm×75mm，混凝土強度等級為C30，鋼筋為HPB300級，縱筋為4+6，箍筋為(b4@ 200。在墻體半高位置處設(shè)置水平配筋帶，檐口水平圈梁及爬坡圈梁厚度均為60mm，寬度同墻厚，且均采用細石混凝土澆筑，縱筋為2書6，分布筋為+4@400。模型制作過程與成型照片如圖2所示。
2 振動臺試驗
2.1相似關(guān)系
由于模型結(jié)構(gòu)采用與原型結(jié)構(gòu)相同的材料、施工機械及抗震構(gòu)造措施，故SE =1，模型結(jié)構(gòu)縮尺比SL=0.5，根據(jù)動力相似理論，運用量綱分析法推導(dǎo)出的模型與原型的相似關(guān)系如表1所示。
2.2加載方案及測點布置
本次試驗選用3組Ⅱ，Ⅲ類場地的天然地震波作為模擬地震振動臺臺面輸入波，其中包括El Centro波、廣元波、江油波。在原始波基礎(chǔ)上截取的地震波信息如表2所示。
試驗從臺面輸入峰值加速度為47gal開始加載，到臺面輸入峰值加速度為680gal結(jié)束，共經(jīng)歷7級加載。主要加載工況依次為：7度多遇（工況1~7，臺面峰值加速度47gal）；8度多遇（工況8—14，臺面峰值加速度94gal）；7.5度設(shè)防（工況15~21，臺面峰值加速度200gal）；7度罕遇（工況22—28，臺面峰值加速度294gal）；7.5度罕遇（工況29—35，臺面峰值加速度414gal）；8度罕遇（工況36—40，臺面峰值加速度534gal）；8.5度罕遇（工況41~44，臺面峰值加速度680gal）。
前5級加載為單向地震波輸入，即按El Centro波、廣元波、江油波分別對模型X向或y向加載。在每個工況加載前后，對模型進行白噪聲(0. 035g)掃描，以識別結(jié)構(gòu)的自振頻率。
2.3試驗現(xiàn)象
當臺面輸入峰值加速度47 gal和94gal，相當于遭遇7度(0. 035g)多遇和8度(0. 07g)多遇地震作用時，模型無明顯晃動，房屋基本完好，在門過梁下部出現(xiàn)一條水平微裂縫，裂縫長度約25mm，寬度約0.10mm。
當臺面輸入峰值加速度200，294，414gal，相當于遭遇7.5度(0. 15g)設(shè)防、7度(0.22g)罕遇和7.5度(0. 31g)罕遇地震作用時，模型有明顯晃動，背立面窗洞口四角處裂縫呈八字形發(fā)展，并且有局部的小土塊脫落；正立面門洞口左上角出現(xiàn)間斷裂縫，沿對角線方向發(fā)展；西山墻的砂漿帶下側(cè)和構(gòu)造柱的頂部出現(xiàn)多條間斷裂縫。隨著多個工況的重復(fù)加載，墻體裂縫增多并擴展，最大裂縫寬度約2mm，且墻體開裂主要集中在水平配筋帶以上部位，水平配筋帶以下部位開裂較少。隨著荷載反復(fù)施加，主要墻體裂縫出現(xiàn)開合現(xiàn)象，屋頂檁條支撐處有輕微松動，局部裂縫處有土塊掉渣、剝落現(xiàn)象，房屋從輕微破壞發(fā)展到中等破壞。
當臺面輸入峰值加速度534，680gal，相當于遭遇8度(0.4g)罕遇和8.5度(0.51g)罕遇地震作用時，模型地震反應(yīng)劇烈，振動聲響較大，門窗洞口處的裂縫沿著原有的正八字形裂縫劇烈錯動，裂縫一張一合，耗能明顯，并且右側(cè)裂縫處有較大的土顆粒掉落；西山墻的構(gòu)造柱上部出現(xiàn)豎向貫通裂縫，并且有小土塊持續(xù)脫落，墻體頂部與木屋蓋連接處也發(fā)生明顯松動。截止最后加載工況，房屋沒有出現(xiàn)整體倒塌或局部倒塌情況，墻體根部與混凝土底座之間沒有發(fā)生滑移，且墻體所有裂縫在水平配筋帶位置沒有貫通，說明墻內(nèi)設(shè)置的構(gòu)造柱與水平配筋帶及墻頂圈梁對夯土墻體產(chǎn)生了很好的約束作用。各加載工況后觀察到的裂縫分布圖如圖3所示。
3 振動臺試驗結(jié)果分析
3.1模型結(jié)構(gòu)動力特性
在初始加載和各級加載工況后，通過白噪聲激振來獲得模型結(jié)構(gòu)的自振頻率。
(1)試驗前，模型結(jié)構(gòu)前3階頻率為10. 74，17. 77，25. 39Hz，振動形態(tài)分別為X向平動、y向平動和整體扭轉(zhuǎn)。
(2)7度（臺面峰值加速度47gal）多遇地震作用后，結(jié)構(gòu)自振頻率與初始值相比變化不大，表明結(jié)構(gòu)無損傷；8度（臺面峰值加速度94gal）多遇地震作用后已有微小裂縫，X向自振頻率降幅為12. 76%，y向自振頻率降幅為12. 04%，扭轉(zhuǎn)處自振頻率降幅為14. 53 %，結(jié)構(gòu)損傷顯著；7.5度(臺面峰值加速度414gal)罕遇地震作用后，結(jié)構(gòu)裂縫繼續(xù)擴展，結(jié)構(gòu)各振型頻率進一步下降，結(jié)構(gòu)損傷加��；8.5度（臺面峰值加速度680gal）罕遇地震作用后，X向自振頻率降幅為41. 81%．Y向自振頻率降幅為56. 05%，扭轉(zhuǎn)處自振頻率降幅為56. 6%，結(jié)構(gòu)損傷較為嚴重，但沒有發(fā)生倒塌。綜上所述，隨地震強度增加，模型裂縫擴展，模型損傷累積，自振頻率下降。
3.2模型結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)
不同水準地震作用下模型加速度放大系數(shù)K由試驗測得，本文僅給出8度(臺面峰值加速度94gal)多遇、8.5度（臺面峰值加速度680gal）罕遇地震作用下X向、Y向的加速度放大系數(shù)沿高度的分布，如圖4，5所示。
前4級加載時，屋頂?shù)募铀俣确糯笙禂?shù)呈增長趨勢。后3級加載時，屋頂加速度放大系數(shù)開始下降，原因為在檐口高度處形成一條水平裂縫，當臺面峰值加速度加大時，地震作用沿水平裂縫錯動，不能順利地傳送到屋頂，加速度反應(yīng)與破壞情況基本吻合。
不同水準地震作用下X向、Y向的加速度放大系數(shù)均在0. 75m以下和1.5m以上時變化趨于平緩，中間部分變化顯著，取值范圍控制在1.0~2.8之間，表明構(gòu)造柱、爬坡圈梁、檐口圈梁及水平配筋帶對夯土墻農(nóng)房的抗震性能有很大的改善。
同一烈度、同一波形地震作用時，模型結(jié)構(gòu)X向的加速度反應(yīng)均大于y向的加速度反應(yīng)，說明模型結(jié)構(gòu)y向抗側(cè)剛度相對較大。隨著臺面輸入地震波峰值加速度的加大，模型剛度退化，兩方向加速度放大系數(shù)均有所下降。
3.3模型結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)
層間位移是指檐口處位移與地梁上表面處位移之差，本文采用加速度時程在頻率內(nèi)的積分方法求得位移。模型位移反應(yīng)見表3。
在8度（臺面峰值加速度94gal）多遇地震作用下，模型的層間位移角基本在111 000~1/4 000之間，甚至更小，僅在門過梁下部出現(xiàn)一條裂縫；在7.5度（臺面峰值加速度200gal）設(shè)防地震作用下，X向、y向?qū)娱g位移角最大值為1/475和1/1364，山墻上出現(xiàn)裂縫；在7.5度（臺面峰值加速度414gal）罕遇地震作用下，X向、Y向?qū)娱g位移角最大值為1/201和1/431，由于水平貫通裂縫的出現(xiàn)和擴展，位移增加速度減緩，與實際情況相吻合；在8.5度（臺面峰值加速度680gal）罕遇地震作用下，模型相對位移和層間位移角最大值分別小于11. 85 mm及1/127，表明抗震構(gòu)造措施（構(gòu)造柱、爬坡圈梁、檐口圈梁及配筋砂漿帶）有效地提高了墻體的抗側(cè)剛度、結(jié)構(gòu)的整體性及延性。
同一烈度、同一水準地震作用下輸入El Centro波、廣元波和江油波，模型結(jié)構(gòu)X向的位移反應(yīng)大于Y向的位移反應(yīng)，說明X向剛度比y向剛度弱；同一烈度、同一水準的不同地震波輸入時，多以El Centro波輸入時模型結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)最大，說明結(jié)構(gòu)的最大位移不僅取決于輸入烈度的大小，還取決于地震波的頻譜特性與結(jié)構(gòu)自振特性的關(guān)系。
4 結(jié)構(gòu)抗震性能分析
現(xiàn)代夯土建筑構(gòu)造措施包括：中部配筋砂漿帶、構(gòu)造柱、圈梁以及坡屋頂檁條與三角形山墻的連接，以下從試驗角度給出分析：
(1)圈梁：試驗過程中圈梁下側(cè)出現(xiàn)水平裂縫，說明夯土墻面所采取的圈梁對墻體進行了有效的約束。另外，山墻的豎向裂縫主要分布在砂漿配筋帶以上、檐口圈梁以下的縱橫墻交界處，說明構(gòu)造柱和圈梁具有可靠的連接，發(fā)揮了很強的約束作用。
(2)構(gòu)造柱：在8度罕遇地震作用以前，構(gòu)造柱在隨屋面往復(fù)運動過程中與墻體發(fā)生相互作用，從而引起縱橫墻交接處出現(xiàn)以豎向為主的裂縫，8.5度（臺面峰值加速度680gal）罕遇地震下，豎向裂縫繼續(xù)發(fā)展，墻體破壞嚴重，但并未出現(xiàn)屋面板墜落現(xiàn)象，說明構(gòu)造柱的設(shè)置很好地起到了連接和約束屋頂?shù)淖饔�，避免了樓板發(fā)生坍塌與墜落。
(3)配筋砂漿帶：由模型結(jié)構(gòu)破壞過程可知，無論是構(gòu)造柱處豎向裂縫，還是墻面的斜裂縫都在水平配筋砂漿帶處停止發(fā)展，并沒有出現(xiàn)裂縫穿過砂漿帶的現(xiàn)象，說明配筋砂漿的存在起到了很好地限制墻體裂縫發(fā)展的作用。
(4)坡屋頂檁條與三角形山墻的連接：檁條與墻體之間未發(fā)現(xiàn)明顯的錯動與開裂現(xiàn)象，三角形山墻也沒有較大的土顆粒掉落，說明檐口圈梁和兩側(cè)爬坡圈梁形成的三角形山墻具有很好的整體性和穩(wěn)定性，也驗證了檁條與爬坡圈梁的構(gòu)造連接具有較好的可靠性。
根據(jù)模型結(jié)構(gòu)相似關(guān)系可反推出原型結(jié)構(gòu)相應(yīng)的動力特性，即原型結(jié)構(gòu)未遭遇地震時的自振頻率為6. 58，10. 88，15. 55Hz，相應(yīng)的周期為0.152，0. 092，0.064s�？梢钥闯�，山墻的剛度比縱墻的剛度大，并且隨著結(jié)構(gòu)損傷加劇，模型的剛度逐漸減小、自振頻率下降、自振周期變長，但耗能顯著，對抗震有利。
綜合上述分析可知，模型結(jié)構(gòu)破壞主要集中在縱橫墻交接處、夯土分層界面、門窗洞口角部以及墻體頂部與現(xiàn)澆板接觸位置處，裂縫較寬處伴有掉渣、剝落現(xiàn)象，但并未出現(xiàn)土墻較大幅度的崩塌、壓碎現(xiàn)象，說明配筋砂漿帶的約束作用有效提高了墻體的抗側(cè)剛度，圈梁和構(gòu)造柱將夯土墻分割成若干矩形塊體，有較好的約束作用，提高了墻體的承載能力和房屋的整體性；模型自振頻率較低，自振周期較長，說明模型整體結(jié)構(gòu)較柔、剛度小，但耗能顯著，對抗震有利；在8.5度（臺面峰值加速度680gal）罕遇地震作用下，雖然模型相對位移和層間位移角最大值分別為11. 85mm及1/127，但墻體裂縫分布較集中，僅少數(shù)微小裂縫分散，模型結(jié)構(gòu)具有較好的延性和整體性。
5 結(jié)語
從總體上看，良好的機械夯筑性能加上課題組提出的科學(xué)有效的構(gòu)造措施，使得現(xiàn)代夯土建筑不僅具有就地取材、施工方便、造價低廉、冬暖夏涼、生態(tài)環(huán)保等特點，同時其抗震性能得到大幅提升，在遭受相當于8.5度罕遇地震作用下，模型房屋仍然可以繼續(xù)承載，而且表現(xiàn)出較好的變形能力。截止目前，同類型示范農(nóng)房已在安徽、河北、江西和甘肅等地成功建設(shè)，隨著施工技術(shù)的不斷成熟以及工程實踐的不斷深入，相信現(xiàn)代夯土房屋體系必將在全國大范圍推廣和應(yīng)用。
