装配式建筑工程知识分享：砖木结构抗震性能初探

1 砖木结构的介绍

砖木结构房屋是以砌筑黏土砖墙体作为承重墙,门窗及屋顶为木结构的单层及多层房屋,部分房屋设有混凝土圈梁和构造柱。一般砖木结构房屋采用木质屋顶,受力檩条搁置在横墙上,墙体承担着承重、抗剪以及满足构造要求。砖木结构房屋有以下特点:竖向荷载相对较小,木材有较好的弹性、顺纹受拉及横纹抗剪能力较强,以及屋架纵横向支撑连接形成空间体系,因此只要节点处不破坏,都可以有效地起到抗震作用,所以砖木结构房屋在广大农村地震区应用广泛。

砖木结构在汶川地震中表现出的良好抗震性能不是偶然的。在三十多年前的唐山大地震中,全城的建筑几乎都夷为平地,唯独剩下两栋木结构房屋矗立着。在1995年日本神户大地震中,事实也证明了木结构房屋是具有良好的抗震性能的。神户大地震造成的经济损失高达8000亿人民币,其他结构建筑受损严重,但是在灾区的现代木结构房屋几乎没有受到影响。振动台试验说明,砖木结构本身是具有良好的抗震性能的。设有钢筋混凝土构造柱和圈梁的单层砖木结构房屋模型整体刚度较大,抗震能力较强,可以经受9度大震而不倒,满足8度基本设防烈度的验证了所提房屋构造方案抵抗高烈度地震的能力,为抗震安居房屋的推广提供了参考依据。

2 汶川地震中木结构民居主要震害及原因

据相关资料显示,在汶川地震区的木结构民房主要是砖木结构或土木结构。农村偏远民居多为穿斗木构架土坯墙房屋(由木构架承重的坡瓦屋顶)。少数土坯墙木屋盖房屋。木结构民居的震害主要表现为:穿斗木构架土坯墙房屋土墙体倒塌,屋架部分塌落;土坯墙木屋盖房屋部分墙体倒塌,木屋盖破坏严重。只有少数木结构建筑整体性垮塌。

木结构民居主要是由于采用了强度较低,离散性很大的土体作为墙体产生破坏的,这主要是农村建筑不合理造成的,不是木结构本身的结构问题。施工质量同样是结构破坏的主要原因,不同的施工质量实施在同样的建筑结构上所体现出的抗震能力是截然不同的。木构架和木屋顶在地震后仍保持着整体性和基本完整。这说明砖木结构民居是具有良好的抗震性能。

3 “最牛民房”的结构特点

据甘肃省地震局应急处处长景天孝介绍,这个房屋在1998年建造时没有过多考虑抗震功能,普通的砖木结构房屋,没有采用混凝土圈梁和构造柱。与其它房屋不同的是,房顶仅以木椽青瓦覆盖,质轻。至于其它方面,一楼完全用优质实心砖,二楼用的空心砖;而各间房间之间的间隔并非砌以砖墙,而是用木质材料隔开。

砖木结构由于采用木结构屋顶大大的减轻了自重,这座房屋中的二层又采用了空心砖,这样就更减轻了建筑物的自重。这样一来从结构动力学和抗震的观点来看就更避免了“头重脚轻”的现象。

同样,房间的隔断采用木材,这样又减轻了二楼的自重。同时木材本身具有弹性,能在较大的程度上缓冲并分解地震力。在地震力的作用下,也起到了减小地震损害的作用。

据汶川地震相关资料报告,砖木结构在0·10g地区震害轻微,在0·15g及0·20g地区震害严重,主要是因为结构本身未采用足够的抗震设防构造,其薄弱部位主要是屋盖体系及独立砖柱。

“最牛民房”中房顶仅以木椽青瓦覆盖,轻质,整体性强,约束比较可靠,在地震力作用下产生的惯性力较小。“最牛民房”结构中没有采用独立砖柱,而采用普通的墙体承重结构,结构形式比较对称,这都有利于房屋的抗震作用。

4 砖木结构的抗震机理

砖木结构在地震中表现出良好的抗震性能主要有以下几点原因:

(1)合理的结构布局。平面上,砖木结构很少应用在平面复杂的建筑上,主要是长宽比不大于2∶1的矩形。规则的平面布局有利于结构的抗震和耗能,这个是得到建筑学界的广泛认可的。空间上,木屋顶的采用,质轻的同时保持了良好的整体性,这样的结构形式避免了建筑物的“头中脚轻”,是理想的抗震结构设计;

(2)木结构屋顶的榫卯耗能。古建筑木结构的榫卯连接是我国建筑的精华。榫卯具有很强的抗震耗能性能。榫卯在承受较大的荷载下,同时具有很强的变形性能。在地震荷载的作用下,榫卯耗散很大的地震能量,减少了对结构本身的损坏;

(3)建筑结构整体性较强。木材具有很好的顺纹抗拉强度和横纹抗剪强度,这样的结构做出的整体性很强的屋顶,在横向支撑的作用下,可以和四周墙体形成很好的空间体系。这样的体系只要在节点出不出现破坏,是可以具备很好的抗震能力的。

5 重建建议

(1)推广使用砖木结构建筑。砖木结构具有良好的抗震性能且在我国边远农村具有很强的民族特色。砖木结构在同时具有造价低、结构相对简单、施工要求低的特点。这些特点在我国农村地区是具有很强的吸引力的。日本神户大地震后日本政府明令所有民用住宅必须采用北美木结构别墅并实施JAS的建筑标准。我国也应该结合自己的国情,积极推广有着良好抗震性能的建筑结构。在汶川震后的大背景下,政府出面积极引导是具有重要意义的;

(2)加强农村民居建设管理。同样要指出,由于我国农村自建房未纳入国家建设管理程序,农村住宅缺乏管理,基本上是随便设计,不仅没有考虑抗震设防要求,而且往往存在严重的设计缺陷。无资质施工队施工,施工质量得不到保证。这些都是我国现存的建筑问题,亟待需要解决。所以加强农村民居建设管理,树立抗震意识,积极应对可能发生的危险,变被动救灾为主动防范,这样会得到事半功倍的效果;

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