具有可靠抗震性能的农居房屋设计

范雷彪，李嘉昕，任 忠

（包头市地震局，内蒙古 包头 014010）

具有可靠抗震性能的农居房屋设计

范雷彪，李嘉昕，任 忠

（包头市地震局，内蒙古 包头 014010）

从减少地震波吸收的角度考虑建筑物的安全性，对提升普通农居房屋的抗震性能提出一种新的设计思路。具体做法：一是设计并应用了新的建筑构件承载结构棒和新结构砌块砖；二是将框架结构技术有效应用到普通房屋的建造中，使普通农居房屋具有了框架结构的稳固作用效果；三是对墙体砖块采用捆绑加固手段，并将房屋的墙体结构和屋顶结构实现整体式连接；四是对地基结构进行改进，采用了减震和隔震手段。通过上述做法既加强了墙体强度，消除了应力集中的可能性，同时通过减轻屋顶重量达到降低、缓解地震作用力的目的。

承载结构棒；PPR管；砌块砖；捆绑铅丝；新结构抗震房屋

0 引言

我国目前尚有4亿多人口居住在缺少抗震设防要求的一般性自建房屋中，这种情况的存在对全国的整体抗震救灾水平构成极大制约，在此地区一旦遇有中强地震发生必将产生严重破坏，对生命财产会造成极大的危害。为此，2006年由国家地震局和建设部共同提出了“安全农居工程”项目，以此来提升全国的总体抗震救灾水平，贯彻落实该项目关键是在技术上要有相应的支持，为其提供一套既安全又经济的实用技术方案是先决条件，笔者依据这一想法提出新结构抗震房屋的设计。

1 承载结构棒的形状结构

承载结构棒是一根外径为Ø6cm，内径Ø3cm，中间空腔由8道放射筋构成的PPR管件。对其中间空心部分用沥青灌实，这样做既可增强结构棒的整体强度（沥青在常温状态下呈脆性），又使其具有重量轻、强度高、弹性好的优点（图1）。

1.1 承载结构棒的重量

单根管的长度为6m，PPR的比重为0.94，其壁厚和放射筋宽度均为h＝2.0mm。

截面积S＝6×3.14×0.2＋3×3.14×0.2＋8×1.5×0.2＝8.05cm2；重量 G＝8.05×600×0.94／1000＝4.54kg。

图1 承载结构棒截面图

沥青的比重为0.9，用量 W＝1.5×1.5×3.14×0.9×600／1000＝3.81kg。总重量：4.54＋3.81＝8.35kg，单位长度重量：8.35／6≈1.39（kg／m）。

1.2 承载结构棒的造价

PPR管的原材料价格为8.5元／kg，型材的成本价应为10元／kg，则承载结构棒的成本价J＝4.54×10＝45.4（元）。

沥青的价格为2400元／t，即2.4元／kg。成本价J＝3.81×2.4＝9.1（元）。

总造价：45.4＋9.1＝54.5（元），单位价格：54.5／6＝9.08（元／m）。

以此成本价推测出未来的市场价应在10.0元／m左右。

2 砌块砖的形状及尺寸

新结构砌块砖是由墙体砖和专用角砖2部分组成的。

2.1 墙体砖

墙体砖其长、宽、高分别为45c m、27c m、24c m，该砖的外形尺寸、内腔结构都与现行的长方体砌块空心砖有着较大差别（图2）。其特征：（1）砖体的前端呈棱角凸出，后端有燕尾凹口，砖体在垒放时须有方向一致性要求，凸出部分对齐燕尾凹口。（2）砖体的内部结构是由一道隔离体将整个腔体分割成2个不对称的空腔。砌块砖这样设计目的有三：一是为了保证每块砖之间在左右都能有啮合。二是能让捆绑铅丝从底部穿过墙体的一侧空腔伸到墙体顶部与另一端捆绑铅丝汇合，将整个墙体进行捆绑。三是能让砖块的一侧空腔体内预先填充好泡沫板起保温作用，另一侧可采用纵向灌浆方式对墙体粘接。

图2 墙体砖立体图

2.2 角砖

图3 墙体角砖的平面俯视图

角砖的外形和墙体砖的外形相似，也有凸沿和凹口，其尺寸长、宽、高分别为45c m、35c m、24c m（图3）。角砖的设计是考虑到建筑物在受到地震力作用时，墙角是最易形成应力集中的地区，也是易出现松散、倒塌的地方，采用一体结构的角砖后对保障墙体的整体结构强度会有很好的效果。码放砖时要考虑到砖的错位、对接，所以角砖码放时要按“先顺时针码放一圈，再逆时针叠垒码放一圈”的方法。

3 新结构抗震房屋施工中的具体要求

3.1 地基的垒砌要求

新结构抗震房屋的地基垒砌要求与普通抗震房屋存在一定差别，地基结构采用的是一种“四角扎根中间松”的方式，即在地基的四角处需先开出一定深度的地槽坑，然后用混凝土灰浆对毛石基础浇注做坚固处理，使其形成一个牢固的基础墩，同时将一段承载结构棒以竖直状预埋在其中。墙体下的基础不与四角处地基相连，有一定的间隔距（5～8c m），坐落在一个夯实的砂坑槽中，用普通方体砖直接堆砌而成，在方砖的上下层分别撒上一层粗粒砂（做隔震处理），表层用砂灰与地基找平即可，不需灌实加固，其只起简单的支撑作用（图4）。

图4 结构棒的布设及地基结构的主、俯视图

在地基完成后先在其上以1.5m的间隔距纵向布设Ø 10的短钢筋段，并在钢筋段的两端绑接8＃铅丝。接着对4根竖直结构棒套一个专用直角连接辅件——直角箍（图5），用该连接辅件将竖直结构棒与横向结构棒套接，形成一个长方体的框架结构棒圈。之后对底圈结构棒的一侧填以12m×6m的实体砖块（因为水平结构棒是靠一侧铺设的，另一侧有空距），并用砂浆灰将整体顶面找平以待砌砖，同时对结构棒的所有连接处除用胶粘接外还需插入2～3道销钉，起到加固连接的作用。

图5 直角箍主、俯视图

结构棒的这种横向、纵向立体框架设置相当于在墙体中设置了简易构造柱和框架剪支梁的作用，它能起到替代现行房屋施工中用上下圈梁和构造柱来加固的作用效果，据有成本低易操作的特性。

3.2 墙体的垒砌

墙体的垒砌中首先是将直角砖套入竖置结构棒中，然后按照砌块砖的嵌入方向要求逐一码放各层砖块，在码放前将捆绑铅丝盘成团，让外端捆绑铅丝穿过砖体的中间空腔，随着墙体铅丝团的升高逐渐伸展，待墙体砌到一定高度后（2～3层）对砌块砖外侧空腔体和角砖的直角空腔部分灌入砂浆灰，随着墙体的增高，结构棒也用连接管箍逐段递增。内端捆绑铅丝滞留在原位，待墙体完成后在顶端与墙体内捆绑铅丝汇合，由于室内墙面均需抹灰找平，所以内侧捆绑铅丝将会被压在墙面中，既不会生锈也不会影响美观。

3.3 屋顶的施工技术

在墙体完成后，第一步，在屋顶面铺设一层8c m×8c m棱形孔丝网，并在其上盖一层尼纶丝布，之后和地基处理方式一样在竖直承载结构棒上套上直角连接件，连接结构棒沿墙体的上端转圈布设一周（起到上圈梁的作用）；第二步，连接捆绑铅丝，将墙体内端捆绑铅丝穿过丝网和上端结构棒与内墙端捆绑铅丝汇合拧紧；第三步，上端结构棒布设完成后，在两个横向结构棒上，以60c m间隔距逐一布设一个专用附件定位托（图6），并用砂浆灰将其和砖面找平，之后在托座上按纵向放设若干根结构棒，随后再铺设第二层8c m×8c m棱形孔丝网；第四步，在纵向承载结构棒上以30c m的间隔距布设Ø 14的钢筋，每道钢筋均与结构棒及丝网用绑丝连接拧紧，同时在每道钢筋的中间点位也用垂吊绑丝将其与丝网连接，这样在60c m×60c m的面积内丝网与结构棒和钢筋就有6个连接点；第五步，混凝土浇筑，完成上述任务后就可以直接浇筑8c m厚的混凝土。虽然在0.36m2面积上混凝土的重量为92.2k g，但由于结构棒具有一定的强度，因此只要在下端置两排横担，分别用几根支柱支撑起就可以保证整屋顶面的平整度，此工艺既可节省出钢模板的使用费用、人工费用还节省工期。

图6 结构棒定位托

3.4 新结构屋顶的强度

根据所设计的布设方式，承载结构棒每60c m为一个承载单元（Ø 14拉筋起到支撑点的作用），将结构棒简化为简支梁，因此其最大弯矩值为：

Mmax＝q L2／8＝q×0.36／8＝0.045q，q为作用载荷。

抗弯截面系数WZ的计算：处于简化和安全性考虑，将结构棒的截面形状按空心圆计算，这样根据公式：WZ＝π D3／32（1－∂4）可计算抗弯截面系数，其中：∂为内外直径的比值，∂＝d／D＝56／60。

则 WZ＝π D3／32（1－∂4）＝3.14×603／32×［1－（56／60）4］＝5110.6mm3。

按弯曲强度条件Mmax≤［б］WZ可计算出允许承受的均布荷载q。其中［б］为许应力，可根据材料手册中查到其值为45×106。这样有0.045q≤45×106×5110.6×10－9，q≤5110.6（N／m）。

按设计要求承载结构棒实际所受的均布载荷为0.6m／70k g。q′＝700／0.6＝1166.7（N／m）。安全系数η＝q／q′＝5110.6／1166.7＝4.38。由此数据结果可看出应用承载结构棒完全可以满足工程需要。

4 新结构抗震房屋与普通抗震房屋的成本造价比较

新结构抗震房屋与现行普通抗震房屋两者的差别是采用了结构棒作为上下圈梁和构造柱的替代件，两者在墙体部分的用料和成本基本相当，因此用屋顶、圈梁及构造柱部分进行比较即可得出两者间的差价。以一个12m×6m＝72m2的平房建筑为例进行比较计算。

4.1 现行普通抗震房屋顶的造价

其成本由上圈梁、下圈梁、楼板构造柱3部分构成，包括：圈梁浇筑，钢筋、混凝土用量。

（1）上下圈梁的成本

圈梁的总长度L＝12×4＋6×4＝72m；圈梁的截面积S＝30c m×30c m＝0.09m2；体积V＝0.09×72＝6.48m3。以包头地区市场参考价圈梁的单位造价为800元／m3（包括材料、人工、钢模板），成本造价J＝6.48×800＝5184（元）。

（2）屋顶的成本

屋顶的建筑面积S＝72m2；厚度＝10c m；体积V＝7.2m3；以包头地区的市场混凝土的单位造价为800元／米3（包括人工费、材料、钢模板），成本造价J＝800×7.2＝5760（元）。

（3）构造柱的成本

构造柱的总长度L＝3×4＝12m；每根的截面积S＝20c m×20c m＝0.04m2；体积V＝0.04×12＝0.48m3。单位造价800元／m3计算，造价：J＝0.48×800＝384（元）。

总造价为：5184＋5760＋384＝11328（元）

4.2 新结构抗震房屋的成本造价

抗震结构房屋的成本由结构棒、钢筋、混凝土用量、丝网及辅件5部分组成。

（1）结构棒

结构棒在楼板中用18根，每根长6m，4根竖置的构造柱，每根长3m，上下圈梁共用12×4＋6×4＝72m。总长为18×6＋4×3＋72＝192m，前面已估算结构棒的市场指导价为10.0元／m，则192m的总造价：192×10.0＝1920（元）。

（2）钢筋

使用Ø 14的钢筋，需10根，每根12m，共需10×12＝120m，Ø 14的钢筋单位重量为1.2k g／m，市场参考价3600元／t，即3.6元／k g。3.6×1.2＝4.32（元／m）。120m造价为120×4.32＝518.4元。

（3）混凝土

由于加入了结构棒，屋顶混凝土的厚度只需达到8c m就可满足需求。楼板的总体积减去结构棒的体积为混凝土的用量，即：72×0.08－10×6×8.05／10000＝5.71m3，混凝土的单位造价也是800元／m3（包括人工费、材料、钢模板），总价为J＝800×5.71＝4568（元）。

（4）丝网

丝网的市场价参考为5元／m2，造价为72×5×2＝720（元）。

（5）辅件

辅件有连接管箍、直角三通接头和定位托、尼纶丝布及捆绑铅丝。连接管箍每个2元，需用30个，共60元；三通接头需用8个，每个价格10元左右，需80元；定位托36个，每个约2元；总成本价212元。尼纶丝布的单价为0.5元／m2，72×0.5＝36（元）。捆绑铅丝的费用：总用量150m，铅丝每盘200m，约150元。

这样总价：1920＋518.4＋4568＋720＋212＋36＋150＝8124.4（元）。

两者相比差：11328－8124.4＝3203.6（元）。

在新结构与普通抗震结构对比中均没有涉及到墙体的施工费，在两种结构中该项费用是相同的，因此新结构要比普通抗震结构省钱。

5 新结构抗震房屋具有的抗震作用

5.1 新结构抗震房屋墙体的减震作用

在现行的各类砖砌结构中，砖块都是采用横向逐一码放方式，这种码放方式将墙体砌成了实体结构，当地震波来袭时，砖块受到墙体的挤压力作用必然破裂，从而直接影响到墙体的强度。在新结构抗震房屋中，砌块砖以纵向插入式码放，当遭受纵向地震波作用时，由于砖体的横向间留有一定的间隙（叶尾槽略长于凸沿约0.5c m），该间隙使砌块砖间有了相对活动余量，使砖块随地震波振动时也能做纵向错动，因而不会在砖体间形成挤压作用，加之墙体在上下端均有承载结构棒连接，它属柔性结构不会对墙体有限制作用，使得整个墙体成为一个柔性体。遇有横向地震作用时，由于在墙体中添加了绑丝，就整个房屋而言它已成为一个比较理想的弹性体。如果地震波是从EW方向袭来，那么EW向的两面墙会随着振动作用做摆动，N S走向的两个墙面产生错动；同理地震波从N S向袭来，N S向的两面墙体呈摆动变化，EW向墙体呈错动变化。总之不论墙体出现向内、外倾斜的变化，还是错动变化，都不会影响墙体的整体性结构，原因是各种变化都在一个整体框架内呈弹性变化，显然这种柔性结构墙体不会产生应力集中现象，对保护墙体强度能起到理想的效果。在地震波作用过后由于结构棒具有较强的弹性，房屋会很快恢复原位，这种看似松散的结构实际起到松而不散的效果。据相关资料介绍，坐落在坚硬土层的普通低矮平房，对其产生作用的地震波主要是高频、短周期部分，这种高频、短周期的波遇有一定的缓冲余量后其作用效果会衰减很大，因此新结构对保护建筑物的完好性会有更好的效果。

5.2 地基的减震作用

在新结构抗震房屋中地基的设计方式主要是从最大限度地减少建筑物对地震波的吸收方面考虑的。因为地震波是在以波动的方式传播中发挥作用的，当其经过盖有建筑物的地表时建筑物也随即跟着做起伏振动，在振动过程中接受地震能量并形成地震作用力，建筑物所受到的能量多少与波及面的面积呈正比，如果波及面积小，产生出的地震作用力自然就小。在本项设计中，建筑物只有四角处以点接触的方式接触地震波，其接受能量的面积要比传统的布设方式会小许多。另一方面由于在建筑物墙体下设有两层隔震层，遇地震波作用时两隔震层对地基会产生滑动作用，相当于在建筑物中安装有减震器的效果，起到消减、阻隔地震波的作用。据《房屋建筑抗震设计》介绍这种隔震效果可减少65%的地震波的吸收量。

5.3 屋顶的减震作用

普通房屋在地震作用中的受力状况属单质点弹性体系，既符合关系式FEK＝μΒ G，式中：μ—地震系数；Β—动力系数；G—建筑物的重力载荷代表值。对于普通平房，G值就是屋顶的重量。在这种单质点弹性体系中墙体受到的剪切力的大小除地震因素外就是来自屋顶的重量，如果能降低屋顶重量就相当于减轻了地震作用力。由前述新结构抗震房屋与普通抗震房屋对比的建筑实例中得知，新结构房屋屋顶的总体积为5.76m3（包括混凝土和结构棒的体积）。而普通抗震结构房屋的屋顶厚度为10c m，混凝土用量为7.20m3。这样总体积量减少了1.44m3，即重量减少1.44×3.2＝4.61t。地震作用力的大小与屋顶的重量有关，按此数据推算地震作用力的减少，则有：F1／F2＝W1／W2＝4.61／7.2×3.2×100%＝20%（结构棒的重量忽略）。也就是说，新结构抗震房屋受到的地震作用力仅为普通抗震房屋的80%。

6 结束语

由于受习惯性思维的影响，我们目前在建筑物抵御地震力破坏的认识方面上仍局限在“硬抗硬”的思维模式中，认为只有“抗”才是御震的唯一方法。其实不然，通过仔细分析地震波的作用过程就会发现，如采用好适当的建筑结构，在地基上应用恰当的隔震、减震技术，会起到更理想的防震效果，这样做起到的抗震效果要比单纯采用“硬抗”（即加强结构强度），更理想，更经济实用。就本文提出的设计方案而言，看似简易的结构却柔中带刚，恰好适合抵御各种周期的地震波的破坏，在抗震效果上会超过普通抗震设防的标准，而且在经济上成本更加低廉，在技术上更加简单易于掌握。

［1］ 赵士永，李旭光.砌体结构并联复合隔震建筑有限元分析［J］.华北地震科学，2011，（2）：23-26.

［2］ 张墨思，尹小兵.新型粘弹性阻尼器在震害下的力学分析［J］.华北地震科学，2011，（4）：54-57.

［3］ 穆宇亮，刘巧英，张博.单管通信铁塔结构基本自振周期分析及抗震应用［J］.华北地震科学，2011，（4）：58-60.

［4］ 单辉祖.材料力学教程［M］.北京：国防工业出版社，1982.

［5］ 戴国莹，王亚勇.房屋建筑抗震设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［6］ 郭继武.建筑抗震设计基础［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.

Reliability－based Seismic Design of Rural Building

FAN Lei－biao，LI Jia－xin，REN Zhong
（Earthquake Administration of Baotou City，Baotou 014010，Inner Mongolia Municipality，China）

This article considers building security through reducing the absorption of seismic waves，putsforward new design ideas to ascend the seismic performance of rural buildings.Specific approaches：first，apply new bearing structure rods and new structure bricks；Second，apply frame structure technology ef－fectively to the common home building to firm ordinary rural houses；Third，bound to wall bricks bymeans of reinforcement，in the meantime，connect the house wall structure with roof，form the integrationeffect；Fourth，improve foundation structure by means of isolating and damping shock.Through the abovepractice，we not only strengthen the wall structure，eliminate the possibility of stress concentration，butalso reduce the roof weight to reach the purpose of alleviating seismic forces.

bearing structure stick；PPR tube bonding；lead wire；new anti－seismic rural buildings

P315.943

A

1003－1375（2012）02－0068－05

2011-09-15

范雷彪（1962－），男（汉族），高级工程师，从事地震观测及工程抗震研究.E-mail：fanleibiao.1962＠163.com