木板夹芯房屋抗震性能试验研究*

张再昱， 周铁钢

(西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055)

0 引言

新疆位于喜马拉雅-地中海地震带上，震害较为严重[1]。据统计资料显示，自从20世纪以来，新疆平均每年发生一次里氏6级以上的地震[2-3]。在农村房屋的建造上，由于缺乏适当的构造措施，不能满足抗震的基本要求，导致在震害来临时，往往损失惨重。

为了研究新疆传统房屋的抗震性能，课题组深入新疆内部，对多处土木结构房屋进行考察，并且对当地木板夹芯房屋的抗震性能进行研究[4-6]。本文设计了1/4缩尺比例模型的振动台试验，对木板夹芯房屋在水平地震作用下的地震反应和破坏特征进行了探讨，通过观察模型在不同地震加速度峰值作用下的破坏形态，评估木板夹芯房屋的安全性能，为今后新疆传统房屋的研究提供理论支持。

1 新疆木板夹芯房屋简介

在新疆，村镇居民住房的结构类型主要有砖混结构、砖木结构、石木结构和土木结构，其中木板夹芯房屋就属于土木结构的一种建筑形式[2]。该结构民居以木质框架和土坯承重，在房屋的四个角分别设置木质角柱，在角柱处设有斜向支撑，在墙体中间每隔一段距离设置木柱，房屋上下都设有木圈梁。木板夹芯房屋在墙体的内外两侧设置水平木条包夹，并且水平木条与竖向木柱相连。其中，砌筑墙体的材料主要为土坯和泥浆。由木板夹芯房屋的施工工艺来看，整个房屋使用的建筑材料属于绿色可再生材料，产生的建筑垃圾对环境影响较小[7]。木板夹芯房屋为单层房屋，结构高度为3.2m，墙体厚度为250mm，开间尺寸分别为3.3m和3.6m，进深尺寸为5.1m，如图1所示。

图1 木板夹芯房屋原型尺寸

墙体由木龙骨及土坯制成，土坯尺寸为330mm×60mm×70mm(长×宽×高)，墙中木柱排列整齐均匀并与底圈梁连接稳固。这种房屋具有特殊的木质圈梁，分为顶圈梁和底圈梁，底圈梁与底座通过螺栓连接。在顶部圈梁上部设置木檩条，将木板铺在檩条上，随后铺上一道席子和一层稻草，接着铺上一层约80mm厚的麦草泥，见图2。

图2 模型剖面图

2 试验模型设计与制作

2.1 模型设计

本次振动台模型在设计时考虑到试验仪器的承载力(4t)和振动台台面尺寸(2m×2.2m)等因素，采用缩尺模型来代替其原型结构进行试验。考虑到竖向应力相似比，保证模型与原型结构竖向压应变的比值尽量趋近于1[8-9]。参照原型结构，利用相似理论和量纲分析法，确定本次试验模型选用1/4缩尺比例，根据相似原理，各参数的相似关系见表1。

原型与模型相似关系 表1

在添加配重后，竖向压应力比为1/2，保证了模型仍然具备原型结构的大部分结构特征，模型的详细尺寸如图3所示。

图3 模型平面布置图

根据缩尺比例，试验模型参数如下：1)模型尺寸1.787m×1.337m×0.870m(长×宽×高)；2)墙体厚度62.5mm，横向木板间距5mm，模型屋面做法与原型结构相同；3)模型基座为钢筋混凝土，厚100mm，使用预埋螺栓连接混凝土基座与振动台台面；4)根据测算可知，木板夹芯模型重0.52t，钢筋混凝土基座重0.90t，需添加配重0.962t。

2.2 模型制作

模型在施工前需先做条形基础，再装配墙体木龙骨、圈梁、木柱及角部斜撑。木梁与木柱连接实景照片如图4所示，两者采用榫卯连接。在墙体部位的木框架通过铁钉铆接，屋面上的做法是用铁钉将五合板钉在檩条上，预留约10mm长的铁钉在外部，以减小五合板与麦草泥发生相对滑移，影响试验结果。

图4 木柱与木梁连接实景照片

3 振动台试验方案设计

3.1 加载方案

本次试验主要研究水平地震对于木板夹芯房屋的影响，共选用两组地震波[10-11]。第一组为El Centro波，持续时间为53.73s，输入的地震波形如图5(a)所示；第二组为San Fernando波，持续时间为79.48s，输入的地震波形如图5(b)所示。在试验开始时，先对模型进行锤击试验，以确定模型的结构特性，接着将两组地震波交替输入，每次交替输入地震波前都重新进行锤击试验，在墙体产生严重的交错裂缝后，只输入一种El Centro波，直至试件完全破坏。试验的各个工况如表2所示。

图5 地震波形

3.2 传感器布置

本次试验共安装加速度传感器4个，位移传感器5个，具体参数见表3。加速度传感器分别布置在振动台上、基座立面、纵墙底部和顶部，位移传感器分别布置在振动台上、模型两个开间地面和模型的两侧墙面，具体的模型成品如图6所示。

试验工况 表2

传感器参数 表3

图6 木板夹芯房屋模型

4 木板夹芯房屋模型的破坏形态及分析

本次木板夹芯房屋模型振动台试验在西安建筑科技大学进行，将计算所得配重和传感器安装完成后，输入相应地震波并观察模型破坏形态[12-14]。随着地震加速度峰值的增加，模型的破损程度逐渐加剧，总结如下：

(1)当加速度峰值为36gal时，模型震动幅度不大，表面无明显裂缝。

(2)当加速度峰值为110gal时，整个模型有轻微晃动，表面有部分细碎土料掉落，观察模型的背立面，可见一段细微裂纹，长为50mm，宽为0.05mm。这种现象是由于窗户开洞削弱了整个墙体的平面内刚度，削弱模型的抗剪能力，当地震来临时，洞口角部应力集中较为严重，率先被破坏，如图7(a)所示。

(3)当加速度峰值为220gal时，在模型的背侧窗户洞口处，细微裂纹继续产生和发展，裂缝长度为65～80mm，宽度为0.05mm，在模型右下方的墙角处可见长为110mm，宽为0.05mm的裂缝，在圈梁与墙体的连接部位同样出现了细微裂缝，削弱了房屋的整体性能，这种现象是由于墙角处受扭转作用显著，如图7(b)所示。

(4)当加速度峰值为620gal时，模型墙体土料严重脱落，部分墙体出现鼓包和裂缝，这是由于木框架在震动中局部变形严重。在模型墙体下方出现了一条宽约0.7mm的通长裂缝，在震动过程中，随着震动的幅度，裂缝宽度不断变化，并且在此期间角柱和木质圈梁附近的裂缝迅速发展，这是由于模型上部配重较为集中，墙体局部弯矩较大造成的。由于木材具有良好的韧性，并且梁柱间节点连接状况完好，使得木框架整体未发生分离现象。在水平地震作用下，墙体表面开裂和木框架局部变形能够耗散能量，减小地震波对主体结构的损坏，如图7(c)所示。

(5)当加速度峰值为800gal时，模型的墙面裂缝迅速发展，整个模型震动较为明显，出现多条宽为1mm以上的较大裂缝，并在每次晃动中，迅速延伸。由于本次试验是横向加载，因此，墙体在多次反复震动作用下产生了较为密集的交错裂缝，如图7(d)所示。

图7 模型破坏形态

(6)为了验证模型在木框架出现明显损坏时，是否会出现节点脱落和框架倒塌现象，将地震加速度峰值调大到1 020gal。此时，在模型墙体上有大量明显的交错裂缝产生，并且逐渐扩张加深，深度可达2.5mm。将模型表面土料清理干净，观察到内部木柱与墙体的横向木板连接较好，无松动现象，整个墙体结构没有较大损坏，但上下两道木质圈梁形成了明显的贯通裂缝，门窗洞口处的裂缝与圈梁部位的裂缝相连。从外部观察，整个模型严重变形，但整体结构未松散，如图7(e)所示。

5 振动台试验结果分析

5.1 模型结构动力特性

在试验初期，使用锤击对模型的原始结构动力特性进行了检测，采用自谱分析的方法收集不同工况下模型房屋的自振频率，如表4所示。

多个工况下模型的自振频率 表4

通过研究各个工况下的自振频率可以发现，结构的自振频率随着地震波峰值的增长而逐渐减小，这是由于模型在多次地震作用下，内部形成多条细微裂缝，随着试验的继续，形成累积损伤，造成模型的整体刚度退化，自振频率减小。由于模型在圈梁出现裂缝后，裂缝扩张迅速且发展充分，所以房屋刚度退化较快。

5.2 模型结构动力反应放大系数

结构动力反应放大系数可以很好地反映出结构自身的特性变化，并且随着地震加速度峰值的变化而不断改变。在图8中绘制了模型在屋顶处的动力放大系数的变化趋势。

图8 模型屋顶处动力反应放大系数

由图8可以看出，模型动力反应放大系数在两组地震波的作用下，变化趋势基本相同。在加速度峰值为300gal时，动力放大系数下降情况较为明显。在这个阶段，模型结构出现轻微破损，逐渐有细微裂纹发展成明显的裂缝，并且这些裂缝随着地震加速度峰值的加大而不断扩展加深，墙体中的土坯由于破裂无法继续参与承重，基本退出工作。木骨架逐渐成为主要的承重构件，在地震作用下表现出良好的韧性，房屋摇晃严重但并未倒塌。

5.3 模型结构的位移反应

根据5个位移传感器数据，得到模型顶部在多个工况下的相对位移和位移角，见表5。由表5可知，随着地震加速度峰值的增大，房屋顶部的相对位移和位移角逐渐增大。在工况10下，模型的自振频率下降明显，门窗洞口等薄弱位置出现较宽裂缝，此时模型的相对位移为4.29mm，位移角为1/203。在工况24下，模型在地震中的累积损伤严重，两个部位木质圈梁裂缝贯通，木框架表现出良好的韧性，模型整体处于弹塑性阶段，主要承重结构未倒塌，相对位移达到51.49mm，位移角为1/17。

各个工况下模型结构的位移反应 表5

5.4 水平剪力分析

由于木板夹芯房屋模型的质量大部分集中于屋顶，因此近似将模型看作一个质量块，按照单质点体系进行分析。通过底部剪力法，将模型质量与各个工况下的地震加速度峰值相乘，可求得模型在各个工况下所承受的惯性力。由于该体系为单自由度体系，因此模型所受水平剪力与惯性力相等，公式如下所示：

V=F(t)=-ma(t)

(1)

式中：V为水平剪力；F(t)为惯性力；m为模型及配重总质量；a(t)为不同工况下的地震加速度峰值。

如图9所示，随着地震加速度峰值的增加，模型所受水平剪力呈现线性增长。在加速度峰值为220gal时，水平剪力为2 117.5N。在加速度峰值为620gal时，水平剪力为5 967.6N。

图9 各加速度峰值下模型水平剪力

6 结论

本文通过对1/4缩尺比例单层木板夹芯房屋模型进行模拟地震振动台试验研究，观察了模型房屋在不同工况下的结构动力特性、加速度和位移反应，得到的试验结论如下：

(1)木板夹芯房屋模型在遭遇7度罕遇地震时(加速度峰值220gal)，墙体裂缝逐渐增多，模型整体性能下降，结构刚度大幅度退化，自振频率下降明显，随着地震加速度峰值的增加，屋顶处的加速度和位移反应有明显变化。

(2)模型在遭遇9度罕遇地震时(加速度峰值620gal)，土坯墙体大面积损坏，基本退出工作，木框架成为主要受力构件，表现出良好的韧性，虽然木质圈梁破损，房屋整体变形较为严重，但并未倒塌。

(3)木板夹芯房屋能够满足新疆大部分地区“大震不倒”的8度抗震设防要求。