引言

生土民居作为传统建筑结构广泛分布于多个省份,其中,新疆、甘肃、云南等部分地区生土民居占比高达50%以上,这些地区生土民居结构形式依照当地特色各有不同,在抗震减灾方面基本处于“不设防”状态(周铁钢等,2013王毅红等,2010贾晗曦等,2019)。因此,如何使“不设防”的生土结构抵御震害,成为国内外学者关注的重点。现今,对于生土结构的研究主要有数值模拟分析(郭平功,2016陈汉清等,2009阿肯江·托呼提等,2008)和振动台试验(Saman等,2009周铁钢等,2016a2016b)2种方法。生土结构主要建筑材料为黏土,部分地区辅以草屑、秸秆等物质增加强度,使得结构材料体现出明显的不均匀性,数值模型难以选取适当的材料参数,计算结果偏差较大。振动台试验中,受振动台尺寸、试验场地等客观条件的限制,试验模型需按比例缩小,缩小后的建筑模型与原有建筑模型存在较大差异,所得结果难以应用于实际工程中。本试验采用爆破地震模拟天然地震,对生土结构进行原位试验,弥补了上述研究方法的不足,对于实际工程更有指导意义(尚守平等,2007贠永峰等,2014)。2018年4月,河北建筑科学研究院在张家口市开展危房普查工作,应河北省建设厅、扶贫办要求,针对碹窑民居特有结构体系提出加固方案。本试验分别爆破加固前后的碹窑结构,对比峰值加速度变化情况,判断加固方案的可行性。

近年来,基于国家提出的“精准扶贫”“脱贫攻坚”政策,越来越多的专家学者研究生土民居,目前的研究工作主要集中于对生土材料与土坯砌体的改良及既有结构抗震加固。无论是从微观上改良材料,还是从宏观上改善土坯砌体制作与砌筑方式,均可直接改善承重墙体受力性能,相关研究发现原料及掺料、掺量配合比、颗粒级配、含水率均对土坯砖试件力学性能和耐久性产生影响。近年来,随着生土材料物理、化学改性研究的不断深入,发现多种创新实用的掺入材料,如生石灰、水泥、水玻璃、粉煤灰和废弃矿渣等(陶忠等,2011周铁钢,2009)。抗震加固措施主要根据当地生土民居结构构造缺陷提出,应具备简单、廉价、高效等特点。Yamin等(2004)通过设置水平与竖向钢丝网带或使用竖、横向木条对生土墙体进行加固,证实加固方案可有效提高房屋抗震能力;朱伯龙等(1984)使用钢筋网和水泥砂浆加固既有生土建筑,并通过推压试验证实加固方案可有效增强墙体抗震性能;孙满利等(2006)提出使用木质锚杆加固生土遗址的方法,实践证明该方法加固生土建筑效果显著;胡晓锋等(2019)针对黄土窑洞特有的结构形式,分析窑洞常见破坏原因,提出设置型钢支架、砖砌拱券等一系列加固措施。

1 试验概况
1.1 场地概况

危房普查走访过程中,位于怀安县西沙城乡范庆庄村危房评定等级为C级的农户主动提出将本户农宅作为危房加固试点的诉求,河北建筑科学研究院决定无偿为其进行加固,并通过爆破试验测试其加固效果。确定加固房屋后,在房屋周边进行地质勘察(段美芳等,2018),根据地质勘察波速测试,该场地覆盖层深度范围内土层等效剪切波速为223.00—315.00m/s,为中软土,场地内覆盖层厚度小于50.00m,按《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2016)判定,场地类别为Ⅱ类。场地抗震烈度为7度,基本地震加速度为0.15g,场地特征周期值为0.40s,地层未发生地震液化。

1.2 试验模型

试验模型所用的碹窑建于2005年,至今保存完整,未进行任何修缮,属于典型的张家口碹窑民居。碹窑主要结构包括窑脸、窑顶、窑鼻、外墙等土质结构,门、窗、装饰等木制结构,窑眉铺设的瓦质结构等。其中,窑鼻、外墙为夯土结构,窑顶、窑脸为土坯结构。如图 1所示,该碹窑为3孔,窑室跨度从左到右依次为3.2m、2.9m、3.2m,窑鼻宽度为0.7m,外墙高度为1.5m,矢拱为0.5m。


图 1 碹窑民居结构示意 Fig. 1 The structure of arch kiln dwellings
1.3 试验方案

为模拟不同震源对建筑结构的影响,场地实施多方位、多距离的爆破方案,爆破点位置如图 2所示,爆破点深度及爆破药量如表 1所示。为获得振动荷载下不同结构、不同材料、不同位置的加速度数据,在窑鼻脚部、窑鼻顶部、窑顶拱脚、窑顶拱顶、窑脸处设置xy向加速度传感器(东西方向为x向,南北方向为y向),加速度传感器为941B型超低频振动传感器,频率为0.25—200Hz,所测加速度最大量程为20m/s2,与941型放大器配接后的加速度分辨率为5×10-6m/s2,安装位置如图 3所示,使用G01USB32型数据采集系统对测点数据进行采集,采样频率可达400kHz,采集仪如图 4所示。


图 2 爆破点位置示意 Fig. 2 Location of blasting points
表 1 爆破点位置及爆破药量 Table 1 Location of blasting points and amount of explosive

图 3 加速度传感器位置示意 Fig. 3 Location of acceleration sensors

图 4 数据采集仪 Fig. 4 The data acquisition instrument
1.4 加固措施

对张家口市怀安县各地碹窑走访调研发现,失修碹窑破坏形式主要为窑顶塌落、窑鼻与窑顶连接处破坏、窑脸前倾坍塌等。针对碹窑薄弱部位,结合已有技术(于文等,2007陈宝魁等,2018周铁钢等,2018宋建学等,2018),提出以下加固方案:

(1) 施工测量:测量并记录窑室跨度,窑鼻和外墙高度、宽度,窑顶弧度及窑脸宽度、厚度。

(2) 挖沟、刻槽、钻孔:对窑鼻与外墙底部位置进行挖沟处理,对拟装加固构件位置进行刻槽处理,对需穿墙连接的部位进行钻孔处理。

(3) 构件预制:预制构件包括矩形钢板、A型L形钢板、B型L形钢板、钢板条、A型穿墙螺栓、B型穿墙螺栓、长螺丝钉等,具体参数如表 2图 5所示。

表 2 加固构件参数 Table 2 Parameters of reinforced components

图 5 加固构件示意 Fig. 5 Reinforced components

(4) 构件安装:在窑顶位置安装钢板条支撑,沿进深方向设置6道,相邻钢板条支撑间距相等,钢板条支撑端部固定于夯土墙(窑鼻、外墙)上。窑鼻与外墙底部拐角处设置A型L形钢板,A型L形钢板与外墙、窑脸相接处采用长螺丝钉固定,A型L形钢板与窑鼻接触处采用A型穿墙螺栓固定。窑鼻、外墙顶部与窑顶拱脚交界部位拐角处设置B型L形钢板,B型L形钢板与外墙相接处采用长螺丝钉固定,B型L形钢板与窑鼻接触处采用A型穿墙螺栓固定。窑脸内侧B型L形钢板与窑脸外侧矩形钢板相配合,采用B型穿墙螺栓固定。A、B型L形钢板之间通过端部孔洞采用钢绞线连接,并施加5kN预应力。

(5) 面层处理:对碹窑内部所开沟槽进行回填抹平处理,碹窑内部墙面进行抹灰修缮,碹窑窑脸外部用新砖重砌,覆盖其原有面貌,并对屋顶进行防水处理。

该加固措施主要在原有建筑结构的基础上进行加强,力求不破坏原有构造,加固结构示意如图 6所示。由图 6可知,加固结构加强了窑脸与窑鼻、外墙之间的连接,其中窑脸与外墙通过B型L形钢板与长螺丝钉进行加固,B型L形钢板将窑脸与外墙这2个相互分离的部分联系起来,长螺丝钉起到固定钢板的作用。窑脸与窑鼻之间通过B型L形钢板、矩形钢板、B型穿墙螺栓进行加固,B型穿墙螺栓在紧固过程中对窑脸产生部分预应力,使窑脸主动受拉,进一步提高窑脸与窑鼻之间的连接性能。


图 6 加固结构示意 Fig. 6 The reinforced structure

刻槽及构件安装现场如图 78所示,由图 7可知,窑鼻和窑顶接触面清晰地划分了夯土结构和土坯结构。为解决上述问题,将B型L形钢板上下部位分别采用A型穿墙螺栓或长螺丝钉进行固定,上部与土坯结构固定,下部与夯土结构固定,以此加强2种结构之间的连接性能。


图 7 刻槽阶段 Fig. 7 Grooving stage

图 8 构件安装阶段 Fig. 8 Component installation stage

窑顶加固采用钢板条支撑结构,钢板条在弯曲过程中存在弹性力,并作用于窑顶,形成沿拱顶分布的法向支撑力,这个过程相当于对窑顶施加了预应力,使窑顶受到主动的径向压力。钢板条支撑两端固定于夯土结构上,夯土结构具有良好的受压性能,可直接将荷载竖向传递给基础,实现结构的整体稳定。

图 910所示为加固前后碹窑民居,历时3个月的改造,使得破败的民居焕然一新。


图 9 加固前房屋 Fig. 9 The house before reinforcement

图 10 加固后房屋 Fig. 10 The house after reinforcement
2 加固前后碹窑爆破地震试验结果对比分析

分析碹窑加固前后在爆破地震作用下的响应,以此探究结构加固效果。分别对1—6号爆破点实施爆破,并通过3、4号传感器采集y向加速度频谱,部分加速度频谱如图 11所示。分析频谱发现,加固前,3号爆破点爆破引起的3、4号传感器峰值加速度最大,6号爆破点爆破引起的3、4号传感器峰值加速度最小,由于爆破释放的能量瞬间作用、瞬间消失,所以频谱图中的加速度达到峰值后立即归零。提取各爆破位置处3、4号传感器峰值加速度,并绘制峰值加速度曲线,如图 1213所示。


图 11 3、4号传感器加速度频谱 Fig. 11 Acceleration spectra of no.3 and no.4 sensors

图 12 加固前3、4号传感器峰值加速度曲线 Fig. 12 Acceleration peak curves of no.3 and no.4 sensors before reinforcement

图 13 加固后3、4号传感器峰值加速度曲线 Fig. 13 Acceleration peak curves of no.3 and no.4 sensors after reinforcement

图 12可知,4号传感器峰值加速度大于3号传感器,且约为3号传感器峰值加速度的2倍。3、4号传感器分别安置于土坯窑顶与夯土窑鼻接触面的两侧,由于窑顶与窑鼻结构材料不同,且二者之间无合理连接,爆破荷载下窑顶与窑鼻交界面发生相互错动,振动荷载无法有效传递,致使3、4号传感器峰值加速度存在较大差异。改变爆破位置后,发现3、4号传感器峰值加速度的变化趋势与倍数关系基本不变,4号传感器峰值加速度始终约为3号传感器峰值加速度的2倍。

图 13可知,碹窑加固后,位于窑顶的3号传感器峰值加速度增大,位于窑鼻的4号传感器峰值加速度减小,3号传感器峰值加速度值大于4号传感器,且3、4号传感器峰值加速度更为接近。由此判定,加固结构使得地震作用下窑顶与窑鼻峰值加速度发生变化,使其更加符合单一结构在地震作用下传感器位置与峰值加速度之间的关系,即单一结构同一平面位置,加速度传感器位置越高,峰值加速度越大。由此判定,加固结构可有效增强夯土窑鼻与土坯窑顶之间的连接,提高建筑整体性能。

7、8号加速度传感器分别安置于窑顶与窑脸连接部位的两侧,加固前后分别对1—7号爆破点实施爆破,通过7、8号传感器采集y向加速度频谱,部分加速度频谱如图 14所示。分析频谱发现,加固前,3号爆破点爆破引起的7、8号传感器峰值加速度最大,7号爆破点爆破引起的7、8号传感器峰值加速度最小。提取各爆破位置处7、8号传感器峰值加速度,并绘制峰值加速度曲线,如图 1516所示。由图 15可知,8号传感器峰值加速度曲线波动较大,7号传感器峰值加速度曲线变化较平缓,3号爆破点引起的地震作用使得窑脸处8号传感器y向峰值加速度高达0.827m/s2,而窑顶处7号传感器y向峰值加速度仅为0.273m/s2,由此可知,7、8号传感器峰值加速度曲线无任何相关性,说明窑脸与窑顶相对独立,地震来临时,窑脸与窑鼻、外墙、窑顶极易发生分离,出现窑脸前倾坍塌的危险。又因为7号传感器y向峰值加速度始终小于8号传感器,由此可知窑脸y向刚度小于窑顶y向刚度。


图 14 7、8号传感器加速度频谱 Fig. 14 Acceleration spectra of no.7 and no.8 sensors

图 15 加固前7、8号传感器峰值加速度曲线 Fig. 15 Acceleration peak curves of no.7 and no.8 sensors before reinforcement

图 16 加固后7、8号传感器峰值加速度曲线 Fig. 16 Acceleration peak curves of no.7 and no.8 sensors after reinforcement

针对碹窑窑脸与窑鼻、外墙、窑顶连接性能差的缺陷,加固方案提出将钢板与穿墙螺栓进行拉结,增强结构整体性。由图 16可知,加固后位于窑脸的8号传感器峰值加速度减小了近50.1%,位于窑顶的7号传感器峰值加速度无明显变化,可见该加固方案对窑脸起到了明显的约束作用。加固后7、8号传感器峰值加速度曲线走势较接近,说明加固措施显著增强窑脸与窑顶之间的连接作用。

3 碹窑加固后爆破地震试验结果分析

加固后,分别使用1、2、5、6号传感器拾取不同爆破位置加速度频谱,部分加速度频谱如图 17所示,4号爆破位置1、2号传感器拾取的峰值加速度最小,2号爆破位置5、6号传感器拾取的峰值加速度最大。


图 17 加固后1、2、5、6号传感器加速度频谱 Fig. 17 Acceleration spectra of no.1, no.2, no.5 and no.6 sensors after reinforcement

1、2号传感器分别安置于窑鼻顶部和脚部位置,根据试验方案于不同位置实施爆破,得到如图 18所示的1、2号加速度传感器y向峰值加速度曲线,由图 18可知,1、2号传感器峰值加速度极为相近,平均误差只有12.6%。试验证实加固方案中预应力钢绞线拉结可增强窑鼻y向刚度,从而提高碹窑整体稳定性。


图 18 加固后1、2号传感器峰值加速度曲线 Fig. 18 Acceleration peak curves of no.1 and no.2 sensors after reinforcement

5、6号传感器安置于窑顶与窑鼻交界面的两侧,用于测量x向峰值加速度,如图 19所示。由图 19可知,5、6号传感器峰值加速度随着爆破距离的增大而减小,且差异减小。爆破点与碹窑立面的距离由7.2m减至2m,随着距离的减小,震波逐渐加强,5、6号传感器峰值加速度的差异由23.1%增至33.4%。可见,随着爆破位置逐渐靠近碹窑民居,爆破荷载逐渐强烈,加固结构对于土坯窑顶与夯土窑鼻之间的协调作用逐渐减弱。


图 19 加固后5、6号传感器峰值加速度曲线 Fig. 19 Acceleration curves of no.5 and no.6 sensors after reinforcement
4 结论

(1) 结构加固前,土坯结构与夯土结构构造差异使得二者之间无有效连接,地震来临时,窑鼻与窑顶交界面发生相对错动,使得二者变形无法协调,造成峰值加速度存在较大差异,因此窑鼻与土坯窑顶的接触部位是结构体系中较为薄弱的部位。

(2) 结构加固前,在地震作用下,安置于窑脸和窑顶的传感器峰值加速度曲线无任何相关性,说明窑脸与窑顶相对独立,无任何连接。地震来临时,此部位极易发生破坏。

(3) 结构加固后,在地震作用下,窑鼻与窑顶峰值加速度差异减小,且窑顶峰值加速度大于窑鼻峰值加速度,说明二者同步振动,地震作用可有效传递。窑脸峰值加速度减小了近50.1%,该加固结构对窑脸起到约束作用,由此可知加固措施有效可行。

(4) 对窑鼻单一结构峰值加速度进行分析,可知窑鼻脚部与顶部y向峰值加速度之间的差异仅为12.6%,预应力钢绞线拉结作用对于窑鼻y向刚度起到加强作用。

(5) 随着爆破位置逐渐靠近碹窑民居,爆破荷载逐渐强烈,加固结构对于土坯窑顶与夯土窑鼻之间的协调作用逐渐减弱。

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