木結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能及保護(hù)措施

1、木結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能及保護(hù)措施前言我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家,歷史上曾發(fā)生過多次強(qiáng)烈地震。我國(guó)有12個(gè)抗震防災(zāi)重點(diǎn)防御區(qū),77個(gè)重點(diǎn)抗震城市,其中有許多城市都是歷史古城,有大量的木結(jié)構(gòu)房屋存在,因此對(duì)木結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能及保護(hù)措施的研究十分重要。本文通過分析木結(jié)構(gòu)房屋在地震中的表現(xiàn),研究了在不同烈度地震作用下木結(jié)構(gòu)房屋的震害特性,從木結(jié)構(gòu)房屋的構(gòu)造形式特點(diǎn)出發(fā),并以西安回民保護(hù)區(qū)房屋為例,對(duì)木結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能進(jìn)行了分析,提出了對(duì)木結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)采取的抗震保護(hù)措施。木結(jié)構(gòu)房屋的震害特點(diǎn)分析木結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)骨架是一個(gè)由木柱、木梁(或木屋架)組成的框架結(jié)構(gòu),梁與柱的節(jié)點(diǎn)實(shí)際上是一種半剛性、半鉸接節(jié)點(diǎn),柱底直

2、接擱置于石質(zhì)基礎(chǔ)上,或直接嵌入基礎(chǔ)的凹槽,或?qū)⒛局龀蓽\榫與基礎(chǔ)連接。木框架起承擔(dān)和傳遞屋頂全部荷載的作用,而墻體僅起圍護(hù)空間的作用,在地震作用下,梁柱榫卯連接處摩擦滑移耗能,而柱底轉(zhuǎn)動(dòng)滑移減震, 形成良好的隔震消能結(jié)構(gòu)體系,在小震和中震作用下,震害較輕。木結(jié)構(gòu)房屋中,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的聯(lián)結(jié)均采用榫卯聯(lián)結(jié),雖然榫卯削弱了木構(gòu)件的承載面積,使結(jié)點(diǎn)處的承載力有所下降,但古建筑結(jié)構(gòu)中材料余度很大, 削弱后的木截面面積仍足以承受較大荷載,從而充分利用了半剛性接頭的柔性。榫卯聯(lián)結(jié)不僅改變了結(jié)構(gòu)的特性,而且在地震中由于榫卯接觸面的摩擦, 耗散了地震能量,相當(dāng)于在節(jié)點(diǎn)處安裝了阻尼器,從而減小了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),典型的

3、榫卯結(jié)構(gòu)如圖所示。燕尾榫結(jié)構(gòu),可以承受拉、壓兩個(gè)方向的力。直榫結(jié)構(gòu)的梁能承受極限荷載內(nèi)的壓力,但由于它僅僅是插人柱子中部的矩形孑L中,所以它所能承受的拉力只是榫頭與柱子上榫孔之間的最大摩擦力。當(dāng) 拉力超過最大摩擦力時(shí),榫頭與柱將產(chǎn)生相對(duì)位移, 其結(jié)果是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間出現(xiàn)很大的相對(duì)變形, 這種變形一方面改變了結(jié)構(gòu)的整體性,另一方面也調(diào)整了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配。這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)可取之 處是在地震等動(dòng)力荷載作用下,由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)松動(dòng)和構(gòu)件之間的摩擦吸收了相當(dāng)部分的能量,從而提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力。作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的磚墻,由于它嵌砌在木柱之間,雖然不承受豎向荷載,但能傳遞和承受一定的水平地震荷載,提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)

4、剛度,對(duì)提高結(jié)構(gòu)的抗震能力有一定的作用。除此之外,木結(jié)構(gòu)有良好的受力性能,它對(duì)于瞬間沖擊荷載和周期性疲勞破壞具有良好的延展性,其破壞過程是一個(gè)漸變的屈服過程,當(dāng)房屋在地震中晃動(dòng)時(shí),木結(jié)構(gòu)骨架仍然可以保持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。在高烈度區(qū),存在木構(gòu)架房屋保持主體構(gòu)架屹立不倒的實(shí)例。如1998年張家口地區(qū)發(fā)生的地震中,木結(jié)構(gòu)房屋的破壞是以圍護(hù)結(jié)構(gòu)的倒塌或嚴(yán)重破壞為主,木屋蓋只有極少數(shù)坍塌現(xiàn)象,表現(xiàn)出 良好的抗倒塌性能。木結(jié)構(gòu)房屋圍護(hù)墻、山墻如果采用碎石土或土坯砌成,其結(jié)構(gòu)性較差,在動(dòng)荷載作用下極易開裂、酥散,在中、低烈度地震作用下可能發(fā)生開裂、傾斜甚至倒塌等震害。西安古城有許多木結(jié)構(gòu)房屋,西羊市4號(hào)院民

5、居1,坐落于西大街鼓樓以北西羊市街內(nèi),向南為化 覺巷清真寺,這里是西安穆斯林聚集的地方,人口密 度大,商貿(mào)餐飲業(yè)發(fā)達(dá)。該民居座南面北,分前后兩院,前院有門房、過廳,后院有二門、東西廂房和正廳,現(xiàn)存院落南北長(zhǎng)54m,東西寬11m,平面呈長(zhǎng)方形。門房、正廳均為單層兩坡硬山建筑,正廳為一樓一底,廂房為單坡單層硬山建筑。該院民居大約建于清代晚期,已有約一百多年的歷史。該院民居保存基本完整,木構(gòu)架保存完好,門窗改動(dòng)較大,已非原物,后院地面基本保持原貌,階沿基本保存完整,個(gè)別出現(xiàn)斷裂,前院地面因后期改造已非原貌,屋面由于長(zhǎng)期失修,多已殘破。典型房屋分析4號(hào)院部分平面示意圖在對(duì)4號(hào)院民居進(jìn)行抗震分析時(shí),按8

6、度抗震設(shè)防考慮,對(duì)計(jì)算所得荷載用木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB500052003)進(jìn)行抗彎抗拉承載力驗(yàn)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算以及抗壓承載力驗(yàn)算，采用有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算。木材為TCl3A組,柱的抗壓彎承載力以及穩(wěn)定性均能夠達(dá)到要求;梁的抗彎承載力和抗剪承載力絕大部分都能滿足規(guī)范要求,只有極個(gè)別的小梁抗彎和抗剪承載力較弱。由于填充墻的存在減小了木框架的側(cè)移,即加大了木框架的剛度,在地震時(shí)會(huì)增加整個(gè)框架的地震力。但也由于墻元的存在,它又相當(dāng)于剪刀撐,使得木框架的空間整體性能更好,有利于木結(jié)構(gòu)房屋的抗震,這一點(diǎn)在分析中未考慮,它是結(jié)構(gòu)分析中的安全儲(chǔ)備。通過對(duì)古建木結(jié)構(gòu)房屋的調(diào)查研究和單體房屋的受力分析,認(rèn)為木結(jié)構(gòu)房

7、屋本身具有很多有利于抗震的特性,是一種抗震性能良好的結(jié)構(gòu)形式,但古建木結(jié)構(gòu)房屋大多數(shù)建造年代久遠(yuǎn),抗震能力的好壞受諸多因素的影響,如采用的木材種類、構(gòu)造形式、工匠技藝、保護(hù)措施等,特別是木材的腐朽程度與填充墻體的形式、質(zhì)量和聯(lián)結(jié)措施,對(duì)其抗震能力有很大的影響。木結(jié)構(gòu)房屋抗震存在的問題(1)木柱木梁房屋的高度不宜超過3m。在所調(diào)查的木結(jié)構(gòu)房屋中,其高度均已超過3m;(2)8度和9度時(shí),柱腳應(yīng)采用鐵件或其它措施與基礎(chǔ)錨固。由于現(xiàn)有的木結(jié)構(gòu)房屋大都年代久遠(yuǎn),柱底直接擱置于基礎(chǔ)上或直接嵌入基礎(chǔ)的凹槽,并沒有考慮相應(yīng)的錨固措施;(3)圍護(hù)墻應(yīng)與木結(jié)構(gòu)可靠拉結(jié),土坯、磚等砌筑的圍護(hù)墻不應(yīng)將木柱完全包裹,宜貼砌在木柱外側(cè)。從調(diào)查的情況來(lái)看,這些房屋并沒有做到這一點(diǎn)。(1)對(duì)木材質(zhì)量好,木結(jié)構(gòu)框架強(qiáng)度下降不多、維護(hù)保養(yǎng)較好的房屋,主要是觀察建筑的節(jié)點(diǎn)連接、填充墻材料和砌法及其與木柱的聯(lián)結(jié)方式等,視情況采取構(gòu)件間的拉接和墻體的加固;(2)對(duì)木結(jié)構(gòu)框架的木材已有腐朽、強(qiáng)度下降較多的房屋,或木結(jié)構(gòu)房屋的基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降,或其它強(qiáng)度方面的問題,要進(jìn)行主體的加固措施,