1 引言
夯土類住宅是指以杵等工具將土逐層夯實(shí)的方法建造起來的建筑，是夯土墻體承重建筑和夯土墻體－ 木構(gòu)架混合承重類建筑的總稱。作為生土建筑的一個重要組成部分，傳統(tǒng)夯土類住宅以其低成本、易加工、良好的保溫性和耐久性、優(yōu)異的可再生性等獨(dú)特優(yōu)勢，在我國廣大農(nóng)村地區(qū)大量存在并一直沿用至今。受歷史及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的限制，此類建筑幾乎沒有經(jīng)過正規(guī)設(shè)計，在結(jié)構(gòu)和構(gòu)造方面存在諸多問題，房屋抗震性能與城市房屋相差懸殊，地震中受震害較嚴(yán)重。夯土房屋多為單層建筑，對于此類房屋，通常的做法是把房屋簡化為單質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行分析，此種模型雖能求出結(jié)構(gòu)整體的地震響應(yīng)，但是不能反映縱橫墻連接處、檁墻連接處以及墻體和木構(gòu)架間的受力狀況。而歷次震害表明，這些部位在地震中受震害較重。因此，對該類建筑進(jìn)行抗震分析，既有其迫切性，又有著積極的現(xiàn)實(shí)意義。本文以農(nóng)村地區(qū)現(xiàn)存的夯土類住宅為研究對象，采用有限元數(shù)值模擬分析方法，通過靜力分析和地震反應(yīng)譜分析，探討了其在地震作用下的受力變形特點(diǎn)，找出了結(jié)構(gòu)的薄弱部位，提出了相應(yīng)的改進(jìn)意見，為此類建筑抗震性能的改善提供參考。
2 夯土類住宅的常見結(jié)構(gòu)類型及傳統(tǒng)構(gòu)造做法傳統(tǒng)夯土類住宅根據(jù)其受力特點(diǎn)可分為兩種:
①夯土墻承重房屋; ②夯土墻體－ 木構(gòu)架混合承重房屋( 以下簡稱混合承重) 。
2． 1 夯土墻體承重房屋的常見結(jié)構(gòu)構(gòu)造夯土墻體承重房屋( 圖1 ～ 圖2) 通常把檁條直接放置在夯土墻上，檁上沿垂直方向布椽，椽子上鋪木板或者木條編織物，并在此上面鋪草泥座瓦形成屋蓋，整個屋蓋結(jié)構(gòu)重量由夯土墻體承擔(dān)。整個結(jié)

 

圖1 夯土墻體承重房屋平面圖
Fig． 1 Plane of rammed earth wall load-bearing houses

圖3 夯土墻體－ 木構(gòu)架混合承重房屋平面圖
Fig． 3 Rammed earth walls and wooden framesload-bearing house

圖2 夯土墻體承重房屋1 － 1 剖面圖
Fig． 2 Section 1 － 1 of rammed earth wallload-bearing houses

圖4 夯土墻體－ 木構(gòu)架混合承重房屋1 － 1 剖面圖
Fig． 4 Section 1-1 of rammed earth walls and woodenframes load-bearing houses

構(gòu)荷載傳遞路徑為: 瓦屋面及其附屬荷載→ 椽子→ 檁條→ 墻體→ 墻體基礎(chǔ)。
2． 2 混合承重房屋的常見結(jié)構(gòu)構(gòu)造混合承重房屋( 圖3 ～ 圖4) 屋面結(jié)構(gòu)和墻體承重類住宅類似，不同的是混合承重類房屋僅在端部山墻部位置檁于墻上，由夯土山墻來承受屋面荷載，而中間不設(shè)夯土橫墻，改由木構(gòu)架來承擔(dān)檁條傳遞而來的屋面荷載。該類房屋邊排木柱多內(nèi)置或半嵌于夯土墻體中，俗稱“頂梁柱”。整個結(jié)構(gòu)荷載傳遞路徑為: 瓦屋面及其附屬荷載→ 椽子→ 檁條→墻體或木構(gòu)架→ 墻體基礎(chǔ)或柱礎(chǔ)。夯土類住宅墻體采用版筑法逐層夯筑，因而具有很好的整體性。墻體夯筑所用材料一般就地取材，墻厚一般在300mm ～ 500mm，檁沿墻近似等距分布，直徑在150mm ～ 250mm 之間，窗洞口尺寸一
般為900mm × 1200mm( 寬× 高) 。本文以農(nóng)村地區(qū)上述兩種典型夯土類住宅為研究對象進(jìn)行分析。對于夯土墻體－ 木構(gòu)架混合承重類夯土建筑而言，木構(gòu)架各構(gòu)件之間的連接對確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件間協(xié)同工作和結(jié)構(gòu)的整體性至關(guān)重要。常見的一些連接
構(gòu)造見圖5 所示。
2． 3 夯土類住宅屋蓋的傳統(tǒng)構(gòu)造做法夯土類建筑分布廣泛，各個地區(qū)的屋面做法有著各自不同的特點(diǎn)。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)在農(nóng)村地區(qū)該類屋面做法主要有兩種，見圖6 所示。

圖5 木構(gòu)架檁條接頭連接構(gòu)造
Fig． 5 Purlin joint connecting construction of wooden frames

3 夯土類住宅荷載取值及有限元模型建立為了獲得夯土房屋整體結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在地震作用下的響應(yīng)，本文采用有限元分析方法對夯土房屋建立整體模型，分別考慮縱、橫方向地震作用，采用振型分解反應(yīng)譜法來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為精細(xì)的分析。
3． 1 屋面荷載的取值夯土房屋屋面的通常做法如圖6 所示，在此以圖6( b) 為例進(jìn)行計算。該屋面瓦、草泥重量通過椽
子傳遞到檁條上，再由檁條傳遞給夯土墻體。為了便于分析，本文把整個屋面及木屋架的荷載轉(zhuǎn)換為木檁的等效密度［1］，施加在木檁條上。
3． 2 有限元模型的建立根據(jù)常見夯土類建筑的構(gòu)造特點(diǎn)，本文在分析中做了如下假定: 夯土墻體為連續(xù)均勻介質(zhì)，采用基
于Drucke-Prager 屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型; 木材視作彈性體，但考慮各項(xiàng)異性; 墻體和檁條連接位置、房屋底部和基礎(chǔ)之間不存在相對位移?？紤]到此類房屋的構(gòu)造做法，對于混合承重結(jié)構(gòu)的邊柱和墻體接觸部位放松豎向約束。由于傳統(tǒng)木構(gòu)件之間的連接多采用榫卯連接，該連接具有比剛性連接弱而比鉸接強(qiáng)的特點(diǎn)，故在分析中采用半剛性連接來建立計算模型時，夯土墻體厚度取400mm，墻體密度為1． 9 × 103 kg /m3 ，木檁取等效密度8496．58kg /m3 ，夯土墻彈性模量［2］取6． 9 × 107 Pa，泊松比0. 347，粘聚力35． 3kPa，內(nèi)摩擦角25． 3°。木檁直徑取180mm，木柱直徑取120mm。木材
順紋彈性模量9 × 109 Pa，泊松比0． 3，其它方向模量按其和順紋彈性模量的關(guān)系［3］ 來取值。根據(jù)現(xiàn)有研究成果［2］，半剛性連接參數(shù)Kx = 1． 26 × 109 kN /m，Ky = Kz = 1． 41 × 109 kN /m，Kθ = 1． 5 × 103 kN /m，結(jié)構(gòu)阻尼比取0． 05。假定建筑處于七度區(qū)II 類場地，水平地震影響系數(shù)［4］最大值αmax = 0． 08。4 夯土類住宅在靜力作用下的受力變形特點(diǎn)傳統(tǒng)夯土類住宅因考慮保溫要求，屋蓋通常較為厚重; 因夯土墻體強(qiáng)度較小故墻體厚度較大，因此自重對結(jié)構(gòu)影響顯著。為了獲得兩種結(jié)構(gòu)在靜力作用下的受力變形特點(diǎn)，本文在建立上述模型基礎(chǔ)上，采用對結(jié)構(gòu)施加重力作用的方法加以實(shí)現(xiàn)。由分析可知，在重力作用下，墻體承重和混合承重結(jié)構(gòu)Z 向( 豎向) 位移最大，最大位移均發(fā)生在檁條跨中附近，位移大小分別為6． 55mm 和6． 80mm，均滿足規(guī)范［5］關(guān)于構(gòu)件最大位移不超過L /250 ( 約14. 4mm) 的要求。兩類結(jié)構(gòu)其他兩個方向最大位移在0． 7mm 左右，位移較小。這也說明了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)構(gòu)件在選材上有較大余度。

圖7 夯土類住宅有限元分析模型
Fig． 7 Finite element model of rammed earth buildings

表2 夯土類住宅低階頻率
Table 2 The low － order frequencies of rammed earth buildings由結(jié)構(gòu)低階頻率及振型可以看出，夯土墻體承重結(jié)構(gòu)1 階振型為結(jié)構(gòu)沿縱向振動，5階為橫向振動，結(jié)構(gòu)縱向基本周期Tx = 0． 35s 左右，結(jié)構(gòu)橫向基本周期Ty = 0． 28s 左右; 混合承重結(jié)構(gòu)1 階振型為橫向振動，3階為縱向振動，結(jié)構(gòu)縱向基本周期Tx =0． 35s 左右，結(jié)構(gòu)橫向基本周期Ty = 0． 70s 左右。
5． 2 地震反應(yīng)譜分析在求得結(jié)構(gòu)各階頻率參數(shù)的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行地震反應(yīng)分析。根據(jù)場地特征周期由地震影響系數(shù)
曲線［3］計算出地震影響系數(shù)，進(jìn)而得出施加在結(jié)構(gòu)

圖9 混合承重結(jié)構(gòu)前5 階振型
Fig． 9 The first five vibration mode of mixed load-bearing houses www.

圖10 夯土類住宅X 方向地震作用下結(jié)構(gòu)沿X 方向位移云圖
Fig． 10 Displacement nephogram along X under earthquakes in direction X for rammed earth buildings

圖11 夯土類住宅Y 方向( 橫向) 地震作用下結(jié)構(gòu)沿Y 方向位移云圖
Fig． 11 Displacement nephogram along Y under earthquakes in direction Y for rammed earth buildings

的作用; 對于混合承重結(jié)構(gòu)來說，檁條和木構(gòu)架之間的連接對確保屋蓋結(jié)構(gòu)整體性，協(xié)調(diào)整個結(jié)構(gòu)變形同樣至關(guān)重要。由分析可得兩種常見結(jié)構(gòu)檁－ 墻間
剪力分配如圖12 ～ 圖13 所示。

圖12 墻體承重房屋X 向地震下檁－ 墻間剪力分配
Fig． 12 Shear distribution of purlin-wall forrammed earth wall load-bearing houses underearthquakes in direction X
由于傳統(tǒng)夯土類住宅屋蓋檁條上密布椽子，在地震作用下，椽子對各排檁條間變形起協(xié)調(diào)作用，致使邊排檁分擔(dān)了較多的檁－ 墻間剪力，各排檁所分擔(dān)的檁－ 墻間剪力呈現(xiàn)出由兩側(cè)向中間逐漸遞減的趨勢。而②、③軸線由于受荷面積較大因此分擔(dān)了較多的檁－ 墻間剪力。
6 夯土類住宅的加固及改進(jìn)措施針對上述兩類夯土建筑在分析中出現(xiàn)的問題，本文認(rèn)為可以從幾個方面著手加以改進(jìn)，以提升其使用功能。
( 1) 混合承重結(jié)構(gòu)增設(shè)墻頭梁。對于現(xiàn)有混合承重夯土類住宅，為了減小結(jié)構(gòu)在橫向地震作用下縱墻頂部的變形，減小木柱和墻體之間的相互作用，

圖13 混合承重房屋Y 向地震下
檁－ 墻、檁－ 木構(gòu)架間剪力分配
Fig． 13 Shear distribution of purlin-wall andpurlin-wooden frames for mixed load-bearinghouses under earthquakes in direction Y
本文建議通過在縱墻頂面設(shè)置如圖14 所示的“墻頭梁”或者“木圈梁”來加以解決。
( 2) 檁墻連接位置設(shè)置墊塊。在靜力作用下，夯土類住宅檁－ 墻連接位置存在較大的局壓應(yīng)力，而夯土墻體承重結(jié)構(gòu)由于中間橫墻受荷面積較大而表現(xiàn)的更為明顯; 在地震作用下，中間橫墻又分擔(dān)了較大的檁－ 墻間剪力，這對于夯土這種低強(qiáng)度的脆性材料來說是極為不利的。為了減小檁－ 墻之間連接部位過大的局部壓應(yīng)力，增強(qiáng)檁墻間連接的可靠
性，本文建議可采用圖15 所示增設(shè)墊塊的方式來加以改進(jìn)。
( 3) 山墻中部縱向地震下外凸的改進(jìn)方法。由于山墻高厚比較大，墻體沿縱向缺乏約束，兩類結(jié)構(gòu)在縱向地震作用下山墻中部出現(xiàn)“起鼓”現(xiàn)象。而山墻頂面由于受檁條約束，在檁－ 墻連接處將產(chǎn)生較大的相互作用，這對檁－ 墻連接是不利的。對此，本文建議通過加設(shè)如圖16 所示的壁柱或扶壁來加以改進(jìn)。

圖16 山墻扶壁或壁柱設(shè)置示意圖( 以混合承重結(jié)構(gòu)為例)
Fig． 16 Pilaster or buttress that furnished on the surface of gable ( take mixed load-bearing building as example)
( 4) 檁條和木構(gòu)架間連接加強(qiáng)措施。對于混合承重結(jié)構(gòu)而言，檁條和木構(gòu)架之間的連接可靠與否對保證結(jié)構(gòu)的整體性以及兩者之間的協(xié)同工作起著至關(guān)重要的作用。然而在現(xiàn)有一些連接方式中，檁－ 柱間連結(jié)僅靠重力作用來實(shí)現(xiàn)，這些做法在靜力
作用下對結(jié)構(gòu)影響不大，但是在地震作用下將對結(jié)構(gòu)受力造成不利影響，甚至引起結(jié)構(gòu)倒塌破壞。因此，在不改變其連接半剛性特點(diǎn)的前提下對該節(jié)點(diǎn)增設(shè)直角支撐，以提高連接的可靠性，進(jìn)而提升整個結(jié)構(gòu)的抗震性能。
此外，由于夯土墻體多采用板筑法，在縱橫墻連接部位采用交錯搭接連接，連接較為薄弱。而縱橫墻連接部位是地震作用下約束墻體平面外變形，保證結(jié)構(gòu)整體性的重要部位，因此可在墻體中每隔一定高度增設(shè)竹筋、藤條等拉結(jié)措施予以加強(qiáng)。
7 結(jié)論
本文對農(nóng)村夯土類住宅兩種常見結(jié)構(gòu)形式—墻體承重建筑和夯土墻體－ 木構(gòu)架混合承重建筑，分別建立有限元模型進(jìn)行分析，通過分析獲得以下主
要結(jié)論:
( 1) 靜力分析發(fā)現(xiàn)檁－ 墻連接部位存在著較大的局壓應(yīng)力，這在墻體承重結(jié)構(gòu)中更為明顯，其峰值應(yīng)力是墻底平均應(yīng)力值的3 倍以上，這對身為脆性材料的夯土墻體是極為不利的。
( 2) 通過結(jié)構(gòu)頻率及振型的求解計算，獲得了結(jié)構(gòu)的低階頻率及振型。墻體承重結(jié)構(gòu)1 階沿縱向
振動，5階為結(jié)構(gòu)沿橫向振動; 混合承重結(jié)構(gòu)1 階為橫向振動，3階為結(jié)構(gòu)沿縱向振動。
( 3) 通過對兩個薄弱方向施加地震作用，探討了傳統(tǒng)夯土類住宅在地震作用下的受力變形特點(diǎn)，分析表明，縱向地震作用下夯土類住宅山墻中部位移最大，發(fā)生“起鼓”現(xiàn)象，
( 4) 針對夯土類住宅在地震作用下的受力變形特點(diǎn)，本文提出在檁－ 墻連接部位設(shè)置墊塊來減小該部位的局壓應(yīng)力，進(jìn)而確保屋蓋結(jié)構(gòu)和墻體協(xié)同工作; 在山墻端部設(shè)置“壁柱”或“扶壁”來增強(qiáng)山墻的橫向抗側(cè)剛度，進(jìn)而減小其中部變形; 在混合承重結(jié)構(gòu)縱墻頂面設(shè)置墻頭梁來減小其橫向變形，同時減小木柱和墻體間的相互作用力; 在混合承重結(jié)構(gòu)中檁條－ 木構(gòu)架節(jié)點(diǎn)設(shè)置直角支撐以增強(qiáng)連接的可靠性。