具有可靠抗震性能的農(nóng)居房屋設(shè)計

范雷彪，李嘉昕，任 忠

（包頭市地震局，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

具有可靠抗震性能的農(nóng)居房屋設(shè)計

范雷彪，李嘉昕，任 忠

（包頭市地震局，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

從減少地震波吸收的角度考慮建筑物的安全性，對提升普通農(nóng)居房屋的抗震性能提出一種新的設(shè)計思路。具體做法：一是設(shè)計并應用了新的建筑構(gòu)件承載結(jié)構(gòu)棒和新結(jié)構(gòu)砌塊磚；二是將框架結(jié)構(gòu)技術(shù)有效應用到普通房屋的建造中，使普通農(nóng)居房屋具有了框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固作用效果；三是對墻體磚塊采用捆綁加固手段，并將房屋的墻體結(jié)構(gòu)和屋頂結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整體式連接；四是對地基結(jié)構(gòu)進行改進，采用了減震和隔震手段。通過上述做法既加強了墻體強度，消除了應力集中的可能性，同時通過減輕屋頂重量達到降低、緩解地震作用力的目的。

承載結(jié)構(gòu)棒；PPR管；砌塊磚；捆綁鉛絲；新結(jié)構(gòu)抗震房屋

0 引言

我國目前尚有4億多人口居住在缺少抗震設(shè)防要求的一般性自建房屋中，這種情況的存在對全國的整體抗震救災水平構(gòu)成極大制約，在此地區(qū)一旦遇有中強地震發(fā)生必將產(chǎn)生嚴重破壞，對生命財產(chǎn)會造成極大的危害。為此，2006年由國家地震局和建設(shè)部共同提出了“安全農(nóng)居工程”項目，以此來提升全國的總體抗震救災水平，貫徹落實該項目關(guān)鍵是在技術(shù)上要有相應的支持，為其提供一套既安全又經(jīng)濟的實用技術(shù)方案是先決條件，筆者依據(jù)這一想法提出新結(jié)構(gòu)抗震房屋的設(shè)計。

1 承載結(jié)構(gòu)棒的形狀結(jié)構(gòu)

承載結(jié)構(gòu)棒是一根外徑為?6cm，內(nèi)徑?3cm，中間空腔由8道放射筋構(gòu)成的PPR管件。對其中間空心部分用瀝青灌實，這樣做既可增強結(jié)構(gòu)棒的整體強度（瀝青在常溫狀態(tài)下呈脆性），又使其具有重量輕、強度高、彈性好的優(yōu)點（圖1）。

1.1 承載結(jié)構(gòu)棒的重量

單根管的長度為6m，PPR的比重為0.94，其壁厚和放射筋寬度均為h＝2.0mm。

截面積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。

圖1 承載結(jié)構(gòu)棒截面圖

瀝青的比重為0.9，用量 W＝1.5×1.5×3.14×0.9×600／1000＝3.81kg?？傊亓浚?.54＋3.81＝8.35kg，單位長度重量：8.35／6≈1.39（kg／m）。

1.2 承載結(jié)構(gòu)棒的造價

PPR管的原材料價格為8.5元／kg，型材的成本價應為10元／kg，則承載結(jié)構(gòu)棒的成本價J＝4.54×10＝45.4（元）。

瀝青的價格為2400元／t，即2.4元／kg。成本價J＝3.81×2.4＝9.1（元）。

總造價：45.4＋9.1＝54.5（元），單位價格：54.5／6＝9.08（元／m）。

以此成本價推測出未來的市場價應在10.0元／m左右。

2 砌塊磚的形狀及尺寸

新結(jié)構(gòu)砌塊磚是由墻體磚和專用角磚2部分組成的。

2.1 墻體磚

墻體磚其長、寬、高分別為45c m、27c m、24c m，該磚的外形尺寸、內(nèi)腔結(jié)構(gòu)都與現(xiàn)行的長方體砌塊空心磚有著較大差別（圖2）。其特征：（1）磚體的前端呈棱角凸出，后端有燕尾凹口，磚體在壘放時須有方向一致性要求，凸出部分對齊燕尾凹口。（2）磚體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由一道隔離體將整個腔體分割成2個不對稱的空腔。砌塊磚這樣設(shè)計目的有三：一是為了保證每塊磚之間在左右都能有嚙合。二是能讓捆綁鉛絲從底部穿過墻體的一側(cè)空腔伸到墻體頂部與另一端捆綁鉛絲匯合，將整個墻體進行捆綁。三是能讓磚塊的一側(cè)空腔體內(nèi)預先填充好泡沫板起保溫作用，另一側(cè)可采用縱向灌漿方式對墻體粘接。

圖2 墻體磚立體圖

2.2 角磚

圖3 墻體角磚的平面俯視圖

角磚的外形和墻體磚的外形相似，也有凸沿和凹口，其尺寸長、寬、高分別為45c m、35c m、24c m（圖3）。角磚的設(shè)計是考慮到建筑物在受到地震力作用時，墻角是最易形成應力集中的地區(qū)，也是易出現(xiàn)松散、倒塌的地方，采用一體結(jié)構(gòu)的角磚后對保障墻體的整體結(jié)構(gòu)強度會有很好的效果。碼放磚時要考慮到磚的錯位、對接，所以角磚碼放時要按“先順時針碼放一圈，再逆時針疊壘碼放一圈”的方法。

3 新結(jié)構(gòu)抗震房屋施工中的具體要求

3.1 地基的壘砌要求

新結(jié)構(gòu)抗震房屋的地基壘砌要求與普通抗震房屋存在一定差別，地基結(jié)構(gòu)采用的是一種“四角扎根中間松”的方式，即在地基的四角處需先開出一定深度的地槽坑，然后用混凝土灰漿對毛石基礎(chǔ)澆注做堅固處理，使其形成一個牢固的基礎(chǔ)墩，同時將一段承載結(jié)構(gòu)棒以豎直狀預埋在其中。墻體下的基礎(chǔ)不與四角處地基相連，有一定的間隔距（5～8c m），坐落在一個夯實的砂坑槽中，用普通方體磚直接堆砌而成，在方磚的上下層分別撒上一層粗粒砂（做隔震處理），表層用砂灰與地基找平即可，不需灌實加固，其只起簡單的支撐作用（圖4）。

圖4 結(jié)構(gòu)棒的布設(shè)及地基結(jié)構(gòu)的主、俯視圖

在地基完成后先在其上以1.5m的間隔距縱向布設(shè)? 10的短鋼筋段，并在鋼筋段的兩端綁接8＃鉛絲。接著對4根豎直結(jié)構(gòu)棒套一個專用直角連接輔件——直角箍（圖5），用該連接輔件將豎直結(jié)構(gòu)棒與橫向結(jié)構(gòu)棒套接，形成一個長方體的框架結(jié)構(gòu)棒圈。之后對底圈結(jié)構(gòu)棒的一側(cè)填以12m×6m的實體磚塊（因為水平結(jié)構(gòu)棒是靠一側(cè)鋪設(shè)的，另一側(cè)有空距），并用砂漿灰將整體頂面找平以待砌磚，同時對結(jié)構(gòu)棒的所有連接處除用膠粘接外還需插入2～3道銷釘，起到加固連接的作用。

圖5 直角箍主、俯視圖

結(jié)構(gòu)棒的這種橫向、縱向立體框架設(shè)置相當于在墻體中設(shè)置了簡易構(gòu)造柱和框架剪支梁的作用，它能起到替代現(xiàn)行房屋施工中用上下圈梁和構(gòu)造柱來加固的作用效果，據(jù)有成本低易操作的特性。

3.2 墻體的壘砌

墻體的壘砌中首先是將直角磚套入豎置結(jié)構(gòu)棒中，然后按照砌塊磚的嵌入方向要求逐一碼放各層磚塊，在碼放前將捆綁鉛絲盤成團，讓外端捆綁鉛絲穿過磚體的中間空腔，隨著墻體鉛絲團的升高逐漸伸展，待墻體砌到一定高度后（2～3層）對砌塊磚外側(cè)空腔體和角磚的直角空腔部分灌入砂漿灰，隨著墻體的增高，結(jié)構(gòu)棒也用連接管箍逐段遞增。內(nèi)端捆綁鉛絲滯留在原位，待墻體完成后在頂端與墻體內(nèi)捆綁鉛絲匯合，由于室內(nèi)墻面均需抹灰找平，所以內(nèi)側(cè)捆綁鉛絲將會被壓在墻面中，既不會生銹也不會影響美觀。

3.3 屋頂?shù)氖┕ぜ夹g(shù)

在墻體完成后，第一步，在屋頂面鋪設(shè)一層8c m×8c m棱形孔絲網(wǎng)，并在其上蓋一層尼綸絲布，之后和地基處理方式一樣在豎直承載結(jié)構(gòu)棒上套上直角連接件，連接結(jié)構(gòu)棒沿墻體的上端轉(zhuǎn)圈布設(shè)一周（起到上圈梁的作用）；第二步，連接捆綁鉛絲，將墻體內(nèi)端捆綁鉛絲穿過絲網(wǎng)和上端結(jié)構(gòu)棒與內(nèi)墻端捆綁鉛絲匯合擰緊；第三步，上端結(jié)構(gòu)棒布設(shè)完成后，在兩個橫向結(jié)構(gòu)棒上，以60c m間隔距逐一布設(shè)一個專用附件定位托（圖6），并用砂漿灰將其和磚面找平，之后在托座上按縱向放設(shè)若干根結(jié)構(gòu)棒，隨后再鋪設(shè)第二層8c m×8c m棱形孔絲網(wǎng)；第四步，在縱向承載結(jié)構(gòu)棒上以30c m的間隔距布設(shè)? 14的鋼筋，每道鋼筋均與結(jié)構(gòu)棒及絲網(wǎng)用綁絲連接擰緊，同時在每道鋼筋的中間點位也用垂吊綁絲將其與絲網(wǎng)連接，這樣在60c m×60c m的面積內(nèi)絲網(wǎng)與結(jié)構(gòu)棒和鋼筋就有6個連接點；第五步，混凝土澆筑，完成上述任務后就可以直接澆筑8c m厚的混凝土。雖然在0.36m2面積上混凝土的重量為92.2k g，但由于結(jié)構(gòu)棒具有一定的強度，因此只要在下端置兩排橫擔，分別用幾根支柱支撐起就可以保證整屋頂面的平整度，此工藝既可節(jié)省出鋼模板的使用費用、人工費用還節(jié)省工期。

圖6 結(jié)構(gòu)棒定位托

3.4 新結(jié)構(gòu)屋頂?shù)膹姸?/h3>

根據(jù)所設(shè)計的布設(shè)方式，承載結(jié)構(gòu)棒每60c m為一個承載單元（? 14拉筋起到支撐點的作用），將結(jié)構(gòu)棒簡化為簡支梁，因此其最大彎矩值為：

Mmax＝q L2／8＝q×0.36／8＝0.045q，q為作用載荷。

抗彎截面系數(shù)WZ的計算：處于簡化和安全性考慮，將結(jié)構(gòu)棒的截面形狀按空心圓計算，這樣根據(jù)公式：WZ＝π D3／32（1－?4）可計算抗彎截面系數(shù)，其中：?為內(nèi)外直徑的比值，?＝d／D＝56／60。

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

按彎曲強度條件Mmax≤［б］WZ可計算出允許承受的均布荷載q。其中［б］為許應力，可根據(jù)材料手冊中查到其值為45×106。這樣有0.045q≤45×106×5110.6×10－9，q≤5110.6（N／m）。

按設(shè)計要求承載結(jié)構(gòu)棒實際所受的均布載荷為0.6m／70k g。q′＝700／0.6＝1166.7（N／m）。安全系數(shù)η＝q／q′＝5110.6／1166.7＝4.38。由此數(shù)據(jù)結(jié)果可看出應用承載結(jié)構(gòu)棒完全可以滿足工程需要。

4 新結(jié)構(gòu)抗震房屋與普通抗震房屋的成本造價比較

新結(jié)構(gòu)抗震房屋與現(xiàn)行普通抗震房屋兩者的差別是采用了結(jié)構(gòu)棒作為上下圈梁和構(gòu)造柱的替代件，兩者在墻體部分的用料和成本基本相當，因此用屋頂、圈梁及構(gòu)造柱部分進行比較即可得出兩者間的差價。以一個12m×6m＝72m2的平房建筑為例進行比較計算。

4.1 現(xiàn)行普通抗震房屋頂?shù)脑靸r

其成本由上圈梁、下圈梁、樓板構(gòu)造柱3部分構(gòu)成，包括：圈梁澆筑，鋼筋、混凝土用量。

（1）上下圈梁的成本

圈梁的總長度L＝12×4＋6×4＝72m；圈梁的截面積S＝30c m×30c m＝0.09m2；體積V＝0.09×72＝6.48m3。以包頭地區(qū)市場參考價圈梁的單位造價為800元／m3（包括材料、人工、鋼模板），成本造價J＝6.48×800＝5184（元）。

（2）屋頂?shù)某杀?/p>

屋頂?shù)慕ㄖ娣eS＝72m2；厚度＝10c m；體積V＝7.2m3；以包頭地區(qū)的市場混凝土的單位造價為800元／米3（包括人工費、材料、鋼模板），成本造價J＝800×7.2＝5760（元）。

（3）構(gòu)造柱的成本

構(gòu)造柱的總長度L＝3×4＝12m；每根的截面積S＝20c m×20c m＝0.04m2；體積V＝0.04×12＝0.48m3。單位造價800元／m3計算，造價：J＝0.48×800＝384（元）。

總造價為：5184＋5760＋384＝11328（元）

4.2 新結(jié)構(gòu)抗震房屋的成本造價

抗震結(jié)構(gòu)房屋的成本由結(jié)構(gòu)棒、鋼筋、混凝土用量、絲網(wǎng)及輔件5部分組成。

（1）結(jié)構(gòu)棒

結(jié)構(gòu)棒在樓板中用18根，每根長6m，4根豎置的構(gòu)造柱，每根長3m，上下圈梁共用12×4＋6×4＝72m?？傞L為18×6＋4×3＋72＝192m，前面已估算結(jié)構(gòu)棒的市場指導價為10.0元／m，則192m的總造價：192×10.0＝1920（元）。

（2）鋼筋

使用? 14的鋼筋，需10根，每根12m，共需10×12＝120m，? 14的鋼筋單位重量為1.2k g／m，市場參考價3600元／t，即3.6元／k g。3.6×1.2＝4.32（元／m）。120m造價為120×4.32＝518.4元。

（3）混凝土

由于加入了結(jié)構(gòu)棒，屋頂混凝土的厚度只需達到8c m就可滿足需求。樓板的總體積減去結(jié)構(gòu)棒的體積為混凝土的用量，即：72×0.08－10×6×8.05／10000＝5.71m3，混凝土的單位造價也是800元／m3（包括人工費、材料、鋼模板），總價為J＝800×5.71＝4568（元）。

（4）絲網(wǎng)

絲網(wǎng)的市場價參考為5元／m2，造價為72×5×2＝720（元）。

（5）輔件

輔件有連接管箍、直角三通接頭和定位托、尼綸絲布及捆綁鉛絲。連接管箍每個2元，需用30個，共60元；三通接頭需用8個，每個價格10元左右，需80元；定位托36個，每個約2元；總成本價212元。尼綸絲布的單價為0.5元／m2，72×0.5＝36（元）。捆綁鉛絲的費用：總用量150m，鉛絲每盤200m，約150元。

這樣總價：1920＋518.4＋4568＋720＋212＋36＋150＝8124.4（元）。

兩者相比差：11328－8124.4＝3203.6（元）。

在新結(jié)構(gòu)與普通抗震結(jié)構(gòu)對比中均沒有涉及到墻體的施工費，在兩種結(jié)構(gòu)中該項費用是相同的，因此新結(jié)構(gòu)要比普通抗震結(jié)構(gòu)省錢。

5 新結(jié)構(gòu)抗震房屋具有的抗震作用

5.1 新結(jié)構(gòu)抗震房屋墻體的減震作用

在現(xiàn)行的各類磚砌結(jié)構(gòu)中，磚塊都是采用橫向逐一碼放方式，這種碼放方式將墻體砌成了實體結(jié)構(gòu)，當?shù)卣鸩▉硪u時，磚塊受到墻體的擠壓力作用必然破裂，從而直接影響到墻體的強度。在新結(jié)構(gòu)抗震房屋中，砌塊磚以縱向插入式碼放，當遭受縱向地震波作用時，由于磚體的橫向間留有一定的間隙（葉尾槽略長于凸沿約0.5c m），該間隙使砌塊磚間有了相對活動余量，使磚塊隨地震波振動時也能做縱向錯動，因而不會在磚體間形成擠壓作用，加之墻體在上下端均有承載結(jié)構(gòu)棒連接，它屬柔性結(jié)構(gòu)不會對墻體有限制作用，使得整個墻體成為一個柔性體。遇有橫向地震作用時，由于在墻體中添加了綁絲，就整個房屋而言它已成為一個比較理想的彈性體。如果地震波是從EW方向襲來，那么EW向的兩面墻會隨著振動作用做擺動，N S走向的兩個墻面產(chǎn)生錯動；同理地震波從N S向襲來，N S向的兩面墻體呈擺動變化，EW向墻體呈錯動變化?？傊徽搲w出現(xiàn)向內(nèi)、外傾斜的變化，還是錯動變化，都不會影響墻體的整體性結(jié)構(gòu)，原因是各種變化都在一個整體框架內(nèi)呈彈性變化，顯然這種柔性結(jié)構(gòu)墻體不會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，對保護墻體強度能起到理想的效果。在地震波作用過后由于結(jié)構(gòu)棒具有較強的彈性，房屋會很快恢復原位，這種看似松散的結(jié)構(gòu)實際起到松而不散的效果。據(jù)相關(guān)資料介紹，坐落在堅硬土層的普通低矮平房，對其產(chǎn)生作用的地震波主要是高頻、短周期部分，這種高頻、短周期的波遇有一定的緩沖余量后其作用效果會衰減很大，因此新結(jié)構(gòu)對保護建筑物的完好性會有更好的效果。

5.2 地基的減震作用

在新結(jié)構(gòu)抗震房屋中地基的設(shè)計方式主要是從最大限度地減少建筑物對地震波的吸收方面考慮的。因為地震波是在以波動的方式傳播中發(fā)揮作用的，當其經(jīng)過蓋有建筑物的地表時建筑物也隨即跟著做起伏振動，在振動過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與波及面的面積呈正比，如果波及面積小，產(chǎn)生出的地震作用力自然就小。在本項設(shè)計中，建筑物只有四角處以點接觸的方式接觸地震波，其接受能量的面積要比傳統(tǒng)的布設(shè)方式會小許多。另一方面由于在建筑物墻體下設(shè)有兩層隔震層，遇地震波作用時兩隔震層對地基會產(chǎn)生滑動作用，相當于在建筑物中安裝有減震器的效果，起到消減、阻隔地震波的作用。據(jù)《房屋建筑抗震設(shè)計》介紹這種隔震效果可減少65%的地震波的吸收量。

5.3 屋頂?shù)臏p震作用

普通房屋在地震作用中的受力狀況屬單質(zhì)點彈性體系，既符合關(guān)系式FEK＝μΒ G，式中：μ—地震系數(shù)；Β—動力系數(shù)；G—建筑物的重力載荷代表值。對于普通平房，G值就是屋頂?shù)闹亓?。在這種單質(zhì)點彈性體系中墻體受到的剪切力的大小除地震因素外就是來自屋頂?shù)闹亓浚绻芙档臀蓓斨亓烤拖喈斢跍p輕了地震作用力。由前述新結(jié)構(gòu)抗震房屋與普通抗震房屋對比的建筑實例中得知，新結(jié)構(gòu)房屋屋頂?shù)目傮w積為5.76m3（包括混凝土和結(jié)構(gòu)棒的體積）。而普通抗震結(jié)構(gòu)房屋的屋頂厚度為10c m，混凝土用量為7.20m3。這樣總體積量減少了1.44m3，即重量減少1.44×3.2＝4.61t。地震作用力的大小與屋頂?shù)闹亓坑嘘P(guān)，按此數(shù)據(jù)推算地震作用力的減少，則有：F1／F2＝W1／W2＝4.61／7.2×3.2×100%＝20%（結(jié)構(gòu)棒的重量忽略）。也就是說，新結(jié)構(gòu)抗震房屋受到的地震作用力僅為普通抗震房屋的80%。

6 結(jié)束語

由于受習慣性思維的影響，我們目前在建筑物抵御地震力破壞的認識方面上仍局限在“硬抗硬”的思維模式中，認為只有“抗”才是御震的唯一方法。其實不然，通過仔細分析地震波的作用過程就會發(fā)現(xiàn)，如采用好適當?shù)慕ㄖY(jié)構(gòu)，在地基上應用恰當?shù)母粽?、減震技術(shù)，會起到更理想的防震效果，這樣做起到的抗震效果要比單純采用“硬抗”（即加強結(jié)構(gòu)強度），更理想，更經(jīng)濟實用。就本文提出的設(shè)計方案而言，看似簡易的結(jié)構(gòu)卻柔中帶剛，恰好適合抵御各種周期的地震波的破壞，在抗震效果上會超過普通抗震設(shè)防的標準，而且在經(jīng)濟上成本更加低廉，在技術(shù)上更加簡單易于掌握。

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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（漢族），高級工程師，從事地震觀測及工程抗震研究.E-mail：fanleibiao.1962＠163.com