云南農(nóng)村土木結(jié)構(gòu)房屋有限元抗震分析*

肖梅玲，葉燎原，劉本玉，冉 睛，張 童

(1.云南大學城市建設與管理學院，云南昆明650091;2.云南師范大學，云南昆明650092)

云南農(nóng)村土木結(jié)構(gòu)房屋有限元抗震分析*

肖梅玲1，葉燎原2，劉本玉1，冉 睛1，張 童1

(1.云南大學城市建設與管理學院，云南昆明650091;2.云南師范大學，云南昆明650092)

根據(jù)2007年6月3日寧洱6.4級地震現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，對破壞較嚴重的土坯房建立了地震分析模型。對不同的開間、進深及檐口高的房屋，輸入了3類場地超越概率為63%及超越概率為3%的地震波進行了有限元抗震分析。結(jié)果表明:墻厚影響不大，墻高的影響較大，墻高增加，破壞性增加;因此建議在滿足使用功能的前提下，不增加墻厚，而減少層高對抗震更為有利，最后提出了相應的抗震加固措施。

土坯房;主拉應力;層間位移;抗震措施;寧洱6.4級地震

0 引言

我國是世界上遭受地震災害最嚴重的國家之一。1949年以來，我國因地震死亡的人數(shù)占全國各種自然災害死亡人數(shù)的一半。地震后，房屋倒塌引起的損失是最嚴重的 (何超，羅奇峰，2010)。對于云南高烈度地震區(qū)，地震活動的頻度和強度都比較大，每次地震都會有很多房屋受損或遭受破壞 (楊向東，安曉文，2001)，遭受破壞最嚴重的是農(nóng)村建筑。農(nóng)村建筑主要是指農(nóng)民的自建房，由于農(nóng)村經(jīng)濟條件較落后，農(nóng)民缺乏抗震相關(guān)的建筑知識，一般不按照國家的規(guī)范進行建設和管理，造成此類房屋的綜合抗震能力低。為了減小地震災害，高惠瑛等 (2010)，陳偉等(2005)，曾耀輝 (2010)研究農(nóng)村建筑的綜合抗震能力，建議采取相應措施提高其抗震性能。

云南農(nóng)村未經(jīng)抗震設防的農(nóng)村建筑所占比例很大 (盧永坤等，2007)。甚至還有一部分農(nóng)村房屋為土坯房，修建時基本沒有考慮抗震設防，構(gòu)造措施不合理，抗震能力較弱①葉燎原.2007.昆明地區(qū)典型農(nóng)村房屋抗震性能研究及建造技術(shù)示范.。大部分房屋的生土墻體無抗震拉結(jié)措施，墻體的整體性很差。因此土坯墻承重的房屋抗震能力較差 (郭陽照等，2006;王俊特，2009)。

2007年6月3日5時34分，云南省普洱市寧洱縣發(fā)生了6.4級強烈地震。震中位于寧洱鎮(zhèn)新平小河村 (34.4°N、101.1°E)，震源深度5 km，震中烈度達Ⅷ度。

寧洱6.4級地震波及寧洱縣城及全縣各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，給當?shù)厝嗣裨斐珊艽蟮慕?jīng)濟財產(chǎn)損失，受災人數(shù)達18萬，農(nóng)村民房倒塌也比較嚴重。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn):地震造成的破壞比較嚴重的有寧洱鎮(zhèn)新平小河村、寧洱鎮(zhèn)太平寨、寧洱縣新民街等。其中，農(nóng)村土木結(jié)構(gòu)房屋破壞最嚴重。

1 土坯結(jié)構(gòu)特點及破壞情況

1.1 土坯結(jié)構(gòu)特點

生土墻體承重型房屋一般呈硬山擱檁型，即全部墻體用土坯或夯土建成，前面留有門窗，墻厚0.4～0.8 m，墻頂上擱檁，檁上鋪椽建頂 (大多為“人”字頂)，房間高3.5～4.0 m，深6.0～8.0 m，寬3.0～3.5 m。

據(jù)調(diào)查，這種結(jié)構(gòu)的墻體有以下3種形式:①直接用生土夯實;② 在土中加一些稻草，然后夯實;③將生土和稻草混合后，用一定的模具將泥巴做成土坯砌塊，然后像普通磚砌體一樣進行砌筑，粘結(jié)材料為泥漿。這三種墻體，其厚度為都在400～800 mm之間。

該類房屋建筑層數(shù)一般在兩層 (包括兩層)以下，多為毛石或獨立石基礎，少數(shù)在開挖的溝中砌筑一定高度的土坯然后再夯實墻體。

1.2 土坯房屋破壞情況

寧洱鎮(zhèn)新平小河村地處震源區(qū)內(nèi)，地基較軟，地下水位較高，地基面以下1 m就有地下水，地基下沉。在現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)地裂現(xiàn)象也比較普遍。

該村房屋的破壞情況主要表現(xiàn)為震后少數(shù)房屋倒塌、傾斜或墻體局部倒塌，多數(shù)房屋墻體變形、開裂、錯位，普遍棱瓦、掉瓦。

土坯房中的墻抬梁結(jié)構(gòu)房屋，墻體倒塌;磚木結(jié)構(gòu)梁下墻體開裂。

寧洱縣新民街:帶有木圈梁、木柱較高的單層土坯房破壞嚴重，墻體出現(xiàn)攔腰裂縫。

在寧洱鎮(zhèn)太平寨，單層土坯房破壞嚴重。從現(xiàn)場土坯房破壞情況可以看出:山墻尖部分容易發(fā)生裂縫。另外在墻基部位也容易發(fā)生裂縫，圖1為此次地震土坯墻承重結(jié)構(gòu)破壞圖。

圖1 寧洱6.4級地震土坯墻承重結(jié)構(gòu)破壞圖Fig.1 Load-bearing structure damage of adobe wall in Ning'er MS6.4 earthquake

房屋破壞現(xiàn)象為墻體出現(xiàn)墻體分塊，整體性差，也有水平裂縫，階梯型裂縫。

2 計算模型及參數(shù)

對于寧洱地區(qū)典型的土坯墻承重房屋，按照不同墻厚及檐口高的房屋分別輸入了超越概率為63%(眾值烈度)及超越概率為3%(大震)的地震波，用SAP2000進行了有限元抗震計算。墻體用殼單元模擬，與地面接觸的約束取為固定端。

2.1 計算參數(shù)

土坯干容重γ=16.5 kN/m3，彈性模量根據(jù)不同土坯標號是不同的，對應的彈性模量200R，R為土坯的抗壓強度。本文中取土坯標號為25，砌筑泥漿標號為10，其對應R為105 kN/m2，因此對應的彈性模量E為2×107kN/m2。

荷載計算:屋面均布荷載 (考慮民房的槽瓦及檁條自重)為1.4 kN/m2，活荷載為0.3 kN/m2;根據(jù)民房實際情況，在2.8 m處 (墻高較高時在3 m處)考慮了樓面荷載，樓面均布荷載為3 kN/m2，活荷載為 1.4 kN/m2。

在建筑抗震設計規(guī)范中，一般建筑的設計基準期 (設計使用期)為50年，采用了三水準設防標準，相應的超越概率分別為63%、10%、3%。根據(jù)寧洱地震現(xiàn)場調(diào)查的情況，場地類別有3類。因此假定民房的使用期為50年，分別進行了小震—強度驗算和大震—抗倒塌驗算，依次輸入3類場地超越概率為63%、3%的地震波，地震波數(shù)據(jù)點數(shù)1 024。因普洱地區(qū)的基本設防烈度為Ⅶ度，超越概率為63%和3%的地震波分別對應的烈度為5.5度和8度。

2.2 破壞程度判別標準

因土坯房在地震作用下的破壞一般是因為主拉應力及位移過大引起的，而對于土坯房的變形位移沒有相應的判別標準，可參照類似于砌體結(jié)構(gòu)的變形判別標準 (表1)。

3 計算結(jié)果分析

3.1 墻厚計算結(jié)果

計算中選取墻寬為3 m，墻高也固定 (檐口高3 m)，輸入超越概率63%的地震波，表2中的計算結(jié)果是不同墻厚對應產(chǎn)生的應力和位移的最大值。

表1 土坯房破壞程度判別標準Tab.1 Discrimination standard of damage degree of adobe buildings

表2 不同墻厚對應的應力及位移Tab.2 Stress and displacement of the different wall thicknesses

3.1.1 強度

因為土不能承受拉力，因此在小震作用下，墻體也會產(chǎn)生拉力，即墻體會產(chǎn)生開裂，強度不滿足要求。

發(fā)生拉應力的部位 (山墻)如圖2，在墻角部位拉應力較大，另外在山墻尖位置也存在拉應力。

圖2 小震作用下主拉應力分布圖Fig.2 Principal tensile stress distribution under earthquakes of 63%exceeding probability in 50 years

3.1.2 剛度

從表2中可知:墻厚減小，其最大剪應力和最大拉應力也相應增加，但增加幅度不大，墻厚增加1倍，最大剪應力增加7%，最大拉應力增加7%，最大位移不隨墻厚而變化。也就是說，墻厚與最大應力反應和位移反應關(guān)系不大。在農(nóng)村房屋中可以考慮選擇較薄的墻，以節(jié)省材料。

3.2 墻高計算結(jié)果

在考慮墻高影響時，假定墻寬均為3 m，墻高是以檐口高為準，以下為輸入超越概率63%和3%地震波及分析結(jié)果。

3.2.1 最大拉應力

計算時假定墻寬均為3 m，墻高以檐口高為準，輸入超越概率63%和3%地震波時的最大拉應力與墻高的關(guān)系反應如圖3。

圖3 墻高與最大主拉應力關(guān)系曲線 (單位:kPa)Fig.3 Relation curve between the wall height and the maximum principal tensile stress(unit:kPa)

從圖3中可知隨著墻高增加，最大主拉應力也隨之增加，而且大震作用下的主拉應力大于小震作用下的主拉應力。表3給出了大震及小震作用下對應的最大主拉應力值。

從表3中可以看出，不管是在小震還是大震作用下，都會出現(xiàn)拉應力。也就是在地震作用下都會出現(xiàn)拉裂縫。

主拉應力圖 (圖4)顯示主拉應力出現(xiàn)部位主要在山墻距地1.5 m以下部位和檐口區(qū)以上至山墻頂部位;最大主拉應力隨墻高增加而增加，墻高增加67%(從3 m增加至5 m)，主拉應力增加86%。

表3 不同墻高對應的最大主拉應力Tab.3 Maximum principal tensile stress of different wall heights

圖4 大震下考慮空間作用的主拉應力圖Fig.4 Principal tensile stress under earthquakes of 3%exceeding probability in 50 years considering the space effect

對此主拉應力的變化特征采取的相應的抗震措施是在地面高程1.5 m以下及檐口區(qū)以上至山墻頂 (出現(xiàn)拉應力部位)用抗拉材料進行加固。

3.2.2 最大剪應力

計算給出了小震和大震作用下的最大剪應力(表4)。

表4 不同墻高對應的最大剪應力Tab.4 Maximum shear stress of different wall heights

圖5顯示最大剪應力出現(xiàn)在山墻距地0.5 m以下及檐口區(qū)0.3 m內(nèi);并且最大剪應力隨墻高增加而增加 (圖5)，墻高增加67%(從3 m增加至5 m)，剪應力增加85%。

圖5 大震下考慮空間作用的剪應力圖Fig.5 Shear stress under earthquakes of 3%exceeding probability in 50 years considering the space effect

地震作用下產(chǎn)生的剪應力由橫向或縱向截面來承擔，也就是由墻寬或墻長和相應的墻厚形成的截面承擔剪應力，因墻寬或墻長的數(shù)值較大，因此抗剪能力一般是能滿足要求。在現(xiàn)場調(diào)查中很少發(fā)現(xiàn)土坯房因為抗剪能力不足而破損。

3.2.3 最大位移

地震作用下位移過大也是影響土坯房屋破壞的主要原因。因此本文也給出最大的位移反應如表5、表6所示。

表5中結(jié)果表明:根據(jù)砌體的判定標準，在小震作用下土坯房的墻高在3～4.5 m之間，會發(fā)生中等破壞，而且隨墻的高度或高厚比的增加，地震產(chǎn)生的位移是增加的。當墻高達5 m時，房屋會發(fā)生嚴重破壞。

表6中結(jié)果表明:在大震作用下土坯房墻高為3 m時，根據(jù)砌體的判定標準，會發(fā)生中等破壞，在3～4.5 m會發(fā)生嚴重破壞。且隨墻的高度增加，地震產(chǎn)生的位移是增加的。

計算結(jié)果表明在大震作用下，如果墻高增加到5 m，房屋會發(fā)生倒塌。寧洱地震震中區(qū)的土坯房破壞比較嚴重，計算結(jié)果與實際破壞情況相符。

表5 小震作用下不同墻高對應的最大位移Tab.5 Maximum displacements of different wall height under earthquakes of 63%exceeding probability in 50 years

表6 大震作用下不同墻高對應的最大位移Tab.6 Maximum displacements of different wall height under earthquakes of 3%exceeding probability in 50 years

從表5、表6中可以看出:隨墻高的增加，出現(xiàn)在山墻尖的最大位移也隨之增加 (圖6)。墻高增加67%(從3 m增加至5 m)，最大位移增加200%。

在這種情況下采取相應的抗震措施是在位移相對較大的部位設置圈梁，就可以減少地震作用下產(chǎn)生的最大位移。

圖6 大震作用下的位移等值線圖Fig.6 Contour of displacement under earthquakes of 3%exceeding probability in 50 years

4 承重墻的高厚比

墻厚變化與抗震的關(guān)系為:墻需要有一定的厚度才能滿足穩(wěn)定要求，就土坯墻承重結(jié)構(gòu)而言，承重墻就像框架結(jié)構(gòu)中的框架柱一樣，需要足夠的剛度來抵抗外界荷載的作用。因此，墻體厚度應滿足一定的要求，使土坯墻結(jié)構(gòu)的墻體有較高的強度和剛度。

參照《砌體結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50003－2001)，土坯墻結(jié)構(gòu)的墻體的高厚比為

式中，μ1為自承重墻允許高厚比的修正系數(shù)，可以根據(jù)墻的厚度進行修正;μ2為門窗洞墻允許高厚比的修正系數(shù)，在驗算時可根據(jù)實際的窗間墻的寬度參照規(guī)范取值; ［β］值查《砌體結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50003－2001)可得，墻、柱的允許高厚比的取值為24;墻體的計算高度按照按該規(guī)范中表5.1.3取值，取最小的1.2H進行計算。

同時，在計算墻體實際高厚比時，墻體計算高度取最小值，以保證其較小值;在計算墻體規(guī)范要求高厚比時，窗間墻取較大值，以保證其較大值。在這種情況下，現(xiàn)場破壞的土坯墻承重的房屋，有些墻體高厚比達不到規(guī)范的要求。

5 結(jié)論及建議

由于農(nóng)民對房屋震害防御重要性及相關(guān)結(jié)構(gòu)房屋抗震知識了解不足，已建土坯墻承重的房屋存在抗震能力嚴重不足的問題。

從現(xiàn)場調(diào)查及抗震驗算分析來看，土木結(jié)構(gòu)抗震能力較差的主要原因是土本身作為一種離散材料，抗拉和抗彎強度均較低，易發(fā)生變形破壞，從而導致房屋破壞和倒塌。

本文通過對在地震區(qū)容易遭受破壞的土坯房抗震驗算分析，得出如下結(jié)論:

(1)墻厚的影響:在滿足房屋功能的情況下，地震作用與墻厚的關(guān)系不大。

(2)墻高的影響:如果墻寬一定，墻高降低，其最大剪應力和最大拉應力也隨之降低;高度或高厚比增加，破壞性增加，墻高達4.5 m，即使在小震作用下，也會對墻體造成破壞。

(3)地震最大反應規(guī)律 (拉應力、剪應力和位移)說明了墻高增加，最大拉應力和剪應力增加，并且位移也增加，破壞性加大。

(4)小震和大震作用下的影響:小震作用下，當檐口高小于4.5 m時，其變形造成墻體中等破壞;當檐口高為5 m時，變形會造成墻體嚴重破壞，且隨著墻高的增加，破壞程度加大。大震作用下，層高為3 m時，變形都會引起墻體中等破壞;大于3 m小于5 m，變形會使墻體發(fā)生嚴重破壞;墻高大于5 m后，會引起倒塌發(fā)生。

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GB50003－2001，砌體結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［S］.

Aseismic Analysis of Civil Structure Houses by Finite Element Method in Rural Area of Yunnan

XIAO Mei-ling，YE Liao-yuan，LIU Ben-yu，RAN Jing，ZHANG Tong
(1.School of City Construction and Management，Yunnan University，Kunming 650091，Yunnan，China 2.Yunnan Normal University，Kunming 650092，Yunnan，China)

Based on the site investigation of Ning'er M6.4 earthquake on Jun.3，2007，we construct the earthquake analysis models for the severe damaged adobe houses.Using finite element method，we analyze aseismic of civil structure houses in different bays，depths and eaves heights when inputting 3 kinds of seismic waves are modeled by exceedance probability of 63%and 3%within 50 years respectively.The results show that the storey height has a greater influence than wall thickness on the aseismic of civil structure houses.The higher of storey height，the more of ruinous cracks occurred.We suggest that reducing the storey height and maintaining the basic wall thickness has more advantage to aseismic for the civil structure house under the prerequisite tosatisfy and propose the measure of anti-seismic reinforcement.

adobe house;principal tensile stress;story drift;aseismic measures;Ning'er MS6.4 earthquake

P315.92

A

1000－0666(2012)02－0276－06

2012－01－16.

地震行業(yè)科研專項經(jīng)費項目 (200808061)、云南省自然科學基金項目 (2009CD002)和國家自然科學基金項目 (41164002)聯(lián)合資助.