夯土墻墻體穩(wěn)定性分析及加固措施

摘 要：本文運(yùn)用三維有限元法，對(duì)既有夯土墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，表明此類結(jié)構(gòu)形式自身抗震性能較差；采用一定的加固措施后，計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到顯著提高，達(dá)到加固目的，可為類似工程作指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：夯土墻；加固；抗震；穩(wěn)定性

1 引 言

通過(guò)對(duì)我國(guó)村鎮(zhèn)地區(qū)生土結(jié)構(gòu)房屋的調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，生土結(jié)構(gòu)房屋在正常使用條件下及地震作用下容易發(fā)生墻體開(kāi)裂、雨水侵蝕等病害，為了保護(hù)村鎮(zhèn)地區(qū)人民群眾的生命以及財(cái)產(chǎn)安全，減輕地震災(zāi)害的影響，對(duì)既有村鎮(zhèn)生土結(jié)構(gòu)房屋探討行之有效的維修及抗震加固措施，乃是擺在工程結(jié)構(gòu)人員面前非常緊迫的課題。

2 既有生土墻承重房屋墻體穩(wěn)定性分析

2.1 工程概況

上津古城位于湖北省鄖西縣城西北70公里的上津鎮(zhèn)，為明代城址。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察，發(fā)現(xiàn)古城房屋土坯墻體主要存在一下問(wèn)題：①墻體裂縫主要位于主檁條下，裂縫長(zhǎng)度約為1.5m，寬度為5mm左右。②墻體的空鼓房屋外墻1.5m高度范圍內(nèi)泛堿脫落，掏蝕適度多為10c。③地面以上30cm為碎石砌筑，砂漿局部缺失等。

2.2 有限元模型建立

根據(jù)常見(jiàn)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、木質(zhì)梁、木質(zhì)柱為連續(xù)均勻介質(zhì)，采用線彈性本構(gòu)模型，墻體和檁條連接位置、房間底部和基礎(chǔ)之間不存在相對(duì)位移，對(duì)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，采用半剛性連接模擬榫卯連接。荷載取值依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB5009-2001。結(jié)構(gòu)整體三維模型見(jiàn)圖1，夯土墻房屋長(zhǎng)11.28m，寬8.60m高5.37m，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位編號(hào)見(jiàn)圖2、圖3，單元網(wǎng)格類型為8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分實(shí)體單元（C3D8R）。具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 加固前夯土墻墻體穩(wěn)定性分析

本文采用有限元分析方法對(duì)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(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。其中結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算按VI度考慮。計(jì)算參數(shù)為：水平向地震影響系數(shù)最大值amax=0.04；場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期Tg=0.40s；結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。具體分析結(jié)果如下：

2.3.1 地震作用下位移分析

夯土墻體承重結(jié)構(gòu)在地震作用下，部位Z1處，位移大小為15.3mm，超過(guò)了關(guān)于構(gòu)件最大位移不超過(guò)L/250（約12.3mm）的要求。其他部位位移這里不再做詳細(xì)分析。

2.3.2 地震作用下應(yīng)力分析

夯土墻體承重結(jié)構(gòu)在地震橫向作用下應(yīng)力最大值在縱墻頂部Z1處，大小為0.164MPa，縱向作用下應(yīng)力最大值在橫墻H3處，大小為0.138MPa，超過(guò)了夯土材料抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值0.08MPa，容易發(fā)生檁墻分離，破壞結(jié)構(gòu)整體連續(xù)性，最終造成失穩(wěn)破壞。

3 夯土墻的加固及改進(jìn)措施

針對(duì)上述夯土建筑在分析中出現(xiàn)的問(wèn)題，本文認(rèn)為可以采用鋼絲網(wǎng)泥漿加固土坯墻體，以提升其使用功能。對(duì)于夯土墻墻體外側(cè)的空鼓（如：外墻泛堿脫落，受水掏蝕）等，造成墻體實(shí)際受力厚度減薄，產(chǎn)生受力不均勻，容易導(dǎo)致上部墻體開(kāi)裂、扭曲等不利情況。對(duì)于此類病害采用鋼絲網(wǎng)泥漿加固土坯墻體，面層的泥漿強(qiáng)度等級(jí)，宜采用實(shí)際墻體同等等級(jí)；鋼絲網(wǎng)應(yīng)用呈梅花狀布置的S形穿墻筋固定于墻體上，S形穿墻筋的間距宜為800mm；鋼絲網(wǎng)四周采用拉接筋與墻體可靠連接；鋼絲網(wǎng)外保護(hù)層厚度不應(yīng)小于20rnm，鋼絲網(wǎng)片與墻體之間的空隙不應(yīng)小于4mm；加固材料采用鍍鋅點(diǎn)焊式鋼絲網(wǎng)片，鋼絲直徑為2.6mm，抗拉強(qiáng)度711MPa，鋼絲間距為10mm×10mm。

4 加固后墻體穩(wěn)定性分析

4.1 地震作用下位移分析

夯土墻體承重結(jié)構(gòu)在墻體外側(cè)采用鋼絲網(wǎng)泥漿加固后，夯土墻體承重結(jié)構(gòu)在X方向（橫向）地震作用下，結(jié)構(gòu)沿X方向最大位移發(fā)生在縱墻頂部Z1處，位移大小為4.44mm，小于關(guān)于構(gòu)件最大位移不超過(guò)L/250（約12.3mm）的要求，整體滿足抗震變形要求；由表2可知，夯土墻體承重結(jié)構(gòu)在墻體外側(cè)采用鋼絲網(wǎng)泥漿加固，有效的改善了土坯墻體的變形能力，加固后墻體的橫向?yàn)榧庸糖白冃蔚?7.87%，橫向?yàn)榧庸糖白冃蔚?.12%，加固效果明顯。

4.2 地震作用下應(yīng)力分析

夯土墻體承重結(jié)構(gòu)在墻體外側(cè)采用鋼絲網(wǎng)泥漿加固后，夯土墻體承重結(jié)構(gòu)在X方向（橫向）地震作用下，結(jié)構(gòu)沿X方向最大剪切應(yīng)力為0.03MPa，小于夯土材料抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值0.08MPa，整體滿足抗剪強(qiáng)度要求；由表3可知，夯土墻體承重結(jié)構(gòu)在墻體外側(cè)采用鋼絲網(wǎng)泥漿加固，有效的改善了土坯墻體的受力性能，加固后墻體的橫向?yàn)榧庸糖凹羟辛Φ?1.68%，縱向?yàn)榧庸糖凹羟辛Φ?4.82%，加固效果明顯。

5 總 結(jié)

本文對(duì)農(nóng)村夯土墻體-木構(gòu)架混合承重建筑建立有限元模型進(jìn)行動(dòng)力分析，通過(guò)分析獲得以下主要結(jié)論：①通過(guò)結(jié)構(gòu)頻率及振型的求解計(jì)算，獲得了結(jié)構(gòu)的低階頻率及振型。在此基礎(chǔ)上，考慮結(jié)構(gòu)抗震按VI度，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，進(jìn)行地震作用分析。結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)兩個(gè)薄弱方向施加地震作用，夯土墻變形和應(yīng)力均不滿足相關(guān)規(guī)范要求。②針對(duì)夯土類住宅在自重作用和地震作用下的受力變形特點(diǎn)，本文提出在破損墻體表面采用鋼絲網(wǎng)泥漿加固，以增強(qiáng)夯土墻體的抗彎能力，提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能。③通過(guò)對(duì)加固后夯土墻體的重力作用和地震作用分析，結(jié)果表明，采用上述加固方式，可以有效的提高結(jié)構(gòu)的整體承載力，在擬定地震作用下，結(jié)構(gòu)的變形和受力均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性得到明顯提高。

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