國內夯土結構研究現(xiàn)狀

郭強亮，楊新磊

(1.天津城建大學 土木工程學院，天津300384；2.天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室，天津300384)

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國內夯土結構研究現(xiàn)狀

郭強亮1，楊新磊2

(1.天津城建大學 土木工程學院，天津300384；2.天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室，天津300384)

夯土結構具有保溫性能好、造價低、施工工藝簡單、綠色無污染等優(yōu)點，但也存在著強度低、耐久性差、外觀差等缺陷。近年來，夯土課題研究主要集中在三個方面，即夯土材料的基本力學性能研究、夯土實體結構模型研究和夯土有限元模擬研究。首先，介紹夯土結構的發(fā)展和研究背景，然后，對當前夯土結構的實驗研究和有限元模擬研究現(xiàn)狀、成果、特點、存在的問題等進行總結，最后，對國內夯土結構研究的不足和未來發(fā)展做出展望。

夯土結構；夯土材料；有限元分析；抗震性能；加固；凍融；綠色建筑

作為我國歷史文明的一部分，夯土結構曾有過輝煌的篇章。夯土結構在古代的主要代表有殷商時期的高臺建筑，秦朝的始皇陵和萬里長城，唐朝的長安城，宋代《營造法式》記錄的夯土建筑等，這些建

筑展現(xiàn)了我國古代先進的夯土建造技術[1]。

國內現(xiàn)存的民居類夯土建筑也很多，如福建地區(qū)較常見的4～5層的土樓。除此之外，近年來研究較多的代表性民居類夯土建筑有云南黎族的夯土結構房、新疆夯土結構民居建筑、山西甘肅地區(qū)的椽打檣建筑等，體現(xiàn)了夯土結構在解決偏遠地區(qū)民居問題的重要作用[2-3]。

隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，生土結構建筑自身的耐久性差、抗震性能差、承載能力低、安全性能低、美感差等缺陷使得夯土建筑逐步被遺棄。然而，當前鋼筋混凝土結構、鋼結構、組合結構等建筑的大范圍應用，消耗了大量的人力、物力、財力，同時還會對生態(tài)環(huán)境造成一定的傷害。生土結構建筑具有簡易、經濟等特點，符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，作為21世紀的綠色建筑類型之一，生土結構具有一定應用空間，近年來在國內關于夯土結構方面的課題研究也逐漸增多[4-5]。

1　夯土材料研究

夯土材料的研究課題，主要歸納為：材料強度實驗、夯土材料抗凍性試驗研究等幾種類型[6]。

1.1夯土材料實驗研究內容

材料研究作為夯土課題研究的基礎，有著重要的意義。本文分析的材料實驗研究[7-8]主要通過三個材料實驗進行，具體見表1。

表1　代表性夯土結構實驗研究

由表1發(fā)現(xiàn)：當前國內關于夯土材料的研究主要集中在夯土材料的基本力學性能研究和夯土材料的改性研究。夯土材料研究的內容有待進一步擴充。

1.2材料實驗研究總結

(1)西安建筑科技大學周鐵剛等人通過夯土標準抗壓強度實驗研究發(fā)現(xiàn)，夯土材料的強度受碎石含量、含砂率影響很大。同時，總結了甘肅會寧地區(qū)夯土材料的土、砂、石三種主要成分的最佳配合比。此外，研究還發(fā)現(xiàn)夯土材料中加入水泥改性材料可以有效提高強度，但會造成污染，破壞夯土綠色材料性能。

(2)通過夯土棱柱體軸心抗壓實驗，研究出夯土材料的基本力學性能指標泊松比、彈性模量等的獲取方法。該研究為夯土結構研究奠定了基礎。

(3)西安建筑科技大學的尚建麗等，通過夯土材料抗凍性試驗[7]研究發(fā)現(xiàn)，土體的改性可以有效增強土體材料抵抗冰雪凍融、雨水侵蝕等自然循環(huán)作用。因此，研究土體改性是未來夯土材料得以進步的必要途徑。

2　夯土實驗結構研究

國內近年來夯土結構實驗研究主要包括：軸壓強度實驗、夯土結構動力學實驗、加固實驗、結構承載力實驗等幾種類型。

2.1夯土結構實驗研究內容及分析

夯土結構實驗研究比較接近工程實際，對夯土結構的發(fā)展和既有夯土結構的加固有著重要意義。本文統(tǒng)計了四個關于夯土結構的實驗，具體見表2所示[9-12]。

表2　夯土結構實驗研究

表2介紹的四個夯土結構實驗，包含了夯土結構的動力學實驗、靜力學實驗、加固實驗、整體抗震性能實驗，全面研究了夯土結構的各方面性能。

2.2研究成果總結

(1)西安建筑科技大學周鐵剛等人通過夯土結構房屋模型振動臺實驗證明夯土結構整體力學性能良好，具有較高承載力；同時也證實夯土墻體系動力性能良好，抗震性能良好。

(2)長安大學王毅紅、陳全杰等人通過即有夯土墻加固實驗[13]發(fā)現(xiàn)加木構造柱和木圈梁能夠提高極限承載力；加固后的夯土結構抗側剛度提高；加固構件對縱、橫兩片剪力墻交界處的約束加強；檁條下加墊板可避免集中荷載作用下產生的豎向貫通裂縫。

(3)華僑大學彭興黔、林俊龍通過福建土樓[14]縮尺模型實驗研究出了現(xiàn)有福建土樓的最佳配合比，同時也證明了夯土結構具有易發(fā)生脆性破壞的缺陷。此外，研究還得出了軸向壓力和夯土墻厚度之間的比例關系。

(4)夯土墻抗剪破壞試驗，周鐵剛和楊華等總結了夯土墻結構容易開裂，夯筑過程中層間抗剪強度不足的缺點。同時，研究還發(fā)現(xiàn)夯土墻體系容易出現(xiàn)斜對角開裂的問題。

3　夯土結構有限元模擬研究

有限元法也是夯土研究的重要組成部分。近年來，許多高校進行了有限元方面的模擬，比較有代表性的如下[15-17]：

(1)西安建筑科技大學周鐵剛和張冰冰等的現(xiàn)代夯土結構民居有限元模擬分析。該模擬假定夯土材料各向同性，墻體模型采用solid45，砼屋面板、砼構造柱、砼梁等，砂漿部位運用solid65模擬，對現(xiàn)代夯土結構縮尺模型進行了模擬，并將模擬結果與震動臺實驗對比[18]。

模擬結果表明：①現(xiàn)代夯土結構有限元模擬與振動臺實驗結果相符；②采取構造措施能夠有效地增加結構的整體性、剛度、最大加速度等抗震性能；③有限元分析法能夠較好地模擬夯土結構的受力性能。

(2)西安建筑科技大學周鐵剛和孟耀杰等的振動臺實驗中，進行了實際房屋有限元模擬，對實際房屋模型進行了靜力分析、模態(tài)分析、反應譜分析、時程分析等，并與振動臺結果相比較，進而總結出有限元分析結果與振動臺實驗結果相符[19]。

模擬結果表明：有限元模型能夠較好地模擬結構實體的受力性能、抗震性能、破壞薄弱部位等，有助于實體結構在實際實施中進行合理的設計、施工、改造等。

(3)四川建筑研究院文枚等人對竹筋夯土結構進行有限元分析，采用實體模型solid65模擬墻體，使用Link8 模擬竹筋，并進行了單調荷載作用下的受力性能分析[20]。

模擬結果表明：通過模擬能夠獲取夯土結構實體的基本受力性能，進而為實體結構的加固、改造等提供有效的參考。

4　結語與展望

4.1現(xiàn)代夯土結構研究總結

現(xiàn)代夯土結構相比古代有了較快的發(fā)展，成立了專門的學科委員會，有了更先進的技術和設備；出現(xiàn)了夯土改性材料的開發(fā)和研究；有了先進夯土結構實驗設備和計算機輔助模擬研究體系。

盡管取得了許多研究成果，但當前夯土結構研究體系逐步完善的同時仍存在著許多問題，具體可以分為以下幾個方面：

(1)國內多數(shù)夯土結構建筑都位于西部和偏遠山區(qū)，缺少高端技術的支持和統(tǒng)一管理。

(2)夯土結構體系實驗研究仍處于初級階段，僅能做到部分區(qū)域內的夯土材料、夯土結構構件、夯土縮尺模型的實驗研究，還沒有普及到全國所有地區(qū)。

(3)夯土結構體系計算機輔助方式研究也僅限于有限元方式研究，其他高科技計算機智能技術、自動化信息采集技術等應用還沒有相關研究。

(4)國內夯土結構研究與國外相比還有一定的差距，比如夯土施工技術規(guī)范、夯土結構設計規(guī)范、夯土結構勘測規(guī)范等。

(5)夯土結構材料改性、結構體系加固、構造措施等方面的研究基本與國內其他形式結構加固相似，沒有較為新穎的工藝或措施出現(xiàn)。

(6)夯土結構有限元模擬方面存在結構單元體的選擇、本構關系曲線的定義、塑性階段的非線性分析、各類夯土構件的耗能研究等尚不全面。

(7)有限元分析計算對于夯土結構構件的耗能計算還沒有相應的研究。同時，有限元模擬中對于夯土改性材料的建模研究目前還沒有。

(8)偏遠山區(qū)的夯土結構存在許多實際性的震害問題沒有實際的解決方案和應對措施，需要進一步研究。

4.2未來展望

通過對夯土結構的研究發(fā)現(xiàn)，夯土結構作為綠色、無污染建筑類型之一，有著很大的發(fā)展?jié)摿?未來夯土結構建筑必將走向智能化、自動化和節(jié)能環(huán)保化。人們心目中的傳統(tǒng)夯土建筑的耐久性差、抗震性能差、墻體易開裂等缺陷必將被改善。在倡導節(jié)能環(huán)保綠色建筑的今天，夯土結構建筑的研究必將進一步開展。

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Research status of domestic rammed earth structure

GUO Qiang-liang1,YANG Xin-lei2

(1.School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China; 2.Tianjin Key Laboratory of Civil Buildings Protection and Reinforcement,Tianjin 300384,China)

Rammed earth structure has good insulation properties,low cost,simple construction process,green and non pollution,but there are also the defects of the low strength,poor durability and appearance.In recent years, rammed earth research mainly concentrated in three aspects,namely of rammed earth materials research on basic mechanical properties,rammed earth entity structure model research and rammed earth finite element simulation study.First of all,it introduces the research and development background of rammed earth construction,then the rammed earth construction experimental study and finite element simulation research status,achievements,characteristics and existing problems were summarized.Finally,the shortcomings and future development are prospected.

rammed earth structure;rammed earth materials;finite element analysis;seismic performance;reinforcement;freeze-thaw;green building

2016-03-16

國家科技支撐計劃項目(2014BAL03B03)

郭強亮(1987—)，男，河北邯鄲人，碩士研究生。

1674-7046(2016)04-0031-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.006

TU36

A