藏式建筑震害分析及加固方法研究★

叢 宇，譚森龍，王佳豪

(1.四川省文物考古研究院，四川 成都 610041；2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

由于地理位置、宗教文化、經(jīng)濟環(huán)境等因素的影響，藏式建筑的建造風格顯得獨樹一幟，并在我國的建筑史中占據(jù)重要地位[1]。近年來，藏民居住地區(qū)震害頻發(fā)，藏式建筑受損嚴重，引發(fā)國內(nèi)學者對藏式建筑的構(gòu)造特征和抗震性能等領(lǐng)域深入進行研究。鄧傳力等[2]通過研究藏式石墻的本身具有收分、兩端部位起弧砌筑的形式能夠提高其承載能力，黏結(jié)材料黃泥作為其黏性材料是藏式建筑易發(fā)生震害的重要因素；吉喆等[3]對比分析了藏式石墻的抗壓性能，碎石填縫砌筑工藝能明顯提高其抗壓性能；楊娜等[4-5]通過研究對藏式石砌體進行受壓曲線特征性能和剪-壓作用下的抗剪性能提出軸心受壓開裂前的應力-應變曲線本構(gòu)關(guān)系兩段式二次多項式表達式和藏式石砌體抗剪強度預測表達式；李鵬等[6-7]選取藏式建筑木結(jié)構(gòu)節(jié)點進行分析，建立建筑結(jié)構(gòu)模型和局部精細化模型作為算例，確定了木梁柱節(jié)點連接的特性和使用暗銷能夠使滑移初始剛度略有提高，能夠明顯提高構(gòu)件的相對滑移承載極限；李碧雄等[8]研究發(fā)現(xiàn)藏式建筑結(jié)構(gòu)整體性差，抗震性能整體較差，其易損性也與磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的易損性差異較大。藏式石砌善于運用力學原理，具有特殊構(gòu)造特點和抗震思想，具有一定科學研究的價值。但針對藏式建筑的加固方法的研究目前還較為缺乏。

根據(jù)上述學者研究發(fā)現(xiàn)，藏式建筑易遭受震害主要有黏結(jié)材料強度低、石墻結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和建筑結(jié)構(gòu)體系整體性差等原因。根據(jù)《危險房屋鑒定標準》[9]和震害原因?qū)⒉厥浇ㄖ茐男问椒譃椤梆そY(jié)材料狀態(tài)”“墻體裂縫與變形”和“建筑構(gòu)造與連接”三類。在此基礎(chǔ)上對藏式建筑進行受力特征及震害機理分析，結(jié)合傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)的加固措施，考慮傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)加固方法對于藏式建筑的適用情況，提出針對藏式建筑施工方法的選用和具體施工工藝，使得藏式建筑加固達到“災前可預防，災后可修繕”的目的。

1 藏式建筑構(gòu)造及抗震設(shè)計

1.1 藏式建筑的構(gòu)造特征

現(xiàn)藏式民居多以外承重墻和內(nèi)木框架組成的石木混合結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)體系包括：地基基礎(chǔ)、外圍墻、木梁柱、樓(屋)蓋。建筑平面的整體形態(tài)方正規(guī)整，呈“品”“田”及“口”的形態(tài)，組合形成“束筒”受力結(jié)構(gòu)[10](見圖1)。

基座多以有長條石材砌筑而成，石材具有很好的抗壓性能，足以承受上部的荷載。基礎(chǔ)上部的建筑材料主要為粗土石、黃泥及木構(gòu)件。黃泥采用當?shù)攸S土摻水拌制成黃土泥漿，具有方便廉價等特點。石墻的砌筑極具傳統(tǒng)手法和特點，以不規(guī)則的大塊石材為主，小塊碎石進行嵌縫，石材間通過黃土泥漿進行黏結(jié)，石墻整體設(shè)計具有收分效果，呈現(xiàn)下寬上窄的形式。墻體間連接多以木梁、木柱及部分連接件構(gòu)成木結(jié)件為主，木柱直接擱置在建筑內(nèi)部，上端與木梁連接并設(shè)計有替木作為承重件，木梁則與深入兩端外圍墻中，木梁上部滿鋪木椽，在木椽上部鋪設(shè)粗黃土，再悶水夯實，形成樓(屋)蓋。可見樓屋蓋各層構(gòu)造之間及水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件與豎向承重構(gòu)件梁柱間均為簡單疊壓，并無可靠連接，整體性差。

1.2 藏式建筑的抗震設(shè)計

藏民居住區(qū)域近百年來遭受5級以上地震共達600余次，其中最大震級高達到8.6級，發(fā)生于1950年8月15日的西藏墨脫。頻發(fā)的地震災害對藏式建筑及藏族人民帶來了巨大的損失，藏族人民具有強烈的抗震減災思想，如表1所示，并賦予建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中。

表1 藏式建筑的抗震設(shè)計

藏式建筑在其建造過程中含有上述多種抗震設(shè)計，藏式建筑受損程度有所降低。但其抗震設(shè)計與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[11]中抗震設(shè)計標準仍具有差別，根據(jù)近年來藏族地區(qū)房屋受損情況看，藏式建筑仍然需要采取更加規(guī)范的抗震標準。

2 藏式建筑震害性能研究

2.1 建筑受力性能分析

藏式建筑受豎向荷載和橫向荷載影響，其簡化力學模型的受力傳遞路徑如下：1)豎向荷載→屋(樓)蓋荷載→木梁→橫墻(立柱)→基礎(chǔ)→地基；2)橫向荷載→橫墻→a.橫墻基礎(chǔ)→地基;b.屋(樓)蓋→橫墻(木柱)→基礎(chǔ)→地基。簡化剛性力學模型如圖2所示。

2.2 結(jié)構(gòu)震害性能分析

依據(jù)《危險房屋鑒定標準》將藏式建筑常見的破壞形式分為：1)黏結(jié)材料狀態(tài)破壞;2)墻體裂縫與變形破壞;3)建筑構(gòu)造與連接破壞三類。

2.2.1 黏結(jié)材料狀態(tài)

鄧傳力等學者通過對藏式建筑使用的黃土泥漿進行承載比試驗和崩解試驗如圖3所示，黃泥的CBR值很低僅為0．28，而膨脹量數(shù)值為4．28%。李家春等[12]通過對黃泥進行崩解試驗發(fā)現(xiàn)，前期黃泥快速吸水，黃泥表面凹凸受力不均，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，導致結(jié)構(gòu)破壞。藏式建筑外圍墻中的黃泥在荷載作用下，橫向膨脹，經(jīng)過雨水洗刷，建筑的承載力和穩(wěn)定性降低，最終喪失黏結(jié)性能。

2.2.2 墻體裂縫與變形

1)門窗斜拉破壞。

李碧雄等發(fā)現(xiàn)藏式石砌墻處的洞口角部存在應力集中現(xiàn)象。藏式建筑門窗洞口較小，是外圍墻體的薄弱部位，洞口角部易出現(xiàn)應力集中，并且表現(xiàn)為引起石砌墻破壞形態(tài)的主因素。當洞口對角處墻體達到抗拉、抗剪承載力極限時，易出現(xiàn)對角斜裂縫如圖4所示。

2)墻體外皮閃裂坍塌。

武奧軍[13]利用ABAQUS對藏式石砌體建立數(shù)值模型，并進行了研究對抗壓過程進行仿真模擬。劉瀟等[14]通過對藏式墻體在豎向荷載下所受到的變形試驗發(fā)現(xiàn)墻體平面變形呈現(xiàn)不均勻化，墻體極易發(fā)生平面外失穩(wěn)破壞。藏式建筑外圍墻體分內(nèi)外兩層，由不規(guī)則石塊和黃泥組成，中間縫隙填筑小砌塊，采用黃泥填縫，墻體縱橫咬砌力不足。外圍墻體既作為藏式建筑的重要承重部件，又是易發(fā)生殘損和破壞的部件。墻外皮經(jīng)風化、擠壓，黃泥逐漸硬化，黏結(jié)強度降低，而內(nèi)皮較厚，抗剪承載力較大，地震作用下墻體外皮易裂閃剝落或分層倒塌(見圖5)。

2.2.3 建筑構(gòu)造與連接

1)屋(樓)蓋板滑移破壞。

藏式建筑內(nèi)部的木梁及木椽條直接布置在樓(屋)蓋砌體上部，并未設(shè)置圈梁與墻體進行可靠連接。樓(屋)蓋與墻體在地震時兩者呈現(xiàn)不協(xié)調(diào)波動，導致梁端與墻體之間極易出現(xiàn)震害。

2)木柱梁、暗銷殘損位移。

相比于外承重墻，木框架的震害程度普遍較輕，卻仍然存在一定的結(jié)構(gòu)安全隱患。木框架震損形式主要包括木梁柱開裂(見圖6)、節(jié)點槽損移位(見圖7)。破壞產(chǎn)生主要原因：a.因屋蓋自身過重，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和整體性較差，當木柱梁承載壓力過大時，內(nèi)部木柱結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向移位或發(fā)生開裂脆斷；b.木柱梁節(jié)點多采用剛度較弱的暗銷約束進行簡單連接，因而節(jié)點區(qū)域易發(fā)生震害；c.木結(jié)構(gòu)因其材料經(jīng)雨水沖刷和自然風化作用易開裂受損，降低承載力，加速破壞發(fā)生。

3 藏式建筑加固方法適用性分析

3.1 黏結(jié)材料狀態(tài)

3.1.1 面層材料加固

面層材料加固法是指在原石砌墻體的側(cè)向墻面上涂抹高強度等級的水泥砂漿或新型復合材料,如改性活性粉末混凝土[15]見圖8(a)。超高性能混凝土[16]見圖8(b)，高延性纖維增強水泥基復合材料等復合材料的加固方法。

由于藏式建筑的黃泥強度較低且存在松動現(xiàn)象，擠壓后呈干縮效應。通過采用更高強度水泥砂漿或新型復合材料的砂漿能夠增強新舊材料的黏結(jié)性，使新加面層與舊墻體共同受力，共同分擔原結(jié)構(gòu)所受荷載，對其砌體結(jié)構(gòu)黏結(jié)性能進行加強，面層材料加固法對于藏式建筑加固具有可行性。

3.1.2 壓力灌漿加固

該法通過預先根據(jù)配合比拌制強度較高的黏結(jié)材料，利用壓力注漿設(shè)備，將高強度高流動性的膠凝材料注入墻體的灰縫內(nèi)。施養(yǎng)杭[17]將石粉水泥漿作為灌漿材料，對石砌體結(jié)構(gòu)進行灌漿加固試驗與研究，并確定配合比及材料強度；石建光等[18]通過灌漿加固法測得相比于原砌體抗壓強度提高25%，抗剪強度提高209%。

藏式建筑膠合材料黏結(jié)性能差，強度低，采用壓力灌漿方法能夠顯著改善藏式建筑黃泥強度低、黏結(jié)性差、砌筑不飽滿等缺點，能夠很好地提升墻體的黏結(jié)性能，限制墻體及黏結(jié)材料發(fā)生橫向變形，也能間接地提高墻體的抗壓承載力。

3.2 墻體裂縫與變形

3.2.1 組合砌體加固

組合砌體加固也稱夾板墻加固，是指在石砌墻體的單側(cè)或雙側(cè)增抹鋼筋混凝土(或鋼筋砂漿)面層。鋼筋布置一般分為正向方格網(wǎng)布筋和斜向方格網(wǎng)布筋，如圖9所示。通過內(nèi)部配置共同工作的鋼筋混凝土(或鋼筋砂漿)來提高藏式建筑承載力和抗側(cè)變形的能力。

藏式建筑呈現(xiàn)收分構(gòu)造，墻體重心低，但豎向荷載偏心距較大，咬砌不充分，其承載力不足且截面尺寸受限。李想等[19]通過ADINA有限元軟件建立普通石砌體墻、單面加固石砌體墻,雙面加固石砌體墻建立模型并進行性能數(shù)值仿真分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)過雙面加固石砌體墻的耗能性能、極限承載能力、剛度退化性能和延性明顯優(yōu)于普通石砌體墻和單面加固石砌體墻。采用組合砌體加固能夠顯著提高墻體承載力和解決墻體內(nèi)外皮咬合不足的問題。

3.2.2 斜拉鋼筋加固

斜拉鋼筋加固法是指通過石砌墻體兩側(cè)對稱布置斜拉鋼筋。鋼筋兩端采用錨固件進行可靠的錨固鏈接，斜拉鋼筋端點處采用穿墻錨固連接，通過預應力鋼筋限制了兩側(cè)砌塊側(cè)向位移，提高墻體的整體穩(wěn)定性。

針對藏式毛石墻體縱橫咬砌不足的問題，為防止藏式建筑外閃倒塌，提高墻體抗側(cè)能力，采用與組合砌體加固方法類似的斜拉鋼筋加固具有良好效果(見圖10)。

3.2.3 配筋砌體加固

與3.2.1和3.2.2方法類似，配筋砌體加固則在水平灰縫間配置鋼筋進行加固處理。鋼筋布置包括網(wǎng)狀配筋和連彎鋼筋網(wǎng)。配置水平鋼筋能夠避免豎向主裂縫引起砌塊失穩(wěn)破壞，較好地發(fā)揮鋼筋抗彎和抗剪性能，提高砌塊與鋼筋的整體性，延緩構(gòu)件橫向變形。

藏式建筑由于黃泥黏結(jié)性能差，水平砌塊咬合力不足等原因，在作用豎向壓力時，砌塊間發(fā)生壓實，導致砌塊發(fā)生橫向膨脹外閃。針對上述破壞現(xiàn)象，提出配筋砌體加固的方法。

3.2.4 后加抗震墻加固

后加抗震墻加固法是指在原墻體之間增設(shè)磚石砌墻體(或現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻體)以增強其抗震整體性。加固后的墻體其簡化力學模型的受力傳遞路線分別是：樓(屋)蓋荷載→橫墻(橫向抗震墻、木柱)→基礎(chǔ)→地基和風荷載→橫墻→a.縱向抗震墻→地基；b.屋蓋→橫墻→基礎(chǔ)→地基(見圖11)。后加抗震墻整體性和穩(wěn)定性能夠得到改善，墻體的水平抗側(cè)性能得到提高。

由于藏式建筑內(nèi)部的承重橫墻分布間距較大，導致墻體側(cè)向強度較差，采用抗震墻加固橫墻承重能夠提高其承抗側(cè)剛度和抗震能力，該方法具有可行性。

3.2.5 粘貼復合材料加固

粘貼復合材料加固法是依靠復合材料優(yōu)越的材料性質(zhì)而進行砌體加固的方法。復合材料是一種科技含量較高的新型材料，具有輕質(zhì)高強、耐磨防腐、容易彎折、便于施工等特點。已有研究表明，纖維復合材料[20]加固砌體的方式能夠明顯提升墻體平面抗剪強度，增強變形能力，提高結(jié)構(gòu)延性。在近年來的砌體結(jié)構(gòu)加固中得到廣泛應用。

復合材料對于磚混結(jié)構(gòu)的加固具有明顯的效果，但復合材料容易彎折，藏式建筑具有獨特的填縫砌筑工藝，墻體內(nèi)外皮咬合力不足，墻體外皮極易發(fā)生裂閃倒塌，僅在藏式石砌墻粘貼復合材料，并不能很好地限制藏式石砌墻發(fā)生裂閃損害，該方法應考慮提高復合材料粘貼藏式墻體的牢固性。

3.2.6 內(nèi)嵌復合材料加固

針對粘貼復合材料加固的局限性，有學者提出內(nèi)嵌復合材料加固。內(nèi)嵌復合材料加固是指依靠復合材料強度高、自重輕、耐腐蝕等特點，將其材料平鋪在砌塊灰縫層間，使得砌塊與復合材料有效粘結(jié)，提高墻體受力整體性。

考慮到藏式建筑石砌墻砌筑工藝的獨特性，黃輝等[21]將玄武巖纖維復材布置在毛石墻體水平不規(guī)則接縫處(見圖12)，在低周水平往復荷載作用下BFRP網(wǎng)格改良毛石墻體的耗能性能和抗剪承載力較未改良毛石墻體也有顯著提高，試驗結(jié)果表明，改良墻體的開裂、屈服、極限狀態(tài)及最終破壞狀態(tài)的荷載值分別提高93.0%，103.4%，74.3%及90.5%。

3.3 建筑構(gòu)造與連接

3.3.1 外加約束構(gòu)件(組合墻)加固

外加約束構(gòu)件(組合墻)加固法即指外加鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁對墻段形成約束。構(gòu)造柱布置在墻體薄弱部位，圈梁布置在墻體與框架連接處，圈梁與構(gòu)造柱對墻體形成整體約束。

對于藏式建筑墻體易發(fā)生外皮脫落或分層倒塌、墻體與木框架結(jié)構(gòu)連接不穩(wěn)定的問題。外加約束構(gòu)件(組合墻)加固法能夠提高石砌墻體的咬合力，承載力和剛度。尚守平等[22]研究了HPFL加固多孔磚砌體抗震性能時發(fā)現(xiàn)，墻體的抗剪承載力、延性性能和水平剛度在加固圈梁構(gòu)造柱之后有顯著提高。

3.3.2 組合件加固

組合件加固就是通過在石砌墻體間、地基與墻體間、墻體與樓(屋)蓋增設(shè)連接，從而提高藏式建筑的整體穩(wěn)定性。常見增設(shè)連接包括：1)墻體間的拉結(jié)；2)樓板擱置長度；3)樓板與圈梁、墻體的拉結(jié)；4)屋架、梁與墻柱的錨拉等。

藏式建筑呈現(xiàn)外承重墻體和木框架組合的建筑風格，這種風格既削弱了墻體與地基的連接又增加墻體與內(nèi)框架連接的不穩(wěn)定性。增加組合件約束能夠使樓(屋)蓋板、墻體和圈梁等構(gòu)件形成整體，加固構(gòu)件間的錨拉度，提升藏式建筑的整體性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1)國內(nèi)外學者在磚混結(jié)構(gòu)的加固抗震研究頗多，但在石砌體結(jié)構(gòu)抗震加固方面很少進行系統(tǒng)研究，尤其是針對近年來頻繁遭受地震襲擾的藏式建筑則更加缺乏，在加固方面沒有針對藏式建筑的統(tǒng)一結(jié)論。

2)本文從《危險房屋鑒定標準》和構(gòu)造特征將藏式建筑的損壞類型和加固方法分為：黏結(jié)材料狀態(tài)、墻體裂縫與變形、建筑構(gòu)造與連接三類。

3)根據(jù)藏式建筑受力性能和損壞類型，結(jié)合傳統(tǒng)砌體加固方法，對不同加固方法是否適用于藏式建筑進行適應性分析。

4)針對藏式建筑的加固方法，國內(nèi)部分學者已進行試驗研究和數(shù)值分析，對部分加固方法確認可行。本文是在傳統(tǒng)砌體加固方法上對藏式建筑是否可行進行適用性分析，并未對具體加固方法進行試驗研究，故對不同加固方法的結(jié)構(gòu)體系抗震性能研究需要進行深入研究。