(1.淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001;2.淮安市韩城建筑安装工程有限公司, 江苏 淮安 223002；

3.淮安市建筑工程检测中心有限公司，江苏 淮安 223001)

典型砖木结构房屋抗震加固方法研究

钱芳芳1，钱 凯2，顾文虎1，王 鹏3

(1.淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001;2.淮安市韩城建筑安装工程有限公司, 江苏 淮安 223002；

3.淮安市建筑工程检测中心有限公司，江苏 淮安 223001)

砖木结构房屋在全国分布广泛，砖木结构的震害很大一部分来源于墙体的破坏和倒塌，所以做好砖木结构房屋的抗震，墙体应是关键因素。根据实地调研及相关震害资料，总结了砖木结构的形式及分布，提出了墙体抗震加固方法。以典型砖墙围护木结构房屋为原型，利用振动台试验验证加固措施的效果。试验表明墙体拉结措施在地震作用水平较高时，能有效减小加速度和位移反应。

砖木结构；墙体；拉结；振动台试验

0 引言

我国是一个典型的多地震国家，抗震设防地区占国土面积的80%。通过对各地震害调查资料的整理总结和实地考察，发现砖木结构房屋在我国广大农村和乡镇普遍采用，西部地震高发地区的农村也可见到，但是目前国内外对这方面研究甚少。在我国广大村镇地区推广应用简单易行、造价低廉的抗震加固方法，使村镇房屋具有一定的抗震能力，对减少村镇人员伤亡和经济损失具有重要意义。

西安建筑科技大学赵鸿铁等[1-2]学者以古建筑木结构为原型，设计振动台试验，研究古建筑木结构的耗能、减震原理，发现榫卯结点的耗能能力最强，也是木结构抗震性能优越的重要原因，进而提出榫卯结点的加固方法，为保护古建筑木结构提供思路和方法。河北工业大学吴华伟[3]、单玉坤等[4]以木柱木屋架房屋为原型，进行低周反复试验，研究其抗震性能，探讨砖墙对抗震性能的影响及加固方法。北京交通大学杨威等[5]以北京地区既有农村住宅—典型砖木结构结构为原型，设计振动台试验研究结构加固方案的抗震性能和可行性。

1 砖木结构形式及分布

全国范围来看，典型的砖木结构有皖南徽派古民居建筑群以及北京、山西地区的合院等。各地砖木结构形式多样，且富有地方特色，对于砖木结构的分类主要也是从建筑外观角度出发，从结构出发对砖木结构进行的分类较少。本文从结构承重角度出发，将砖木结构分为两大类：木构架承重砖墙围护结构和木构架砖墙混合承重结构。

1.1 木构架承重砖墙围护结构

木构架承重砖墙围护结构，承重主要由木构架担当，砖墙主要起围护作用。根据承重部分木构架形式的不同，主要分为以下四种情况：

砖木抬梁结构。木构架部分为抬梁式，围护墙为砖墙。抬梁式使用范围广，在宫殿、庙宇、寺院等大型建筑中普遍采用，更为皇家建筑群所选，是我国木构架建筑的代表，华中、华北、西北、东北等地区的民居均有采用该种建筑形式。典型代表为我国北方地区常见四合院(京、冀、晋、辽)和合院(华北农村集镇、山东)。

砖木穿斗结构。木构架部分为穿斗式，围护墙为砖墙。南方地区木结构主要为穿斗式，围护墙因地区不同有木板墙、砖墙、土坯墙等形式。砖木穿斗结构的典型代表有四川、贵州地区的民居以及粤东南、粤北、台湾地区的闽南四合院。

穿斗、抬梁混合砖围护墙结构。木构架为穿斗、抬梁混合式，围护墙为砖墙。典型的三开间四榀木构架结构，两端两榀为穿斗木构架，中间两榀为形成大空间，做成抬梁式木构架，房屋三面用砖墙围护。云南大理白族和丽江纳西族的三坊一照壁、四合五天井以及皖南、赣东北的徽州民居，江浙地区民居都属于这种结构形式。

木柱木屋架承重砖围护墙结构。这种结构的木构架形式是除穿斗式、抬梁式之外的另一种木构架形式，结构形式简单，全国各地均有采用。

1.2 木构架砖墙混合承重结构

木构架砖墙混合承重结构因地域、年代不同，结构形式有所不同。常见的有三角形屋架砖墙混合承重结构，坡屋顶硬山搁檩结构和木构架平顶碉房结构。

三角形屋架砖墙混合承重结构。这种结构在我国东部农村地区较常见，但这种砖木结构的抗震能力远达不到规定的抗震设防要求。

坡屋顶硬山搁檩结构。房屋中部不设木屋架，各道横墙均为硬山搁檩，木檩条直接搁置在山尖砖墙上。这种结构形式过于简单，抗震能力较低。

木构架平顶碉房结构。屋顶采用轻型木屋架，做成平顶式，檩条上铺苇席和草泥，不做防水层。新疆南疆地区抗震民居多采用这种形式。

2 砖木结构震害及相关抗震措施

2.1 砖木结构震害

砖木结构震害与其结构形式、支撑情况、杆件之间的连接、节点构造以及围护墙体的构造等因素有关。具体的破坏形式主要有承重构件破坏、节点连接破坏、屋面破坏、墙体破坏、柱脚滑移和结构体系破坏。地震中墙体是最易倒塌伤人的构件，砖木结构房屋的震害损失和人员伤亡主要由墙体倒塌引起。由于墙体与木构架的自振特性不同，在地震中产生的位移也不相同，在地震荷载作用下极易开裂、酥散，故在地震作用下普遍发生开裂、倾斜以及倒塌的震害。

2.2 砖木结构墙体抗震措施

地震中墙体是最易倒塌伤人的构件，可以通过以下方式减轻墙体的震害：减轻墙体自重；增强墙体整体性；加强墙体和木构架的连接，使两者能协同工作[6-8]。传统木结构建筑建造时的顺序是先立木柱，然后架梁、盖屋顶，最后砌筑砖墙。墙体是围护构件，不承受屋盖重量，所以有“墙倒柱不倒”、“房塌屋不塌”的说法，说的就是传统木结构建筑的特点。砌筑时，围护墙砌筑在木柱外侧，不宜将木柱全部包入墙体中，墙体砌筑在木柱外侧可以避免墙体向内倒塌伤人，并且便于对木柱的情况进行检查。建议砖木结构墙体的抗震措施可以从2个方面入手。

(1) 墙体与木构架间设置拉结

墙体与木构架间的拉结可以采取如下措施：砌体纵横墙交接处每隔一定高度应设置拉结钢筋或拉结钢丝网片；木结构的围护墙在圈梁处与木柱拉结；采用墙揽与木构架拉结；内隔墙墙顶应与梁或屋架下弦拉结。

(2)增强墙体自身整体性

历次震害表明，设有圈梁房屋的震害相对未设置圈梁的房屋要轻得多，设置圈梁是增强房屋整体性和抗倒塌能力的有效措施，作用十分明显；在转角处加设水平拉结钢筋可以加强转角处和内外墙交接处墙体的连接，约束该部位墙体，减轻地震时的破坏。

为增强墙体和木结构的拉结，提出如图1所示拉结措施，设计施工时可采用此方法。本文以典型砖墙围护木结构房屋为原型，制作缩尺模型，通过振动台试验验证该方案的有效性。模型中两面山墙在砌筑时，一面加入拉结措施，一面不加入拉结措施，将两面山墙的试验结果进行对比。

图1 墙体拉结方案

3 抗震加固措施试验研究

3.1 试验模型

为验证图1所示抗震加固措施的有效性，制作缩尺模型进行振动台试验[10-12]。模型原型为典型单层砖木结构房屋，三开间房屋，横向共四榀木构架，两面山墙的木构架为穿斗式，中间开间的木构架为抬梁式，房屋三面有砖围护墙，木柱一半位于墙体内。根据原型，设计制作了1:3的缩尺模型用于进行振动台试验。图中的拉结措施，根据强度等效关系，模型中用镀锌铁丝等效钢筋，等效之后模型中的拉结措施如图2所示。模型制作时，一面山墙加入拉结措施，另一面山墙不加拉结措施，方便试验中对比，以验证拉结措施的拉结效果。模型制作时，木构架架设如图3所示，设置墙体拉结措施如图4所示，最终完成砌筑时如图5所示。

图2 模型拉结措施

图3 架设木构架完成 图4 设置墙体拉结措施 图5 完成墙体砌筑

3.2 试验过程

本次试验选用加速度传感器得到加速度时程，加速度传感器的布置方向与振动台振动方向一致，位移时程由加速度积分得到。两片山墙檐口及墙顶位置均布置加速度传感器。每一种工况下，分别记录下模型中不同位置处加速度传感器的数值。

横向振动时输入的地震波加速度峰值分别为70gal、200gal、300gal、400gal、500gal、600gal、800gal和1000gal等8种。每种加速度峰值的地震波分别输入Elcentro波、Taft波、人工波。试验结束后，两片山墙的裂缝开展情况如图6、7所示。可以看出无拉结山墙裂缝主要集中在木柱两侧，振动过程中，木柱与墙体有脱开的迹象，而有拉结山墙，裂缝出现在墙片中央，呈阶梯形。从裂缝开展情况看，两片山墙的破坏形态有差异。

图6 有拉结山墙裂缝开展情况 图7 无拉结山墙裂缝开展情况

3.3 试验结果与分析

(1)有拉结与无拉结山墙檐口高度加速度对比

以Elcentro波为例，给出了横向振动200gal、600gal时有拉结山墙与无拉结山墙檐口高度加速度对比，如图8、9所示。

图8 有拉结与无拉结山墙檐口高度加速度对比

(横向Elcentro波200gal)

图9 有拉结与无拉结山墙檐口高度加速度对比

(横向Elcentro波600gal)

图10 有拉结与无拉结山墙檐口高度位移对比

(横向Elcentro波200gal)

图11 有拉结与无拉结山墙檐口高度位移对比

(横向Elcentro波600gal)

由上图可知，地震作用水平较低的时候，拉结措施对山墙的地震反应基本没有影响，地震作用水平较高时，拉结措施能明显减小山墙的加速度反应。

(2)有拉结与无拉结山墙檐口高度位移对比

各点位移值利用振动台数据处理软件由加速度积分得到。仍以Elcentro波为例，给出了横向振动200gal、600gal时有拉结山墙与无拉结山墙檐口高度位移对比，如图10、11所示。通过对比发现横向振动时，地震作用水平较低时，有无拉结措施，对于结构位移的影响不大；地震作用水平较高时，有拉结山墙檐口高度位移明显小于无拉结山墙，进一步证明拉结措施在结构出现破坏后能限制结构的位移和变形。

4 结论

砖木结构震害与其结构形式、支撑情况、杆件之间的连接、节点构造以及围护墙体的构造等因素有关。墙体与木构架间的拉结是减少震害的有效措施，振动台试验分析结果表明拉结措施在结构出现破坏后能限制结构的位移和变形。

加速度对比结果表明，地震作用水平较低时，拉结措施对山墙的地震反应基本没有影响，地震作用水平较高时，拉结措施能明显减小山墙的加速度反应。

位移对比结果表明，地震作用水平较低时，有无拉结措施，对于结构位移的影响不大；地震作用水平较高时，有拉结山墙檐口高度位移明显小于无拉结山墙，进一步证明拉结措施在结构出现破坏后能限制结构的位移和变形。

从裂缝开展情况来看，无拉结措施时，墙体与木柱有脱开的迹象，说明墙体有外闪的可能；有拉结措施时，墙体与木柱协同工作，墙体主要沿着灰缝破坏。

[1] 姚侃, 赵鸿铁, 葛鸿鹏.古建筑木结构榫卯连接特性的试验研究[J].工程力学,2006,23(10):168-173.

[2] 葛鸿鹏.中国古代木结构建筑榫卯加固抗震试验研究[D].西安：西安建筑科技大学,2005.

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[4] 单玉坤.木构架砖围护墙房屋的拟静力试验研究[D].河北工业大学,2007.

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[6] 谷军明.村镇木结构房屋建筑抗震构造研究[D].昆明：昆明理工大学,2006.

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(责任编辑:孙文彬)

Experimental Study on the Seismic Strengthening Method for Typical Masonry-Timber Structures

QIAN Fang-fang1，QIAN Kai2，GU Wen-hu1，WANG Peng3

(1.Faculty of Architecture and Civil Engineering, Huaiyin Institute of Technology,Huai'an Jiangsu 223001, China;2.Huai'an Hancheng Construction and Installation Engineering Co., Ltd, Huai'an Jiangsu 223002,China;3.Huaian Testing Center for Construction Engineering Co., Ltd,Huai'an Jiangsu 223001,China)

Masonry-timber structures are widely distributed throughout our country. Wall destruction and collapse are main causes of economic losses and casualties. Therefore wall is a key factor to seismic resistance of masonry-timber structures. The form and distribution of masonry-timber structures were summarized based on the earthquake damage survey and the field investigation. The seismic strengthening method of wall was proposed according to the characteristics of earthquake disaster. In order to verify the effect of the strengthening method, a shaking table test on a model of typical masonry-timber structure was carried out. The test results showed that connecting measure of wall could significantly reduce the reaction of acceleration and displacement under the high level earthquake.

masonry-timber structure;wall;connecting measure;shaking table test

2015-06-06

淮安市科技支撑计划(社会发展)项目(HAS2014021)

钱芳芳(1987-)，女，江苏淮安人，硕士，主要从事工程结构抗震研究。

TU398+.4

A

1009-7961(2015)05-0047-05