木结构房屋的抗震性能及保护措施

1、木结构房屋的抗震性能及保护措施前言我国是一个多地震国家,历史上曾发生过多次强烈地震。我国有12个抗震防灾重点防御区,77个重点抗震城市,其中有许多城市都是历史古城,有大量的木结构房屋存在,因此对木结构房屋的抗震性能及保护措施的研究十分重要。本文通过分析木结构房屋在地震中的表现,研究了在不同烈度地震作用下木结构房屋的震害特性,从木结构房屋的构造形式特点出发,并以西安回民保护区房屋为例,对木结构房屋的抗震性能进行了分析,提出了对木结构房屋应采取的抗震保护措施。木结构房屋的震害特点分析木结构房屋的结构骨架是一个由木柱、木梁(或木屋架)组成的框架结构,梁与柱的节点实际上是一种半刚性、半铰接节点,柱底直

2、接搁置于石质基础上,或直接嵌入基础的凹槽,或将木柱做成浅榫与基础连接。木框架起承担和传递屋顶全部荷载的作用,而墙体仅起围护空间的作用,在地震作用下,梁柱榫卯连接处摩擦滑移耗能,而柱底转动滑移减震, 形成良好的隔震消能结构体系,在小震和中震作用下,震害较轻。木结构房屋中,结构构件的联结均采用榫卯联结,虽然榫卯削弱了木构件的承载面积,使结点处的承载力有所下降,但古建筑结构中材料余度很大, 削弱后的木截面面积仍足以承受较大荷载,从而充分利用了半刚性接头的柔性。榫卯联结不仅改变了结构的特性,而且在地震中由于榫卯接触面的摩擦, 耗散了地震能量,相当于在节点处安装了阻尼器,从而减小了结构的地震响应,典型的

3、榫卯结构如图所示。燕尾榫结构,可以承受拉、压两个方向的力。直榫结构的梁能承受极限荷载内的压力,但由于它仅仅是插人柱子中部的矩形孑L中,所以它所能承受的拉力只是榫头与柱子上榫孔之间的最大摩擦力。当 拉力超过最大摩擦力时,榫头与柱将产生相对位移, 其结果是导致结构构件之间出现很大的相对变形, 这种变形一方面改变了结构的整体性,另一方面也调整了结构的内力分配。这种结构的另一个可取之 处是在地震等动力荷载作用下,由此导致的结构松动和构件之间的摩擦吸收了相当部分的能量,从而提高了结构的抗震能力。作为围护结构的砖墙,由于它嵌砌在木柱之间,虽然不承受竖向荷载,但能传递和承受一定的水平地震荷载,提高结构的抗侧

4、刚度,对提高结构的抗震能力有一定的作用。除此之外,木结构有良好的受力性能,它对于瞬间冲击荷载和周期性疲劳破坏具有良好的延展性,其破坏过程是一个渐变的屈服过程,当房屋在地震中晃动时,木结构骨架仍然可以保持结构的整体稳定。在高烈度区,存在木构架房屋保持主体构架屹立不倒的实例。如1998年张家口地区发生的地震中,木结构房屋的破坏是以围护结构的倒塌或严重破坏为主,木屋盖只有极少数坍塌现象,表现出 良好的抗倒塌性能。木结构房屋围护墙、山墙如果采用碎石土或土坯砌成,其结构性较差,在动荷载作用下极易开裂、酥散,在中、低烈度地震作用下可能发生开裂、倾斜甚至倒塌等震害。西安古城有许多木结构房屋,西羊市4号院民

5、居1,坐落于西大街鼓楼以北西羊市街内,向南为化 觉巷清真寺,这里是西安穆斯林聚集的地方,人口密 度大,商贸餐饮业发达。该民居座南面北,分前后两院,前院有门房、过厅,后院有二门、东西厢房和正厅,现存院落南北长54m,东西宽11m,平面呈长方形。门房、正厅均为单层两坡硬山建筑,正厅为一楼一底,厢房为单坡单层硬山建筑。该院民居大约建于清代晚期,已有约一百多年的历史。该院民居保存基本完整,木构架保存完好,门窗改动较大,已非原物,后院地面基本保持原貌,阶沿基本保存完整,个别出现断裂,前院地面因后期改造已非原貌,屋面由于长期失修,多已残破。典型房屋分析4号院部分平面示意图在对4号院民居进行抗震分析时,按8

6、度抗震设防考虑,对计算所得荷载用木结构设计规范(GB500052003)进行抗弯抗拉承载力验算、稳定性验算以及抗压承载力验算，采用有限元分析软件进行计算。木材为TCl3A组,柱的抗压弯承载力以及稳定性均能够达到要求;梁的抗弯承载力和抗剪承载力绝大部分都能满足规范要求,只有极个别的小梁抗弯和抗剪承载力较弱。由于填充墙的存在减小了木框架的侧移,即加大了木框架的刚度,在地震时会增加整个框架的地震力。但也由于墙元的存在,它又相当于剪刀撑,使得木框架的空间整体性能更好,有利于木结构房屋的抗震,这一点在分析中未考虑,它是结构分析中的安全储备。通过对古建木结构房屋的调查研究和单体房屋的受力分析,认为木结构房

7、屋本身具有很多有利于抗震的特性,是一种抗震性能良好的结构形式,但古建木结构房屋大多数建造年代久远,抗震能力的好坏受诸多因素的影响,如采用的木材种类、构造形式、工匠技艺、保护措施等,特别是木材的腐朽程度与填充墙体的形式、质量和联结措施,对其抗震能力有很大的影响。木结构房屋抗震存在的问题(1)木柱木梁房屋的高度不宜超过3m。在所调查的木结构房屋中,其高度均已超过3m;(2)8度和9度时,柱脚应采用铁件或其它措施与基础锚固。由于现有的木结构房屋大都年代久远,柱底直接搁置于基础上或直接嵌入基础的凹槽,并没有考虑相应的锚固措施;(3)围护墙应与木结构可靠拉结,土坯、砖等砌筑的围护墙不应将木柱完全包裹,宜贴砌在木柱外侧。从调查的情况来看,这些房屋并没有做到这一点。(1)对木材质量好,木结构框架强度下降不多、维护保养较好的房屋,主要是观察建筑的节点连接、填充墙材料和砌法及其与木柱的联结方式等,视情况采取构件间的拉接和墙体的加固;(2)对木结构框架的木材已有腐朽、强度下降较多的房屋,或木结构房屋的基础出现不均匀沉降,或其它强度方面的问题,要进行主体的加固措施,