周铁钢， 朱瑞召， 宋乐帅， 孟耀杰
（西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055）
[摘要] 以单层坡屋顶原型房屋的1/2缩尺振动台模型为对象，对现代夯土建筑在夯土材料、夯筑机具、夯筑工艺、抗震构造措施等方面的改良技术做了简要说明，重点对结构模型在不同峰值加速度作用下的动力特性、加速度及位移反应、开裂及破坏过程做了详细分析。试验结果表明，良好的机械夯筑性能加上科学有效的构造措施，使现代夯土建筑在遭受相当于8度罕遇地震作用下，仍然可以继续承载，而且表现出较好的变形能力。现代夯土建筑体系具有一定的推广与应用价值。
[关键词] 现代夯土农房；振动台试验；地震反应；抗震性能
0 引言
传统夯土建筑作为生土建筑的主要形式之一，具有就地取材、施工方便、造价低廉、冬暖夏凉、生态环保等特点，目前在我国西部农村地区仍然被广泛使用。但由于墙体力学强度低、耐久性与整体性差、施工缺陷多，传统夯土建筑在遭受中等强度以上地震时往往破坏非常严重。现代夯土建造技术一方面继承了传统夯土建筑生态环保与热工性能好的优点，另一方面对夯土材料的选择进行了优化，同时采用机械夯筑替代手工夯筑，并增设有效的抗震构造措施，使得现代夯土建筑房屋的总体抗震性能得到较大提升。
本次试验在西安建筑科技大学新MTS (4m×4m)振动台上完成，拟通过考察模型结构的破坏机理与破坏模式，对单层现代夯土农宅的总体抗震性能进行评价，并提出切实可行的抗震改进措施，以利于今后现代夯土建筑体系能有较大范围的推广和应用。
1 模型设计
原型房屋为甘肃省会宁县设计的示范农房，单层双坡屋面，开间4. 30m，进深4.90m，檐口高3.00m，屋脊高3.98m。墙体采用重量配合比6：1：3的土、砂、石混合料夯筑而成，墙厚400mm。
考虑到振动台自身的承载条件，房屋模型设计与制作为1/2缩尺，模型长2.45m，宽2.15m，檐口高1. 50m，屋脊高1.99m。模型自重为5.3t，配重3. 21t，底座自重为3.78t，总重约12. 29t。模型基座采用钢筋混凝土制作，基座与振动台台面通过螺栓可靠连接。模型平面图如图1所示。
夯土墙体厚度为200mm。夯土混合料由土、砂、石按一定比例混合而成，土（粗粒土）、砂（中细砂）、石（碎石，粒径在10~30mm之间）均取自原型房屋所在地，重量比为6：1：3。夯土混合料由滚筒搅拌机均匀搅拌．搅拌时含水率控制在12%~15%之间。根据课题组前期所做的8组现代夯土棱柱体抗压试验，采用以上材料与配比的夯土棱柱体平均抗压强度为1. 4MPa。
夯筑机具采用经课题组加工改造的气动夯锤与模板体系。气动夯锤以空气压缩机为动力，冲击力大、频率快，并且夯击力量可以通过调压进行调整。模板体系由竹夹板、角钢连接而成，两侧模板通过拉结螺杆连接；根据不同部位墙体的夯筑要求，模板设计有T形、L形、一字形三种类型，相互之间可以组装使用。
坡屋面采用木屋盖，由3根木檩（直径lOOmm）沿房屋纵向布置，其上布置木椽（40mm×60mm的方木），木椽上钉五合板。屋面配重为混凝土材料，浇筑时用木板隔为300mm×300mm的不同区间，以尽可能减小由于屋盖刚度过大对试验结果造成的有利影响。
抗震构造措施包括构造柱、爬坡圈梁、檐口圈梁及水平配筋带等。构造柱与底层采用现浇方式连接。其中构造柱采用预制，在模型房屋四角内侧布置，截面尺寸为75mm×75mm，混凝土强度等级为C30，钢筋为HPB300级，纵筋为4+6，箍筋为(b4@ 200。在墙体半高位置处设置水平配筋带，檐口水平圈梁及爬坡圈梁厚度均为60mm，宽度同墙厚，且均采用细石混凝土浇筑，纵筋为2书6，分布筋为+4@400。模型制作过程与成型照片如图2所示。
2 振动台试验
2.1相似关系
由于模型结构采用与原型结构相同的材料、施工机械及抗震构造措施，故SE =1，模型结构缩尺比SL=0.5，根据动力相似理论，运用量纲分析法推导出的模型与原型的相似关系如表1所示。
2.2加载方案及测点布置
本次试验选用3组Ⅱ，Ⅲ类场地的天然地震波作为模拟地震振动台台面输入波，其中包括El Centro波、广元波、江油波。在原始波基础上截取的地震波信息如表2所示。
试验从台面输入峰值加速度为47gal开始加载，到台面输入峰值加速度为680gal结束，共经历7级加载。主要加载工况依次为：7度多遇（工况1~7，台面峰值加速度47gal）；8度多遇（工况8—14，台面峰值加速度94gal）；7.5度设防（工况15~21，台面峰值加速度200gal）；7度罕遇（工况22—28，台面峰值加速度294gal）；7.5度罕遇（工况29—35，台面峰值加速度414gal）；8度罕遇（工况36—40，台面峰值加速度534gal）；8.5度罕遇（工况41~44，台面峰值加速度680gal）。
前5级加载为单向地震波输入，即按El Centro波、广元波、江油波分别对模型X向或y向加载。在每个工况加载前后，对模型进行白噪声(0. 035g)扫描，以识别结构的自振频率。
2.3试验现象
当台面输入峰值加速度47 gal和94gal，相当于遭遇7度(0. 035g)多遇和8度(0. 07g)多遇地震作用时，模型无明显晃动，房屋基本完好，在门过梁下部出现一条水平微裂缝，裂缝长度约25mm，宽度约0.10mm。
当台面输入峰值加速度200，294，414gal，相当于遭遇7.5度(0. 15g)设防、7度(0.22g)罕遇和7.5度(0. 31g)罕遇地震作用时，模型有明显晃动，背立面窗洞口四角处裂缝呈八字形发展，并且有局部的小土块脱落；正立面门洞口左上角出现间断裂缝，沿对角线方向发展；西山墙的砂浆带下侧和构造柱的顶部出现多条间断裂缝。随着多个工况的重复加载，墙体裂缝增多并扩展，最大裂缝宽度约2mm，且墙体开裂主要集中在水平配筋带以上部位，水平配筋带以下部位开裂较少。随着荷载反复施加，主要墙体裂缝出现开合现象，屋顶檩条支撑处有轻微松动，局部裂缝处有土块掉渣、剥落现象，房屋从轻微破坏发展到中等破坏。
当台面输入峰值加速度534，680gal，相当于遭遇8度(0.4g)罕遇和8.5度(0.51g)罕遇地震作用时，模型地震反应剧烈，振动声响较大，门窗洞口处的裂缝沿着原有的正八字形裂缝剧烈错动，裂缝一张一合，耗能明显，并且右侧裂缝处有较大的土颗粒掉落；西山墙的构造柱上部出现竖向贯通裂缝，并且有小土块持续脱落，墙体顶部与木屋盖连接处也发生明显松动。截止最后加载工况，房屋没有出现整体倒塌或局部倒塌情况，墙体根部与混凝土底座之间没有发生滑移，且墙体所有裂缝在水平配筋带位置没有贯通，说明墙内设置的构造柱与水平配筋带及墙顶圈梁对夯土墙体产生了很好的约束作用。各加载工况后观察到的裂缝分布图如图3所示。
3 振动台试验结果分析
3.1模型结构动力特性
在初始加载和各级加载工况后，通过白噪声激振来获得模型结构的自振频率。
(1)试验前，模型结构前3阶频率为10. 74，17. 77，25. 39Hz，振动形态分别为X向平动、y向平动和整体扭转。
(2)7度（台面峰值加速度47gal）多遇地震作用后，结构自振频率与初始值相比变化不大，表明结构无损伤；8度（台面峰值加速度94gal）多遇地震作用后已有微小裂缝，X向自振频率降幅为12. 76%，y向自振频率降幅为12. 04%，扭转处自振频率降幅为14. 53 %，结构损伤显著；7.5度(台面峰值加速度414gal)罕遇地震作用后，结构裂缝继续扩展，结构各振型频率进一步下降，结构损伤加剧；8.5度（台面峰值加速度680gal）罕遇地震作用后，X向自振频率降幅为41. 81%．Y向自振频率降幅为56. 05%，扭转处自振频率降幅为56. 6%，结构损伤较为严重，但没有发生倒塌。综上所述，随地震强度增加，模型裂缝扩展，模型损伤累积，自振频率下降。
3.2模型结构加速度反应
不同水准地震作用下模型加速度放大系数K由试验测得，本文仅给出8度(台面峰值加速度94gal)多遇、8.5度（台面峰值加速度680gal）罕遇地震作用下X向、Y向的加速度放大系数沿高度的分布，如图4，5所示。
前4级加载时，屋顶的加速度放大系数呈增长趋势。后3级加载时，屋顶加速度放大系数开始下降，原因为在檐口高度处形成一条水平裂缝，当台面峰值加速度加大时，地震作用沿水平裂缝错动，不能顺利地传送到屋顶，加速度反应与破坏情况基本吻合。
不同水准地震作用下X向、Y向的加速度放大系数均在0. 75m以下和1.5m以上时变化趋于平缓，中间部分变化显著，取值范围控制在1.0~2.8之间，表明构造柱、爬坡圈梁、檐口圈梁及水平配筋带对夯土墙农房的抗震性能有很大的改善。
同一烈度、同一波形地震作用时，模型结构X向的加速度反应均大于y向的加速度反应，说明模型结构y向抗侧刚度相对较大。随着台面输入地震波峰值加速度的加大，模型刚度退化，两方向加速度放大系数均有所下降。
3.3模型结构位移反应
层间位移是指檐口处位移与地梁上表面处位移之差，本文采用加速度时程在频率内的积分方法求得位移。模型位移反应见表3。
在8度（台面峰值加速度94gal）多遇地震作用下，模型的层间位移角基本在111 000~1/4 000之间，甚至更小，仅在门过梁下部出现一条裂缝；在7.5度（台面峰值加速度200gal）设防地震作用下，X向、y向层间位移角最大值为1/475和1/1364，山墙上出现裂缝；在7.5度（台面峰值加速度414gal）罕遇地震作用下，X向、Y向层间位移角最大值为1/201和1/431，由于水平贯通裂缝的出现和扩展，位移增加速度减缓，与实际情况相吻合；在8.5度（台面峰值加速度680gal）罕遇地震作用下，模型相对位移和层间位移角最大值分别小于11. 85 mm及1/127，表明抗震构造措施（构造柱、爬坡圈梁、檐口圈梁及配筋砂浆带）有效地提高了墙体的抗侧刚度、结构的整体性及延性。
同一烈度、同一水准地震作用下输入El Centro波、广元波和江油波，模型结构X向的位移反应大于Y向的位移反应，说明X向刚度比y向刚度弱；同一烈度、同一水准的不同地震波输入时，多以El Centro波输入时模型结构的位移反应最大，说明结构的最大位移不仅取决于输入烈度的大小，还取决于地震波的频谱特性与结构自振特性的关系。
4 结构抗震性能分析
现代夯土建筑构造措施包括：中部配筋砂浆带、构造柱、圈梁以及坡屋顶檩条与三角形山墙的连接，以下从试验角度给出分析：
(1)圈梁：试验过程中圈梁下侧出现水平裂缝，说明夯土墙面所采取的圈梁对墙体进行了有效的约束。另外，山墙的竖向裂缝主要分布在砂浆配筋带以上、檐口圈梁以下的纵横墙交界处，说明构造柱和圈梁具有可靠的连接，发挥了很强的约束作用。
(2)构造柱：在8度罕遇地震作用以前，构造柱在随屋面往复运动过程中与墙体发生相互作用，从而引起纵横墙交接处出现以竖向为主的裂缝，8.5度（台面峰值加速度680gal）罕遇地震下，竖向裂缝继续发展，墙体破坏严重，但并未出现屋面板坠落现象，说明构造柱的设置很好地起到了连接和约束屋顶的作用，避免了楼板发生坍塌与坠落。
(3)配筋砂浆带：由模型结构破坏过程可知，无论是构造柱处竖向裂缝，还是墙面的斜裂缝都在水平配筋砂浆带处停止发展，并没有出现裂缝穿过砂浆带的现象，说明配筋砂浆的存在起到了很好地限制墙体裂缝发展的作用。
(4)坡屋顶檩条与三角形山墙的连接：檩条与墙体之间未发现明显的错动与开裂现象，三角形山墙也没有较大的土颗粒掉落，说明檐口圈梁和两侧爬坡圈梁形成的三角形山墙具有很好的整体性和稳定性，也验证了檩条与爬坡圈梁的构造连接具有较好的可靠性。
根据模型结构相似关系可反推出原型结构相应的动力特性，即原型结构未遭遇地震时的自振频率为6. 58，10. 88，15. 55Hz，相应的周期为0.152，0. 092，0.064s。可以看出，山墙的刚度比纵墙的刚度大，并且随着结构损伤加剧，模型的刚度逐渐减小、自振频率下降、自振周期变长，但耗能显著，对抗震有利。
综合上述分析可知，模型结构破坏主要集中在纵横墙交接处、夯土分层界面、门窗洞口角部以及墙体顶部与现浇板接触位置处，裂缝较宽处伴有掉渣、剥落现象，但并未出现土墙较大幅度的崩塌、压碎现象，说明配筋砂浆带的约束作用有效提高了墙体的抗侧刚度，圈梁和构造柱将夯土墙分割成若干矩形块体，有较好的约束作用，提高了墙体的承载能力和房屋的整体性；模型自振频率较低，自振周期较长，说明模型整体结构较柔、刚度小，但耗能显著，对抗震有利；在8.5度（台面峰值加速度680gal）罕遇地震作用下，虽然模型相对位移和层间位移角最大值分别为11. 85mm及1/127，但墙体裂缝分布较集中，仅少数微小裂缝分散，模型结构具有较好的延性和整体性。
5 结语
从总体上看，良好的机械夯筑性能加上课题组提出的科学有效的构造措施，使得现代夯土建筑不仅具有就地取材、施工方便、造价低廉、冬暖夏凉、生态环保等特点，同时其抗震性能得到大幅提升，在遭受相当于8.5度罕遇地震作用下，模型房屋仍然可以继续承载，而且表现出较好的变形能力。截止目前，同类型示范农房已在安徽、河北、江西和甘肃等地成功建设，随着施工技术的不断成熟以及工程实践的不断深入，相信现代夯土房屋体系必将在全国大范围推广和应用。
