村镇房屋三篇

2024-07-09

村镇房屋篇1

我国城镇地区已经有较完善的建设标准, 而我国广大农村地区建设标准比较少[1], 在一定程度上影响了我国村镇建筑的发展, 从震害可以看出未采取构造措施 (设置圈梁-构造柱体系) 的房屋破坏较重, 甚至导致整体倒塌[2], 而村镇地区的房屋大多没有构造措施。因此, 对村镇房屋的抗震性能进行研究具有重要的现实意义, 我国对于村镇砖木结构房屋的研究还较少, 重庆大学郑妮娜[3]在其博士论文中对所做的砌体墙片的低周反复荷载试验用ABAQUS进行模拟验证, 结果表明:ABAQUS模拟P-△曲线和裂缝情况与试验吻合较好, 且能模拟出来下降段。另外, 文献[4]、[5]分别用ABAQUS软件与振动台试验进行对比分析, 模拟结果与试验吻合较好, 说明ABAQUS模拟砌体结构是可行的。本文选用ABAQUS软件对西部农村地区某典型二层砖木结构房屋模态分析和反应谱分析, 以期找出结构的抗震薄弱部位, 并可作为农房设计、改造和修复加固时参考和借鉴。

2 有限元模型建立

2.1 工程概况

本文以我国西部地区村镇典型砖木结构房屋为原型建立模型进行有限元分析。该砌体房屋为两层, 层高3m, 三开间, 中间小开间为楼梯, 屋盖类型为木屋盖, 檩条搁置在横墙上, 为横墙承重结构体系。纵横墙体厚度均为240mm, 木檩条平均直径为180mm, 房屋纵横墙连接处设有构造柱 (240mm×240mm) , 一层顶处设置一道圈梁 (240mm×240mm) , 圈梁和构造柱混凝土强度等级为C20, 构造柱和圈梁均按构造要求配有4Ф10钢筋。本文选用村镇建筑的平面布置如图1所示。

2.2 模型简化

村镇房屋属于典型的砖木混合结构房屋。根据现实条件, 需对砖木结构房屋进行简化, 以便于有限元模型的建立和数值分析。

外部荷载等效为结点质量;木屋盖和墙体之间的连接简化为铰接;墙体简化成均匀连续实体, 砌体墙与基础之间的连接简化为刚接;预制空心板与砌体墙体之间连接简化为铰接;根据抗震规范[7]第7.1.7条, 楼板开洞宽度不超过楼板宽度的30%, 属于规则结构, 可以将楼板按刚性假定来处理。

村镇砖木结构楼板普遍采用预制空心板, 为了方便建模, 同砌体墙体一样把楼板简化成均质实体, 把楼板密度乘以折减系数λ, 折减系数的计算 (取一米宽的板带进行计算) 如式 (2-1) 所示。

式中b1、d分别为圆孔间距和直径;t1、t2为圆孔距楼板上部和下部距离, h为楼板厚度。

2.3 模型材料参数

2.3.1 木结构参数

a.木檩条材料参数

根据文献[8]试验研究, 本文木屋盖基本材料参数如表1所示, 由于木材为各向异性材料, 长度方向远大于径向方向。本文选用B31梁单元同时考虑了梁的轴向、弯曲和切向变形。

b.荷载计算参数

根据《荷载设计规范》 (GB50009-2012) [10], 楼 (屋) 盖荷载如表2所示。

檩条等效密度计算公式为:

式中A表示屋盖水平投影面积 (m2) ;q表示屋面荷载值 (k N/m2) ;, n表示屋面檩条数;V表示屋面檩条体积 (m3) 。则檩条的等效密度为:

对于楼盖荷载的等效密度如下:

2.3.2 砌体材料参数

该砖木结构模型, 黏土砖强度为MU10, 砂浆强度等级为M5, 由砌体规范[11]附录公式计算可得砌体的抗压强度平均值fm=3.33MPa。砌体的弹性模量E=2400MPa, 烧结普通砖的泊松比μ=0.15, 密度1900kg/m3。

2.4模型建立

根据对构件简化和假设以及模型的工程概况和材料参数, 建立有限元模型如图2所示。

3 砖木结构模态分析

模态分析一般不考虑结构的阻尼, 结构的振型和各阶频率满足式 (3-1) , 式中Wn为结构第n阶固有频率;ϕn为结构振型模态;K、M分别为结构的刚度矩阵和质量矩阵。

3.1 模态分析结果

结构动力性能直接影响着结构在地震作用下的内力和变形。结构基本周期是结构的基本动力性能之一, 本文的模型结构的周期和振型图见表3和图3。

由表3和图3可知:

a.房屋的基本周期为:纵向Tx=0.184s, 横向Ty=0.082s, 扭转Tz=0.070s。结构在两个主轴方向的频率差别较大, 说明结构的横向刚度较大, 纵向刚度较弱, 这主要是由于纵向墙体开洞较多, 降低了纵墙的刚度。由于模型结构为对称结构且四周有构造柱约束作用, 结构的扭转周期较小。

b.从结构周期与振型变化图中可以看出, 模型第一阶与第二、第三阶周期差别比较大, 但第二和第三阶周期差别不大。由结构振型图可以看出, 结构第一阶和第二阶振型分别为纵向和横向平动, 房屋的扭转振型发生在纵、横向平动之后, 主要扭转振型在第六阶出现。结构的第三到第五振型表现为山墙和纵墙的振动以及檩条的局部振动。

c.从振型应力云图上可以看出山墙的应力和位移最大, 说明房屋山墙平面外刚度较弱。门窗洞口处和纵横墙连接处的应力比较大, 容易引起应力集中。

3.2 频率分析

基于脉动法对110栋多层砌体结构进行动力性能实测, 对基本周期进行回归统计分析, 对于有圈梁和构造柱房屋得出公式如下:

式中T1为基本周期;H、B分别为房屋高度和宽度。

采用脉动法对砖木结构多层房屋进行实测分析, 通过拟合简化得出公式如下:

T1= (0.0131H+0.1127) =0.199 (s) (3-3)

砖木结构模型自振周期为0.184, 与半经验公式差别较小, 即证明该模型的建模是合理的。

4 反应谱分析

采用单质点的加速度反应谱进行分析, 我国抗震规范采用的反应谱是以地震影响系数 (α) 和周期 (T) 的关系给出的, 水平地震力采用标准值FEK。本文分别输入纵向和横向作用, 从结构的受力和变形两个方面来分析房屋的抗震性能。

4.1 纵向地震下结构响应分析

由模态分析结果可知模型在纵向地震作用下刚度较弱, 因此本节首先进行纵向地震作用下的反应谱分析, 施加X方向的地震激励。反应谱分析结果如图4所示。

由图4可知:

a.在8度多遇地震作用下房屋的二层楼层位移大于一层的楼层位移, 每层最大位移分别为0.25mm和0.65mm。结构二层和一层的层间位移角分别为1/7500、1/12000, 结构位移较小, 由表4可知在8度多遇地震下结构满足抗震要求。

b.由整个房屋应力云图可知:房屋主拉应力相对较均匀分布, 应力集中部位主要集中在门窗洞口四角、圈梁和构造柱处、纵横墙连接处、山墙顶部和檩条部位;最大主拉应力发生在二层门窗角部, 达到1.51MPa。

c.由墙体应力云图可知:墙体最大拉应力出现在二层纵横墙连接处, 其值为0.37MPa, 大于砌体规范规定的0.11MPa, 说明在二层纵横墙连接处出现局部开裂现象。墙体剪应力在墙体的窗间墙、窗下墙和山墙处较大, 最大值出现在二层左侧窗户角部, 达到0.16MPa, 接近于墙体非抗震设计时墙体最大剪应力设计值 (0.11MPa) 。

d.整个结构山墙位移最大, 达到3.05mm, 说明山墙的刚度削弱比较大, 从应力云图上可知山墙三角形部分的应力比较大, 应加强山墙平面外的稳定性。檩条与横墙连接处主拉应力和剪应力相对较大, 这主要是由两方面原因造成:一是村镇住宅山墙高度相对较高, 刚度削弱大, 且平面外只有木檩条支撑, 支撑的刚度相对较弱;另一方面是山墙承受檩条传来的集中荷载, 使得山墙的动力效应增大。

通过大量试验研究基础上提出砌体结构容许变形评价指标 (见表4) , 该评价指标参照国内外抗震设计标准, 在总结54个砖砌体墙片抗震试验研究的基础上给出了三种性能水平所对应的层间位移角范围, 并用一栋5层砖砌体建筑进行了验证, 结果表明该方法是可行有效的。

4.2 横向地震下结构响应分析

由结构模态分析可知结构第二振型为横向平动。为了分析结构在Y方向的抗震性能, 类似上节的分析, 输入Y方向的地震激励。横向地震作用下结构的位移和应力见图5。

由图5可知:

a.在8度多遇地震作用下结构横向 (Y向) 二层的楼层位移大于一层的楼层位移, 房屋墙体最大位移发生在两个横墙中间的窗上墙体, 最大位移为0.687mm。这主要是由于两个横墙之间的纵向墙体平面外刚度小, 加上墙体设置窗洞, 导致纵墙平面外刚度削弱。墙体的一层和二层位移分别为0.179mm、0.420mm, 最大层间位移角发生在二层, 为1/12448, 大于一层的层间位移角 (1/16759) , 结构整体位移较小, 由表4.1可知结构能够满足抗震要求。

b.结构整体主拉应力比较小且均匀分布, 整个房屋剪应力较小。墙体主拉应力主要发生在墙体与圈梁和构造柱连接处和横墙洞口处, 横墙主拉应力最大处发生在横墙门洞角部, 达到0.115MPa, 略大于墙体的最大拉应力0.11MPa, 说明在横墙和纵墙连接处引起应力集中。墙体剪应力主要发生在一层横墙和二层横墙底部, 最大值为0.037MPa, 小于墙体抗剪强度0.11MPa, 剪力满足要求。

c.屋盖檩条横向位移达到1.325mm, 且檩条与墙体连接处的应力比较大, 这主要是由于檩条径向刚度比较小, Y方向引起位移比较大。

通过8度多遇地震下结构纵向和横向反应谱分析可知:结构楼层位移较小, 局部有应力集中现象, 结构能够满足抗震要求;在房屋纵横墙连接处、门窗洞口处和山墙等处受力较大, 这些部位在结构设计时应该给予加强。

5 结论

本文主要对二层砖木结构房屋进行模态分析、反应谱分析, 研究结构抗震性能, 主要得出以下结论:

a.通过对结构进行模态分析获得结构的基本动力特性, 结构第一阶、第二阶振型为X、Y向平动, 房屋的扭转振型主要出现在第六阶。得到结构纵向基本周期Tx=0.184s, 横向基本周期Ty=0.082s, 扭转周期Tz=0.070s, 墙体开洞使结构纵向基本周期明显大于横向基本周期, 开洞使纵墙的刚度减小。

b.由纵向地震下应力云图可知:墙体最大拉应力出现在二层纵横墙连接处;墙体剪应力在墙体的窗间墙、窗下墙和山墙处较大;山墙的刚度削弱较大。在设计时应加强房屋门窗洞口处、纵横墙连接处、窗下墙和窗间墙以及山墙部位。

c.由横向地震下应力云图可知:墙体主拉应力主要发生在墙体与圈梁和构造柱连接处和横墙洞口处;墙体剪应力主要发生在一层横墙和二层横墙底部。在设计时应加强纵横墙连接处、门窗洞口处和山墙部位。

村镇房屋篇2

关键词：抗震防灾；村镇建设；房屋建筑

我国的村镇建设由于所处自然环境条件及传统文化、风俗习惯的影响，带有强烈的地方色彩，结构形式和建筑材料是因地制宜和就地取材，一般建筑特别是住宅建筑都没有正规的设计和规范的施工，大多抗震性能未予考虑。

历次地震害证明，地震时大量人员伤亡集中在农村地区，究其原因主要就在于乡村建设时的布局预防措施不到位，未考虑抗震基本要求。因此，本着减轻地震灾害的目标，同时考虑到国力有限的实情，在不增加或少增加投资的情况下，提出恰当的抗震设防要求是十分必要的。

此前，笔者曾就农村小城镇建设先后本县各乡镇进行调研，结合房屋工程工程抗震管理的实践，笔者认为，搞好农村村镇建设抗震防灾作的关键，是抓好村镇建设抗震防灾规划的编制、村镇建构筑物的抗震设计和按照抗震设计施工的一程质量。

一、编制好村镇建设的抗震防灾规划是抵御和减轻地震灾害的重要一环

农村村镇建设抗震防灾规划应包括以下几方面内容:

第一，依据《中国地震动参数区划图》确定本区的抗震设防烈度。

第二，合理有效的土地利用规划。区划出对抗震有利和不利的区域范围，不同地区适宜于建设的结构类型、建筑层数和不应进行工程建设的地域范围根据地震地质、地形地貌和各种环境因素划分出可能出现的滑坡、震陷、液化、水串等不利地段。

第三，避震疏散规划。按地震小区划给出的地震动工程参数，降低乡镇易损建筑组成部分，并考虑设置有足够抗震能力的可用于地震避难的场所。

第四，防止次生灾害规划。易燃易爆和有毒气体工厂应远离村镇居民点，制定有毒物品、危险物品的安全化具体措施。

第五，制定村镇生命线工程抗震防灾规划，尽量做到生命线工程抗震化。

二、村镇建筑的抗震设计是实践规划目标的必要条件

根据《建筑抗震设计规范》一条之规定，抗震设防烈度为度以上地区的建筑，必须进行抗震设计。就是说，该区域的基础设施、中小学校舍、乡镇企业工程乃至村镇木石结构房屋，都要进行抗震设计。

村镇建设的公共建筑、基础设施、中小学校舍、乡镇企业工程的勘察设计工作，应由持有相应资质的勘察设计单位或专项资质证书单位承担。对三层以下的民用住宅、村镇生土房屋、木结构及石结构房屋，也要依照建筑抗震设计规范进行抗震设计。

因地制宜，选择抗震性能良好的结构型式。农村建筑的结构形式往往是根据当地的建筑材料，采用木骨架、生土墙、砖墙柱、石墙等承重形式。在农房震害调查中美明，纵横墙咬砌的砖墙承重房屋，抗震性能优于石墙、土坯墙。因此，新建村镇房屋就优先采用砖墙承重房屋。尽量均匀的设置一些横墙，且与纵墙错缝咬茬砌筑，在墙体转角处适当加一些钢筋，均能有效地提高房屋抗震能力。

三、保证建筑物的施工质量，使其具备必要的耐震能力是提高建筑物结构抗震性的关键

除村镇建设的公共建筑、基础设施、中小学校舍、乡镇企业工程和三层及以上的民用住宅必须由持有相应资质的施工队伍进行施工外，三层以下的民用住宅、村镇生土房屋、木结构及石结构房屋的施工也必须保证施工质量。此类房屋的施工要考虑如下要点:

第一，在砌筑砖墙和石墙时要砂浆饱满，砌筑砂浆等级不低于，砌石要卧砌，尽可能多地搭接砌筑。

第二，砌体中设置的构造柱、圈梁及其它各类构件的混凝土强度等级不应低于。构造柱的混凝土浇灌可以分段进行，每段高度不宜大于1米，或每层分二次浇灌在新老混凝土接搓处，须先用水冲洗、润湿，再铺一厘米厚的水泥砂浆用原混凝土配合比去掉石子方可继续浇灌混凝土。

第三，土坯墙的土坯宜采用优质粘土，掺入草苇加适当的水压制而成。土坯应卧砌，并宜采用粘土浆或粘土石灰浆砌筑。

第四，生土房屋内外墙体应同时交错夯筑或咬砌，外墙四角和内外墙交接处，每隔厘米左右放一层竹筋、木条、荆条等拉结材料。