EXPERIMENTAL STUDY ON EARTHQUAKE RESISTANCE OF PRESTRESSED REINFORCED RAW-SOIL STRUCTURE
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摘要: 生土结构预应力加固技术是针对碹窑结构缺陷提出的新型抗震加固技术。预应力加固主要分为预应力穿墙螺栓拉结、预应力钢拱圈支撑和预应力钢绞线拉结3大类型。对加固后的碹窑进行原位爆破试验，试验结果表明：预应力加固结构体系对窑身y方向的抗震性能提升显著；预应力穿墙螺栓在爆破激励下对窑脸起到明显的拉结作用；碹窑内部门洞处应力集中，加固设计时应重点关注。该加固技术适合在碹窑民居危房加固改造项目中推广应用，具有重要的科学理论价值、现实意义与应用前景。Abstract: The prestressed reinforcement technology of raw-soil structure is a new aseismic reinforcement technology for the defects of arch kiln structure. The prestressed reinforcement technology is mainly divided into three types: prestressing wall piercing bolt, prestressing steel arch ring and prestressing steel strand. In situ blasting test of reinforced arch kiln structure shows that the seismic performance of the arch kiln in y direction is improved more significantly. The prestressed wall piercing bolt plays an obvious role in drawing the kiln face under the blasting excitation. The stress concentration in the side doors of arch kiln should be paid more attention in reinforcement design. The reinforcement technology can be promoted and applied in the reinforcement and reconstruction project of dilapidated houses. The technology has important scientific theoretical value, practical significance and application prospects.
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生土民居作为我国建筑文化瑰宝，广泛分布于西北、云贵、甘陕等地区的各个村落。河北省怀安境内的碹窑民居则是古语所言“南方垒木为巢，北方抟土而居”中北方生土建筑的典型代表。碹窑多为村民自建，未经正规结构设计，不具备抗震能力，所以小震致灾甚至小震大灾成为碹窑民居的致命缺陷[1]。
近些年，国家大力推进农村危房加固改造工作，科研人员积极响应国家号召，肩负起危房改造的科研任务，针对生土民居提出了多种可行的加固措施。孙满利等[2]提出木制锚杆加固生土结构措施，并实践证实加固措施效果显著。Hu Rongrong等[3]提出铁丝网加固夯土墙的方法，并利用振动台试验证实加固措施有效。张琰鑫等[4]提出檩条下设置弧形垫块、墙外侧设置扶壁柱和纵墙顶面设置木圈梁的加固方法。卜永红等[5]提出内置绳网增强生土结构房屋整体性能，提高抗震能力的技术。胡晓峰等[6]针对黄土窑洞特有的结构形式，分析窑洞常见破坏原因，提出设置型钢支架、砖砌拱券等一系列加固措施。周铁钢等[7-9]针对传统生土民居的抗震缺陷提出了墙体内外设置水平、竖向配筋砂浆带，X形配筋砂浆带，竹胶板加固等一系列生土建筑加固方法。
但是，不同地区的生土建筑，其结构类型不尽相同，加固方案要根据建筑结构特点切实制定。经走访调研和查阅文献，汇总碹窑常见病害，借鉴已有加固方法[10]，提出一套针对碹窑结构缺陷的预应力加固方案。
1 试验概况
1.1 场地概况
试验场地位于张家口市怀安县，场地抗震烈度为7度，设计基本加速度为0.15 g，根据钻探揭露土层估算该范围内等效剪切波速为223.00 m/s~315.00 m/s，场地覆土厚度小于50 m，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011−2010)判定场地属于中软土，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期0.40 s[11]。场地土层物理力学性能指标如表1所示。
表 1 土层物理力学性能指标Table 1. Physical and mechanical performance index of soil layer土层名称 土层厚度/
m重度γ/
(kN/m3)黏聚力c/
kPa内摩擦角φ/
(°)压缩模量/
MPa细砂 6.4 17.8 0.0 18.0 4.1 中砂 5.7 18.4 0.0 24.0 8.1 粗砂 3.5 19.1 0.0 26.0 9.1 粉质粘土 0.9 18.0 24.1 25.0 7.2 中砂 4.2 18.5 0.0 26.0 7.9 1.2 生土结构预应力加固
拟加固生土建筑属于传统碹窑结构，其构造如图1、图2所示。走访调研过程中，发现老旧民居结构破坏主要为3大类型：1)窑脸与窑身分离，严重者发生窑脸倾覆；2)夯土墙与土坯拱脚处出现横向裂缝，且向两端持续延伸；3)土坯拱顶出现纵向贯通裂缝，严重者拱顶发生塌落。
借鉴已有混凝土预应力加固方法[12-13]，针对碹窑结构缺陷，提出预应力穿墙螺栓拉结、预应力钢拱圈支撑和预应力钢绞线拉结3类加固措施，如图3~图5所示。预应力穿墙螺栓加固窑脸方式：穿墙螺栓一端与窑脸外侧矩形钢板紧固，另一端与位于窑脸内侧且与夯土墙连接的L形钢板紧固，通过松紧螺母对螺杆施加预应力，达到拉结窑脸，防止倾覆的作用。预应力钢拱圈加固土坯拱顶方式：钢拱圈两端固定于夯土墙顶部，安装时，通过挤压钢拱圈两侧端部，对其施加沿拱圈向上的预应力，达到支撑拱顶防止土坯塌落的作用。预应力钢绞线加固窑身方式：钢绞线穿过相邻加固钢板端部，施加指定预应力后锁定，达到增强建筑整体性能、增加结构刚度的作用。
1.3 试验方案
试验采用爆破激振模拟震源[14]，沿碹窑中轴线，距窑脸2.0 m、3.0 m、7.2 m，深度1.6 m处实施爆破，爆破位置如图6所示。本次试验选用941B型超低频振动传感器，频率为0.25 Hz~200 Hz，所测加速度最大量程为20 m/s2，与941型放大器配接后的加速度分辨率为5×10−6 m/s2，信号采集选用G01USB32型数据采集系统，采样频率可达400 kHz，设备连接方式如图7所示。
2 预应力加固结构动力响应分析
为分析生土结构预应力加固后的动力响应，沿窑身设置加速度传感器并提取爆破荷载下峰值加速度数据，加速度传感器位置如图8、表2所示。图9为窑身的动力放大系数曲线，由图9可见x方向动力放大系数自墙底至拱顶先增大后减小。夯土墙x方向动力放大系数自下而上持续增大，说明夯土墙在动力荷载作用下x方向的整体性能良好，随着传感器布设高度增加，土坯拱脚处的动力放大系数出现转折，呈现衰减现象，其主要原因在于生土碹窑修建时，土坯拱券直接码放于夯土墙体之上，两者之间无有效连接，仅靠土坯拱顶重力提供x方向约束，以至于激振作用下，动力放大系数呈衰减趋势。拱脚至拱顶范围，动力放大系数持续衰减，由于拱顶修建时，土坯码放不可避免存在间隙，加速度向上传递时，土坯相互作用吸收部分能力，造成动力放大系数减小。
表 2 传感器位置表Table 2. Sensor locations传感器编号 安装位置 与地面距离/m 1# 夯土墙底部 0 2# 夯土墙顶部 1.3 3# 土坯拱脚部 1.7 4# 土坯拱顶部 3.0 ![]()
图 9 窑身x方向的动力放大系数曲线Figure 9. Dynamic amplification coefficient curve of kiln body in x direction图10为窑身y方向动力放大系数曲线，如图10所示夯土墙y方向动力放大系数随高度增加而持续增大，且y方向动力放大系数大于x方向，由此可见，夯土墙y方向的整体性更好。土坯拱脚处的x方向动力放大系数减小，但y方向动力放大系数持续增大，主要由3方面原因造成：其一，窑脸与后墙对夯土墙与土坯拱顶存在y方向的约束作用；其二，加固钢板设置于夯土墙与土坯拱顶交界部位，并通过预应力钢绞线沿y方向拉结，增强结构整体性能；其三，土坯拱顶在自身重力下，形成夯土墙与土坯拱顶的y方向约束。
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图 10 窑身y方向动力放大系数曲线Figure 10. Dynamic amplification coefficient curve of kiln body in y direction窑脸部位自下而上布设加速度传感器，传感器位置如图11所示。采集传感器峰值加速度绘制如图12所示的动力放大系数曲线。排除位于加固钢板的3#传感器，窑脸y方向动力放大系数自下而上呈变大趋势，与现代建筑放大系数变化规律相同，呈“倒三角”形态分布，由此说明，窑脸整体性能良好，动力荷载下不易发生坍塌破坏，与调研发现的破坏规律吻合，即窑脸多发生倾倒破坏而不发生塌落破坏。预应力穿墙螺栓拉结作用下，加固钢板动力放大系数突变减小，证明预应力穿墙螺栓可有效防止窑脸发生倾倒破坏。
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图 12 窑脸y方向动力放大系数曲线Figure 12. Dynamic amplification coefficient curve of kiln face in y direction图13为拱顶传感器布设图，1#传感器位于窑脸拱顶处，2#~7#传感器位于加固钢拱圈顶部，8#传感器位于后墙处。图14为沿拱顶纵深方向分布的峰值加速度曲线图，从图14可以看出，随着震源远离建筑，传感器峰值加速度逐渐减小。1#传感器与2#传感器位置临近但峰值加速度相差很大，因为1#传感器位于土坯窑脸，2#传感器位于钢制拱圈，钢拱圈的动力放大作用大于土坯。3#传感器峰值加速度衰减后，4#传感器峰值加速度再次增强，其原因是4#拱圈两端靠近门洞，爆破激振下，门洞处应力集中，致使4#传感器峰值加速度增大。位于后墙8#传感器的峰值加速度最小，因为房屋北侧有高度大约为1.5 m的土堆紧靠在后墙上，从而增加了y方向的刚度。
为分析加固结构抗震效果，加固钢板板面设置1#~4#加速度传感器，其位置如图15所示。1#、2#传感器布设于窑脸外部加固钢板，3#、4#传感器布设于窑脸内部加固钢板，分析如表3所示传感器数据可知，不同爆破距离，窑脸外部钢板的峰值加速度与内部钢板的峰值加速度极为接近，说明预应力穿墙螺栓对窑脸起到较好的拉结作用。对应位置处窑脸外部加固钢板峰值加速度小于内部加固钢板，因为窑脸在爆破激励下，加固钢板间土坯发生挤压变形，达到“减震”效果。
表 3 加固钢板位置传感器采集数据Table 3. Reinforced steel plate position sensors/(m/s2) 震源/m 1#传感器 2#传感器 3#传感器 4#传感器 2 211 207 236 243 3 157 153 171 164 7.2 96 85 103 107 3 结论
本文深入研究了预应力加固碹窑民居在爆破荷载下的动力响应，得到以下结论：
(1)对比加固后x、y方向的窑身动力放大系数曲线发现，预应力加固结构体系对窑身y方向的抗震性能提升更加明显。
(2)窑脸动力放大系数曲线自下而上总体呈“倒三角”分布，加固钢板处动力放大系数发生突减，说明预应力穿墙螺栓在爆破激励下起到明显的拉结作用。
(3)碹窑内部门洞附近钢拱圈顶部峰值加速度较大是由门洞处应力集中造成的，加固设计时应重点关注此部位。
本文提出的预应力加固技术所用构件常见易得，成本低廉，工艺简单，适合在碹窑民居危房加固改造项目中推广、应用，具有重要的科学理论价值、现实意义与应用前景。
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图 9 窑身x方向的动力放大系数曲线
Figure 9. Dynamic amplification coefficient curve of kiln body in x direction
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图 10 窑身y方向动力放大系数曲线
Figure 10. Dynamic amplification coefficient curve of kiln body in y direction
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图 12 窑脸y方向动力放大系数曲线
Figure 12. Dynamic amplification coefficient curve of kiln face in y direction
表 1 土层物理力学性能指标
Table 1 Physical and mechanical performance index of soil layer
土层名称 土层厚度/
m重度γ/
(kN/m3)黏聚力c/
kPa内摩擦角φ/
(°)压缩模量/
MPa细砂 6.4 17.8 0.0 18.0 4.1 中砂 5.7 18.4 0.0 24.0 8.1 粗砂 3.5 19.1 0.0 26.0 9.1 粉质粘土 0.9 18.0 24.1 25.0 7.2 中砂 4.2 18.5 0.0 26.0 7.9 
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表 2 传感器位置表
Table 2 Sensor locations
传感器编号 安装位置 与地面距离/m 1# 夯土墙底部 0 2# 夯土墙顶部 1.3 3# 土坯拱脚部 1.7 4# 土坯拱顶部 3.0
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表 3 加固钢板位置传感器采集数据
Table 3 Reinforced steel plate position sensors
/(m/s2) 震源/m 1#传感器 2#传感器 3#传感器 4#传感器 2 211 207 236 243 3 157 153 171 164 7.2 96 85 103 107
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1. 董豪康，高永林，柏文峰，苏何先. 新型土坯墙建筑地震模拟振动台试验研究. 地震工程与工程振动. 2024(05): 61-70 . 
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