郭強(qiáng)亮，楊新磊

(1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津300384；2.天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)與加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384)

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國內(nèi)夯土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

郭強(qiáng)亮1，楊新磊2

(1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津300384；2.天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)與加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384)

夯土結(jié)構(gòu)具有保溫性能好、造價低、施工工藝簡單、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著強(qiáng)度低、耐久性差、外觀差等缺陷。近年來，夯土課題研究主要集中在三個方面，即夯土材料的基本力學(xué)性能研究、夯土實(shí)體結(jié)構(gòu)模型研究和夯土有限元模擬研究。首先，介紹夯土結(jié)構(gòu)的發(fā)展和研究背景，然后，對當(dāng)前夯土結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究和有限元模擬研究現(xiàn)狀、成果、特點(diǎn)、存在的問題等進(jìn)行總結(jié)，最后，對國內(nèi)夯土結(jié)構(gòu)研究的不足和未來發(fā)展做出展望。

夯土結(jié)構(gòu)；夯土材料；有限元分析；抗震性能；加固；凍融；綠色建筑

作為我國歷史文明的一部分，夯土結(jié)構(gòu)曾有過輝煌的篇章。夯土結(jié)構(gòu)在古代的主要代表有殷商時期的高臺建筑，秦朝的始皇陵和萬里長城，唐朝的長安城，宋代《營造法式》記錄的夯土建筑等，這些建

筑展現(xiàn)了我國古代先進(jìn)的夯土建造技術(shù)[1]。

國內(nèi)現(xiàn)存的民居類夯土建筑也很多，如福建地區(qū)較常見的4～5層的土樓。除此之外，近年來研究較多的代表性民居類夯土建筑有云南黎族的夯土結(jié)構(gòu)房、新疆夯土結(jié)構(gòu)民居建筑、山西甘肅地區(qū)的椽打檣建筑等，體現(xiàn)了夯土結(jié)構(gòu)在解決偏遠(yuǎn)地區(qū)民居問題的重要作用[2-3]。

隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，生土結(jié)構(gòu)建筑自身的耐久性差、抗震性能差、承載能力低、安全性能低、美感差等缺陷使得夯土建筑逐步被遺棄。然而，當(dāng)前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等建筑的大范圍應(yīng)用，消耗了大量的人力、物力、財(cái)力，同時還會對生態(tài)環(huán)境造成一定的傷害。生土結(jié)構(gòu)建筑具有簡易、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，作為21世紀(jì)的綠色建筑類型之一，生土結(jié)構(gòu)具有一定應(yīng)用空間，近年來在國內(nèi)關(guān)于夯土結(jié)構(gòu)方面的課題研究也逐漸增多[4-5]。

1　夯土材料研究

夯土材料的研究課題，主要?dú)w納為：材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、夯土材料抗凍性試驗(yàn)研究等幾種類型[6]。

1.1夯土材料實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容

材料研究作為夯土課題研究的基礎(chǔ)，有著重要的意義。本文分析的材料實(shí)驗(yàn)研究[7-8]主要通過三個材料實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，具體見表1。

表1　代表性夯土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究

由表1發(fā)現(xiàn)：當(dāng)前國內(nèi)關(guān)于夯土材料的研究主要集中在夯土材料的基本力學(xué)性能研究和夯土材料的改性研究。夯土材料研究的內(nèi)容有待進(jìn)一步擴(kuò)充。

1.2材料實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)

(1)西安建筑科技大學(xué)周鐵剛等人通過夯土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，夯土材料的強(qiáng)度受碎石含量、含砂率影響很大。同時，總結(jié)了甘肅會寧地區(qū)夯土材料的土、砂、石三種主要成分的最佳配合比。此外，研究還發(fā)現(xiàn)夯土材料中加入水泥改性材料可以有效提高強(qiáng)度，但會造成污染，破壞夯土綠色材料性能。

(2)通過夯土棱柱體軸心抗壓實(shí)驗(yàn)，研究出夯土材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)泊松比、彈性模量等的獲取方法。該研究為夯土結(jié)構(gòu)研究奠定了基礎(chǔ)。

(3)西安建筑科技大學(xué)的尚建麗等，通過夯土材料抗凍性試驗(yàn)[7]研究發(fā)現(xiàn)，土體的改性可以有效增強(qiáng)土體材料抵抗冰雪凍融、雨水侵蝕等自然循環(huán)作用。因此，研究土體改性是未來夯土材料得以進(jìn)步的必要途徑。

2　夯土實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)研究

國內(nèi)近年來夯土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究主要包括：軸壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、夯土結(jié)構(gòu)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)、加固實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)承載力實(shí)驗(yàn)等幾種類型。

2.1夯土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容及分析

夯土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究比較接近工程實(shí)際，對夯土結(jié)構(gòu)的發(fā)展和既有夯土結(jié)構(gòu)的加固有著重要意義。本文統(tǒng)計(jì)了四個關(guān)于夯土結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)，具體見表2所示[9-12]。

表2　夯土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究

表2介紹的四個夯土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，包含了夯土結(jié)構(gòu)的動力學(xué)實(shí)驗(yàn)、靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)、加固實(shí)驗(yàn)、整體抗震性能實(shí)驗(yàn)，全面研究了夯土結(jié)構(gòu)的各方面性能。

2.2研究成果總結(jié)

(1)西安建筑科技大學(xué)周鐵剛等人通過夯土結(jié)構(gòu)房屋模型振動臺實(shí)驗(yàn)證明夯土結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能良好，具有較高承載力；同時也證實(shí)夯土墻體系動力性能良好，抗震性能良好。

(2)長安大學(xué)王毅紅、陳全杰等人通過即有夯土墻加固實(shí)驗(yàn)[13]發(fā)現(xiàn)加木構(gòu)造柱和木圈梁能夠提高極限承載力；加固后的夯土結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度提高；加固構(gòu)件對縱、橫兩片剪力墻交界處的約束加強(qiáng)；檁條下加墊板可避免集中荷載作用下產(chǎn)生的豎向貫通裂縫。

(3)華僑大學(xué)彭興黔、林俊龍通過福建土樓[14]縮尺模型實(shí)驗(yàn)研究出了現(xiàn)有福建土樓的最佳配合比，同時也證明了夯土結(jié)構(gòu)具有易發(fā)生脆性破壞的缺陷。此外，研究還得出了軸向壓力和夯土墻厚度之間的比例關(guān)系。

(4)夯土墻抗剪破壞試驗(yàn)，周鐵剛和楊華等總結(jié)了夯土墻結(jié)構(gòu)容易開裂，夯筑過程中層間抗剪強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)。同時，研究還發(fā)現(xiàn)夯土墻體系容易出現(xiàn)斜對角開裂的問題。

3　夯土結(jié)構(gòu)有限元模擬研究

有限元法也是夯土研究的重要組成部分。近年來，許多高校進(jìn)行了有限元方面的模擬，比較有代表性的如下[15-17]：

(1)西安建筑科技大學(xué)周鐵剛和張冰冰等的現(xiàn)代夯土結(jié)構(gòu)民居有限元模擬分析。該模擬假定夯土材料各向同性，墻體模型采用solid45，砼屋面板、砼構(gòu)造柱、砼梁等，砂漿部位運(yùn)用solid65模擬，對現(xiàn)代夯土結(jié)構(gòu)縮尺模型進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與震動臺實(shí)驗(yàn)對比[18]。

模擬結(jié)果表明：①現(xiàn)代夯土結(jié)構(gòu)有限元模擬與振動臺實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符；②采取構(gòu)造措施能夠有效地增加結(jié)構(gòu)的整體性、剛度、最大加速度等抗震性能；③有限元分析法能夠較好地模擬夯土結(jié)構(gòu)的受力性能。

(2)西安建筑科技大學(xué)周鐵剛和孟耀杰等的振動臺實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行了實(shí)際房屋有限元模擬，對實(shí)際房屋模型進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析、時程分析等，并與振動臺結(jié)果相比較，進(jìn)而總結(jié)出有限元分析結(jié)果與振動臺實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符[19]。

模擬結(jié)果表明：有限元模型能夠較好地模擬結(jié)構(gòu)實(shí)體的受力性能、抗震性能、破壞薄弱部位等，有助于實(shí)體結(jié)構(gòu)在實(shí)際實(shí)施中進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)、施工、改造等。

(3)四川建筑研究院文枚等人對竹筋夯土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，采用實(shí)體模型solid65模擬墻體，使用Link8 模擬竹筋，并進(jìn)行了單調(diào)荷載作用下的受力性能分析[20]。

模擬結(jié)果表明：通過模擬能夠獲取夯土結(jié)構(gòu)實(shí)體的基本受力性能，進(jìn)而為實(shí)體結(jié)構(gòu)的加固、改造等提供有效的參考。

4　結(jié)語與展望

4.1現(xiàn)代夯土結(jié)構(gòu)研究總結(jié)

現(xiàn)代夯土結(jié)構(gòu)相比古代有了較快的發(fā)展，成立了專門的學(xué)科委員會，有了更先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備；出現(xiàn)了夯土改性材料的開發(fā)和研究；有了先進(jìn)夯土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和計(jì)算機(jī)輔助模擬研究體系。

盡管取得了許多研究成果，但當(dāng)前夯土結(jié)構(gòu)研究體系逐步完善的同時仍存在著許多問題，具體可以分為以下幾個方面：

(1)國內(nèi)多數(shù)夯土結(jié)構(gòu)建筑都位于西部和偏遠(yuǎn)山區(qū)，缺少高端技術(shù)的支持和統(tǒng)一管理。

(2)夯土結(jié)構(gòu)體系實(shí)驗(yàn)研究仍處于初級階段，僅能做到部分區(qū)域內(nèi)的夯土材料、夯土結(jié)構(gòu)構(gòu)件、夯土縮尺模型的實(shí)驗(yàn)研究，還沒有普及到全國所有地區(qū)。

(3)夯土結(jié)構(gòu)體系計(jì)算機(jī)輔助方式研究也僅限于有限元方式研究，其他高科技計(jì)算機(jī)智能技術(shù)、自動化信息采集技術(shù)等應(yīng)用還沒有相關(guān)研究。

(4)國內(nèi)夯土結(jié)構(gòu)研究與國外相比還有一定的差距，比如夯土施工技術(shù)規(guī)范、夯土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、夯土結(jié)構(gòu)勘測規(guī)范等。

(5)夯土結(jié)構(gòu)材料改性、結(jié)構(gòu)體系加固、構(gòu)造措施等方面的研究基本與國內(nèi)其他形式結(jié)構(gòu)加固相似，沒有較為新穎的工藝或措施出現(xiàn)。

(6)夯土結(jié)構(gòu)有限元模擬方面存在結(jié)構(gòu)單元體的選擇、本構(gòu)關(guān)系曲線的定義、塑性階段的非線性分析、各類夯土構(gòu)件的耗能研究等尚不全面。

(7)有限元分析計(jì)算對于夯土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能計(jì)算還沒有相應(yīng)的研究。同時，有限元模擬中對于夯土改性材料的建模研究目前還沒有。

(8)偏遠(yuǎn)山區(qū)的夯土結(jié)構(gòu)存在許多實(shí)際性的震害問題沒有實(shí)際的解決方案和應(yīng)對措施，需要進(jìn)一步研究。

4.2未來展望

通過對夯土結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，夯土結(jié)構(gòu)作為綠色、無污染建筑類型之一，有著很大的發(fā)展?jié)摿?未來夯土結(jié)構(gòu)建筑必將走向智能化、自動化和節(jié)能環(huán)?；Ｈ藗冃哪恐械膫鹘y(tǒng)夯土建筑的耐久性差、抗震性能差、墻體易開裂等缺陷必將被改善。在倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保綠色建筑的今天，夯土結(jié)構(gòu)建筑的研究必將進(jìn)一步開展。

[1]張冰冰.夯土建筑材料耐久性試驗(yàn)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2006.

[2]周鐵鋼，彭道強(qiáng)，穆均，等.現(xiàn)代夯土墻體施工技術(shù)研究與實(shí)踐[J].施工技術(shù),2012,41(15):39～41.

[3]劉敦楨.中國古代建筑史[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,1984.

[4]林俊龍.福建土樓整體夯土結(jié)構(gòu)軸壓承載力的試驗(yàn)研究[D].廈門：華僑大學(xué),2014.

[5]王寶卿.夯土建筑材料耐久性試驗(yàn)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2006.

[6]汪文莉,曾憲偉,索旭方. 生石灰改良粘性土的作用機(jī)理[J].山西交通科技,2003(5):16-17.

[7]王毅紅,梁楗,張項(xiàng)英,等. 我國生土結(jié)構(gòu)研究綜述[J].土木工程學(xué)報,2015(5):98-107.

[8]陳全杰.既有村鎮(zhèn)生土結(jié)構(gòu)房屋承重夯土墻體加固試驗(yàn)研究[D].西安：長安大學(xué),2011.

[9]陳漢清，阿肯江·托呼提，秦?fù)碥?基于靜力彈塑性數(shù)值計(jì)算的素土坯墻體抗震性能分析[J].工程抗震與加固改造，2009，31 (3):113-121.

[10]周鐵鋼,段文強(qiáng),穆鈞,等.全國生土農(nóng)房現(xiàn)狀調(diào)查與抗震性能統(tǒng)計(jì)分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,45(4):487-492.

[11]張虎元,趙天宇.中國古代土工建造方法[J].敦煌研究,2008(5):81～89.

[12]文枚，李洪昌，李巖.竹筋夯土墻單調(diào)水平荷載非線性有限元分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2011,37(3):33-36.

[13]趙成,阿肯江·托呼提.生土建筑研究綜述[J].四川建筑,2010,30(1):31-33.

[14]王毅紅，蘇東君，劉伯權(quán)，等.生土結(jié)構(gòu)房屋的承重夯土墻體抗震性能試驗(yàn)研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007,39 (4):451-456.

[15]王毅紅，卜永紅，劉挺.生土結(jié)構(gòu)房屋的承重土坯墻體抗震性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報，2010，43(s1):526-530.

[16]Mileto C，Vegas F，Cristini V.Rammed earth conservation[M].Boca Raton，F(xiàn)lorida:CRC Press,2012.

[17]黃金勝.云南傳統(tǒng)民居建筑抗震加固方法的研究[D].昆明:昆明理工大學(xué)，2007.

[18]董玉將.傳統(tǒng)夯土民居建筑抗震加固方法研究 [D].西安:西安建筑科技大學(xué)，2011.

[19]Zhang Yanxin，Tong Liping.Performance analysis and strengthening method of rammed earth buildings[J].World Earthquake Engineering，2012，28(2):72-78.

[20]王沖鋒.生土結(jié)構(gòu)房屋抗震構(gòu)造措施研究[D].西安:長安大學(xué)，2012.

Research status of domestic rammed earth structure

GUO Qiang-liang1,YANG Xin-lei2

(1.School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China; 2.Tianjin Key Laboratory of Civil Buildings Protection and Reinforcement,Tianjin 300384,China)

Rammed earth structure has good insulation properties,low cost,simple construction process,green and non pollution,but there are also the defects of the low strength,poor durability and appearance.In recent years, rammed earth research mainly concentrated in three aspects,namely of rammed earth materials research on basic mechanical properties,rammed earth entity structure model research and rammed earth finite element simulation study.First of all,it introduces the research and development background of rammed earth construction,then the rammed earth construction experimental study and finite element simulation research status,achievements,characteristics and existing problems were summarized.Finally,the shortcomings and future development are prospected.

rammed earth structure;rammed earth materials;finite element analysis;seismic performance;reinforcement;freeze-thaw;green building

2016-03-16

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAL03B03)

郭強(qiáng)亮(1987—)，男，河北邯鄲人，碩士研究生。

1674-7046(2016)04-0031-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.006

TU36

A