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要］以农村地区现存的传统夯土类住宅为研究对象，根据其结构构造特点建立了有限元分析模型。通过对两种常见
结构类型的静力分析、结构振型频率计算以及地震反应分析，探讨了该类结构在荷载作用下的受力变形特点，找出了结构的薄弱部位并提出了相应的改进意见，为此类建筑抗震性能的提升提供参考。［关键词］夯土类住宅；有限元分析；地震反应谱；加固方法［中图分类号］TU361
法建造起来的建筑，是夯土墙体承重建筑和夯土墙体－木构架混合承重类建筑的总称。作为生土建筑的一个重要组成部分，传统夯土类住宅以其低成本、易加工、良好的保温性和耐久性、优异的可再生性等独特优势，在我国广大农村地区大量存在并一直沿用至今。受历史及经济发展水平的限制，此类建筑几乎没有经过正规设计，在结构和构造方面存在诸多问题，房屋抗震性能与城市房屋相差悬殊，地震中受震害较严重。
夯土房屋多为单层建筑，对于此类房屋，通常的做法是把房屋简化为单质点模型进行分析，此种模型虽能求出结构整体的地震响应，但是不能反映纵
横墙连接处、檩墙连接处以及墙体和木构架间的受力状况。而历次震害表明，这些部位在地震中受震害较重。因此，
本文以农村地区现存的夯土类住宅为研究对象，采用有限元数值模拟分析方法，通过静力分析和地震反应谱分析，探讨了其在地震作用下的受力变形特点，找出了结构的薄弱部位，提出了相应的改进意见，为此类建筑抗震性能的改善提供参考。2
夯土类住宅的常见结构类型及传统构造做法传统夯土类住宅根据其受力特点可分为两种：①夯土墙承重房屋；②夯土墙体－木构架混合承重房屋（以下简称混合承重）。2．1
夯土墙体承重房屋（图1 图2）通常把檩条直接放置在夯土墙上，檩上沿垂直方向布椽，椽子上铺
木板或者木条编织物，并在此上面铺草泥座瓦形成屋盖，整个屋盖结构重量由夯土墙体承担。整个结
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构荷载传递路径为：瓦屋面及其附属荷载→椽子→檩条→墙体→墙体基础。2．2
混合承重房屋（图3 图4）屋面结构和墙体承重类住宅类似，不同的是混合承重类房屋仅在端部山墙部位置檩于墙上，由夯土山墙来承受屋面荷载，而中间不设夯土横墙，改由木构架来承担檩条传递而来的屋面荷载。该类房屋边排木柱多内置或半嵌于夯土墙体中，俗称“顶梁柱”。整个结构荷载传递路径为：瓦屋面及其附属荷载→椽子→檩条→墙体或木构架→墙体基础或柱础。
材，墙厚一般在300mm 500mm ，檩沿墙近似等距分布，直径在150mm 250mm 之间，窗洞口尺寸一般为900mm ?1200mm （宽?高）。本文以农村地区上述两种典型夯土类住宅为研究对象进行分析。
对于夯土墙体－木构架混合承重类夯土建筑而言，木构架各构件之间的连接对确保结构构件间协同工作和结构的整体性至关重要。常见的一些连接构造见图5所示。2．3
夯土类建筑分布广泛，各个地区的屋面做法有着各自不同的特点。通过调研发现在农村地区该类屋面做法主要有两种，见图6所示。
3夯土类住宅荷载取值及有限元模型建立为了获得夯土房屋整体结构及其构件在地震作
用下的响应，本文采用有限元分析方法对夯土房屋建立整体模型，分别考虑纵、横方向地震作用，采用振型分解反应谱法来对结构进行更为精细的分析。3．1
夯土房屋屋面的通常做法如图6所示，在此以图6（b ）为例进行计算。该屋面瓦、草泥重量通过椽子传递到檩条上，再由檩条传递给夯土墙体。为了便于分析，本文把整个屋面及木屋架的荷载转换为木檩的等效密度［1］，施加在木檩条上。3．2
根据常见夯土类建筑的构造特点，本文在分析中做了如下假定：夯土墙体为连续均匀介质，采用基于Drucke-Prager 屈服准则的弹塑性本构模型；木材视作弹性体，但考虑各项异性；墙体和檩条连接位置、房屋底部和基础之间不存在相对位移。考虑到此类房屋的构造做法，对于混合承重结构的边柱和墙体接触部位放松竖向约束。由于传统木构件之间的连接多采用榫卯连接，该连接具有比刚性连接弱而比铰接强的特点，故在分析中采用半刚性连接来进行模拟。
建立计算模型时，夯土墙体厚度取400mm ，墙体密度为1．9?103kg /m 3，
木檩取等效密度8496．58kg /m 3，夯土墙弹性模量［2］取6．9?107Pa ，泊松比，粘聚力35．3kPa ，内摩擦角25．3?
木檩直径取180mm ，木柱直径取120mm 。木材顺纹弹性模量9?109Pa ，泊松比0．3，其它方向模量按其和顺纹弹性模量的关系［3］来取值。根据现有研究成果［2］，半刚性连接参数K x =1．26?109kN /m ，K y =K z =1．41?109kN /m ，K θ=1．5?103kN /m ，结构阻尼比取0．05。假定建筑处于七度区II 类场地，水平地震影响系数［4］最大值αmax =0．08。4
夯土类住宅在静力作用下的受力变形特点传统夯土类住宅因考虑保温要求，屋盖通常较为厚重；因夯土墙体强度较小故墙体厚度较大，因此自重对结构影响显著。为了获得两种结构在静力作用下的受力变形特点，本文在建立上述模型基础上，采用对结构施加重力作用的方法加以实现。
由分析可知，在重力作用下，墙体承重和混合承重结构Z 向（竖向）位移最大，最大位移均发生在檩条跨中附近，位移大小分别为6．55mm 和6．80mm ，均满足规范［5］关于构件最大位移不超过L /250（约 ）的要求。两类结构其他两个方向最大位移
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在0．7mm 左右，位移较小。这也说明了传统木结构构件在选材上有较大余度
应力方面，传统夯土类住宅檩条和墙体交接位置通常不设置垫块，因而在该部位会产生很大的局压应力。通过表1对比可以看出，夯土墙体承重结构檩－墙连接位置的应力比约为混合承重结构的2倍，可能导致夯土材料的破坏。而该位置是屋盖结构和墙体间的重要连接部位，对于确保结构整体性至关重要。因此，在此类建筑的加固和改建中应对此部位予以加强，或者采取合理的构造措施减小其
局压应力，增大连接的可靠性，进而增强整个结构的整体性。5夯土类住宅在地震作用下的受力变形特点5．1
为了获得结构的频率及振型参数，在上述模型基础上通过采用子空间迭代法［6 7］进行求解计算，结果如表2及图8 图9所示。
由结构低阶频率及振型可以看出，夯土墙体承重结构1阶振型为结构沿纵向振动，5阶为横向振动，结构纵向基本周期T x =0．35s 左右，结构横向基本周期T y =0．28s 左右；混合承重结构1阶振型为横向振动，3阶为纵向振动，结构纵向基本周期T x =
在求得结构各阶频率参数的基础上，对其进行地震反应分析。根据场地特征周期由地震影响系数曲线］计算出地震影响系数，进而得出施加在结构
上的加速度值。对结构施加各向地震作用进行地震反应分析，计算中取前5阶按位移采用平方和开方法进行组合，进而求得结构的受力和变形结果。具体分析结果如下：
由图10可以看出，夯土墙体承重结构在X 方向（纵向）地震作用下，结构沿X 方向最大位移发生在山墙中部，位移大小为5mm ，相邻横墙中部位移最大位置也发生在墙体中部，位移大小为3．3mm 。可见，山墙在X 方向地震作用中，较中间横墙更为不利；混合承重结构在该方向地震作用下变形与前者类似，山墙中部位移最大，其值为4．7mm 。因此，夯土类住宅的山墙位置宜采取合理的构造措施来增强其平面外抗弯刚度，以减小其在地震作用下的横向变形。
夯土墙体承重结构在Y 方向（横向）地震作用下，结构沿Y 方向最大位移发生在中开间纵墙中部顶面，位移大小为3．5mm ；而混合承重结构由于木构架横向抗侧刚度较弱，在该方向地震作用下位移较大，其值为9．3mm ，即横向地震作用对混合承重结构而言更为不利。此外，墙体承重结构纵墙顶面位移在中开间变化梯度较大，混合承重结构位移虽较平缓但数值较大，分别导致纵横墙连接部位、以及边排木柱和纵墙连接位置产生较大应力，因此，夯土类住宅的纵墙宜采取合理的构造措施来协调各部分的横向变形，进而减小其整体横向位移。
对于夯土类住宅尤其是墙体承重结构而言，888集团官网入口檩条和夯土墙体间连接是屋盖结构和夯土墙体间连接的关键部位，对整个结构的协同工作起着至关重要
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的作用；对于混合承重结构来说，檩条和木构架之间的连接对确保屋盖结构整体性，协调整个结构变形同样至关重要。由分析可得两种常见结构檩－墙间剪力分配如图12 图13所示
由于传统夯土类住宅屋盖檩条上密布椽子，在地震作用下，椽子对各排檩条间变形起协调作用，致使边排檩分担了较多的檩－墙间剪力，
各排檩所分担的檩－墙间剪力呈现出由两侧向中间逐渐递减的趋势。而②、③轴线由于受荷面积较大因此分担了较多的檩－墙间剪力。6
针对上述两类夯土建筑在分析中出现的问题，本文认为可以从几个方面着手加以改进，以提升其使用功能。
（1）混合承重结构增设墙头梁。对于现有混合承重夯土类住宅，为了减小结构在横向地震作用下纵墙顶部的变形，
本文建议通过在纵墙顶面设置如图14所示的“墙头梁”或者“木圈梁”来加以解决。
（2）檩墙连接位置设置垫块。在静力作用下，夯土类住宅檩－墙连接位置存在较大的局压应力，而夯土墙体承重结构由于中间横墙受荷面积较大而表现的更为明显；在地震作用下，中间横墙又分担了较大的檩－墙间剪力，
这对于夯土这种低强度的脆性材料来说是极为不利的。为了减小檩－墙之间连接部位过大的局部压应力，增强檩墙间连接的可靠性，本文建议可采用图15所示增设垫块的方式来加以改进。
（3）山墙中部纵向地震下外凸的改进方法。由于山墙高厚比较大，墙体沿纵向缺乏约束，两类结构在纵向地震作用下山墙中部出现“起鼓”现象。而山墙顶面由于受檩条约束，在檩－墙连接处将产生较大的相互作用，这对檩－墙连接是不利的。对此，
（4）檩条和木构架间连接加强措施。对于混合承重结构而言，檩条和木构架之间的连接可靠与否对保证结构的整体性以及两者之间的协同工作起着至关重要的作用。然而在现有一些连接方式中，檩－柱间连结仅靠重力作用来实现，这些做法在静力作用下对结构影响不大，但是在地震作用下将对结构受力造成不利影响，甚至引起结构倒塌破坏。因此，在不改变其连接半刚性特点的前提下对该节点增设直角支撑，以提高连接的可靠性，进而提升整个结构的抗震性能。
此外，由于夯土墙体多采用板筑法，在纵横墙连接部位采用交错搭接连接，连接较为薄弱。而纵横墙连接部位是地震作用下约束墙体平面外变形，保证结构整体性的重要部位，因此可在墙体中每隔一定高度增设竹筋、藤条等拉结措施予以加强。7
体承重建筑和夯土墙体－木构架混合承重建筑，分别建立有限元模型进行分析，通过分析获得以下主要结论：
（1）静力分析发现檩－墙连接部位存在着较大的局压应力，这在墙体承重结构中更为明显，其峰值应力是墙底平均应力值的3倍以上，这对身为脆性材料的夯土墙体是极为不利的。
（2）通过结构频率及振型的求解计算，获得了结构的低阶频率及振型。墙体承重结构1阶沿纵向振动，5阶为结构沿横向振动；混合承重结构1阶为横向振动，
3阶为结构沿纵向振动。（3）通过对两个薄弱方向施加地震作用，探讨了传统夯土类住宅在地震作用下的受力变形特点，分析表明，纵向地震作用下夯土类住宅山墙中部位移最大，发生“起鼓”
现象，（4）针对夯土类住宅在地震作用下的受力变形特点，本文提出在檩－墙连接部位设置垫块来减小
该部位的局压应力，进而确保屋盖结构和墙体协同工作；在山墙端部设置“壁柱”或“扶壁”来增强山墙的横向抗侧刚度，进而减小其中部变形；在混合承重结构纵墙顶面设置墙头梁来减小其横向变形，同时减小木柱和墙体间的相互作用力；在混合承重结构中檩条－木构架节点设置直角支撑以增强连接的可靠性。
