夯土墙房屋纵横墙交接处裂缝成因及控制技术研究

张宗敏， 童丽萍

(郑州大学土木工程学院 河南郑州450001)

0 引言

夯土墙房屋是指以杵等工具将未经焙烧的原状土逐层夯实的方法建造起来的建筑．夯土墙房屋使用地方材料建造，生土无需烧制，节约能源，对环境无污染，造价低，夯土墙能很好地隔绝夏天室外热量，也能有效地阻挡冬天室外寒气入侵，有“冬暖夏凉”的特点．此外，夯土墙房屋拆除后的建筑废料可以回归农田，以此来实现循环利用和生态平衡，这些特点使得夯土建筑具有强大的生命力．

但是，村镇的夯土墙房屋多为村民的自建房，房屋建造的季节、采用的结构形式等，完全取决于房主的财力、当地的风俗习惯和建筑工匠的经验，随意性较大．村民在建造房屋的过程中防灾意识淡薄，防灾知识缺乏，采用不科学的传统做法对防灾不利，由此造成了很多结构安全隐患，如夯土墙体的材料强度低、夯土结构的整体性差、房屋构件间的连接薄弱等．其中，夯土墙体在纵横墙交接部位产生的竖向裂缝就是一种常见的破坏形式，如图1所示．纵横墙交接部位产生裂缝后，纵墙和横墙之间的相互拉结作用减弱，房屋结构的整体性削弱，如果任由其发展，会导致“房倒屋塌”的重大安全事故，后果不堪设想．

图1 纵横墙交接处裂缝Fig．1 The wall cracks of vertical and horizontal junction

考虑到目前我国还有相当多的村镇居民在夯土墙房屋内居住，作者对夯土墙房屋纵横墙交接部位的受力和变形性能进行了全面研究，揭示了纵横墙交接部位夯土墙体的开裂和裂缝开展机理．在此基础上，验证了在现行规范和规程中控制纵横墙交接部位裂缝的构造措施的合理性和有效性．

1 夯土墙承重房屋纵横墙交接处的墙体裂缝

以农村地区典型的夯土墙房屋结构为研究对象［1］，此房屋为单层的三开间建筑，硬山搁檩，夯土墙承重，墙厚400 mm，檩条直径180 mm，窗洞口尺寸900 mm×1 200 mm(宽×高)，如图2和3所示(图中沿纵墙方向为X轴，沿横墙方向为Y轴，沿墙高方向为Z轴，图中结构尺寸单位为mm，标高尺寸单位为m)．荷载的传递路径为:瓦屋面及其附属荷载→椽子→檩条→墙体→墙体基础．

图2 夯土房屋平面图Fig．2 The plan of rammed earth house

图3 夯土房屋1-1剖面图Fig．3 1-1 section of rammed earth house

纵横墙交接处的墙体在施工时，往往先夯筑一个方向的墙体，然后再夯筑另外一方向的墙体，交接处墙体并不是整体夯筑而成，从而造成这一部位墙体之间的拉结作用较弱．施工完毕后的墙体，随着夯土墙水分的蒸发，墙体会出现一定程度的干缩，在纵横墙交接处产生竖向的细微裂缝．在自重作用下，纵、横墙受力差异较大和两者之间的沉降差容易导致在墙体交接部位产生拉应力．此外，纵横墙交接处墙体在地震作用下，容易出现应力集中而造成墙体开裂．

对于夯筑方法不当引起的裂缝，可通过改进夯筑顺序和对纵横墙交接处的墙体进行整体夯筑来避免．对于墙体干缩导致的裂缝，可以通过加强对夯筑后墙体的保养(如及时加盖草垫或塑料布)等方式来克服．总体上来说由上述两种原因引起的裂缝一般不会对房屋的整体安全构成严重威胁，并且在房屋施工时只要采取一些简单的措施就可以克服．而在自重和地震作用下，纵横墙交接处的墙体裂缝宽度大且延伸长，对夯土房屋的整体性和安全性会产生重大影响．作者采用数值分析方法，对自重和地震作用下夯土房屋的受力和变形进行分析，探讨纵横墙交接处产生裂缝的深层原因．

2 纵横墙交接处裂缝的成因分析

2．1 数值分析模型的建立

采用大型通用数值分析程序建立模型．在分析中，假定夯土墙体和木材材质均匀，各檩条之间变形协调，檩条和墙体之间、墙体底部和基础之间不发生相对位移．

夯土墙体采用Solid 45单元，土体采用D-P屈服准则下的弹塑性本构模型，黏聚力为45．3 kPa，内摩擦角为 30°，弹性模量为 6．9 ×107Pa，泊松比为 0．347，密度为1．9 ×103kg/m3．木檩条采用 Beam 4 单元，木檩条与墙体接触部位采用Solid 73单元．

房屋处于7度区，水平地震影响系数最大值αmax=0．08，场地类型为Ⅱ类［2］．最终建立的数值分析模型如图4(图中沿纵墙方向为X轴，沿横墙方向为Y轴，沿墙高方向为Z轴)．

2．2 自重分析

自重作用的分析结果，如图5、6所示．

位移方面，墙体主要表现为Z方向的位移，最大位移发生于中间横墙的山尖位置，纵横墙交接部位的沉降梯度(即沉降量的变化率)较大．其主要原因是中间横墙承受的屋面荷载约为山墙的两倍，中间横墙在较大的屋面荷载作用下位移较大．

图5 自重作用时Z方向位移云图Fig．5 Z displacement cloud under gravity

图4 夯土房屋有限元模型Fig．4 Finite element model of rammed earth house

图6 自重作用时X方向应力云图Fig．6 X stress cloud under gravity

应力方面，墙体在XY、YZ、XZ三个方向的剪应力较小，Y、Z方向正应力纵横墙交接处未出现拉应力以及应力集中，因此这几个方向的应力云图未给出．自重作用下房屋总体上在X方向为受压状态，但在山墙与纵墙交接处的墙体中部和中间横墙与纵墙交接处的上部出现了拉应力区．

2．3 X方向水平地震分析

地震分析采用地震反应谱分析方法［3］．

X方向地震作用的分析结果，如图7～9所示．

图7 X方向地震作用下X方向位移云图Fig．7 X displacement cloud under the earthquake of X direction

图8 X方向地震作用下X方向应力云图Fig．8 X stress cloud under the earthquake of X direction

位移方面，墙体主要表现为X方向的位移，山墙和中间横墙的位移远大于纵墙的位移．这是由于当房屋受到X方向的地震作用时，纵墙处于平面内受力状态，刚度较大、位移较小;而横墙处于平面外受力状态，刚度较小、位移较大．

应力方面，墙体在X、Y方向的正应力较大，且在纵横墙交接处产生明显的应力集中，应力集中主要发生在交接处墙体的上部．

2．4 Y方向水平地震分析

Y方向地震作用的分析结果，如图10、11所示．

位移方面，墙体主要表现为Y方向的位移，纵墙的位移大于山墙和中间横墙的位移．这是由于当房屋受到Y方向的地震作用时，横墙处于平面内受力状态，刚度较大、位移较小;而纵墙处于平面外受力状态，刚度较小、位移较大．

应力方面，墙体在X方向的正应力较大，且在纵横墙交接处产生明显的应力集中，应力集中主要发生在交接处墙体的上部．

图10 Y方向地震作用下Y方向位移云图Fig．10 Y displacement cloud under the earthquake of Y direction

图9 X方向地震作用下Y方向应力云图Fig．9 Y stress cloud under the earthquake of X direction

图11 Y方向地震作用下X方向应力云图Fig．11 X stress cloud under the earthquake of Y direction

2．5 自重和地震作用下纵横墙交接处墙体裂缝成因

在自重作用下，夯土房屋总的变形趋势为竖向沉降(Z向)，横墙由于承受屋盖重量的缘故沉降量大于纵墙，由于房屋的纵横墙交接处横墙与纵墙间的沉降差，为了实现变形协调，在交接处产生了X向拉应力．夯土作为一种抗拉性能和变形性能较差的材料，很容易受纵横墙交接处的这些拉应力而使得在应力梯度较大的区域发生开裂．

墙体的平面内刚度比平面外刚度大，在地震作用下，平面内墙体比平面外墙体的位移小很多，从而对平面外墙体产生较大的约束作用，引起墙体交接处的应力集中．而应力集中又突出体现在交接处墙体的上部，因此交接处墙体通常先在上部开裂，而后逐渐向下部开展，墙体上部的裂缝宽度较大，这与现场调研的情况相符，见图1．

3 纵横墙交接处墙体裂缝控制措施及有效性分析

为了改善纵横墙交接处的受力状况，民间实际采用的和相关规程［4］规定的主要有两种措施．一种是采用在墙顶标高处加木圈梁［4－5］，增强房屋的整体性和纵横墙体的协同工作能力，可以减小墙体交接处的应力集中;另一种是采用在纵横墙交接处每隔一定高度设置荆条等编制的拉结网片，从而有效地抵抗墙体交接处的应力集中．

其中，在墙顶标高处加木圈梁这一措施，在实际操作中简便易行，既适用于对新建房屋的裂缝预控，也适用于对既有房屋的加固处理．作者选用这种方法对其控制墙体开裂的有效性进行研究．

假定木圈梁和墙体之间不发生相对位移．木圈梁采用Solid 45单元，截面尺寸为200 mm×200 mm，木材的密度为400 kg/m3，弹性模量为9×109Pa，泊松比为0．3．有限元模型中的圈梁如图12所示．

图12 木圈梁的有限元模型Fig．12 Finite element model of wood ring beam

3．1 自重分析

设置木圈梁后，自重作用的分析结果，如图13所示．

从上述应力云图可以看出，设置木圈梁后，X方向的各点的应力均为压应力，墙体的应力集中和拉应力得到有效控制．Y、Z两个方向的应力与未设置木圈梁时相同，以压应力为主．

X方向的应力集中和拉应力消失，是由于木圈梁的刚度较大，协调了屋盖和墙体自重在墙体内的分布，使得各部分墙体在自重作用下的应力分布较为均匀，自重在墙体内的向下传递的力流更趋合理．

3．2 地震作用分析

X方向地震作用下的应力云图如图14、15所示，Y方向地震作用下的应力云图如图16所示(Y方向地震作用下Y方向应力未出现集中现象，故未列出)．从图中可以看出，加设木圈梁后，纵横墙交接处的应力数值与其他部位墙体应力相接近，应力集中现象得到了较为明显的改善．

图14 X方向地震作用下X方向应力云图Fig．14 X stress cloud under the earthquake of X direction

图13 自重作用下X方向应力云图Fig．13 X stress cloud under gravity

图15 X方向地震作用下Y方向应力云图Fig．15 Y stress cloud under the earthquake of X direction

为了更加细致地定量描述采取墙体交接处裂缝控制措施后，墙体受力的改善情况，作者选取后纵墙(Ⓑ轴)和左横墙(②轴)交接处的一系列节点作为代表，具体列出在应力集中的几个应力方向设置木圈梁前后的应力变化，其他墙体交接处的受力状况与其类似．

如图17～19所示，在墙体顶部加设木圈梁后，交接处墙体上部(2．5 m以上)应力有明显的减小，即墙体在这一部位的应力集中现象有了很大改善，可以有效地控制裂缝的产生和开展．墙顶(3．4～3．6 m)出现了较大的应力波动，这是由于这一部位是木圈梁所在标高，木圈梁的刚度较大，承担了较多的地震作用．交接处下部墙体的应力在加设木圈梁前后变化不大，这是由于墙体底部和基础之间为固结，本身应力较小，在墙顶加设木圈梁也未对这部分墙体受力产生太大影响，因此应力变化不大．

图16 Y方向地震作用下X方向应力云图Fig．16 X stress cloud under the earthquake of Y direction

图17 X方向地震作用下墙体交接处X方向应力沿高度变化曲线Fig．17 The curve of X stress along the height under the earthquake of X direction

图18 X方向地震作用下墙体交接处Y方向应力沿高度变化曲线Fig．18 The curve of Y stress along the height under the earthquake of X direction

图19 Y方向地震作用下墙体交接处X方向应力沿高度变化曲线Fig．19 The curve of X stress along the height under the earthquake of Y direction

4 结语

研究了夯土墙房屋纵横墙交接处裂缝的成因，采用数值分析方法对夯土墙房屋模型进行了自重和地震作用分析，得出了以下结论:

(1)自重作用下，夯土墙主要表现为Z方向的位移，纵墙与横墙之间的沉降梯度较大;夯土墙X方向的应力在纵横墙交接处的上部出现了拉应力区．

(2)X方向地震作用下，夯土墙房屋整体呈现X方向的位移，且横墙远大于纵墙的位移;纵横墙交接处墙体上部的X、Y方向的正应力出现明显的应力集中．

(3)Y方向地震作用下，夯土墙房屋主要表现为Y方向的位移，且纵墙远大于横墙的位移;纵横墙交接处上部墙体在X方向应力集中现象突出．

(4)自重和地震作用下，在纵横墙交接部位墙体产生的拉应力区和应力集中现象，是夯土墙在此部位开裂的内在原因．

(5)由于拉应力区和应力集中现象主要发生于交接处墙体上部，因此裂缝通常先发生于墙体上部，而后向墙体下部发展，裂缝宽度具有上宽下窄的特点．

(6)设置木圈梁后，一方面木圈梁自身有较大的承载能力，另一方面木圈梁提高了夯土房屋的结构整体性，使纵横墙之间的变形较为协调．

(7)设置木圈梁后，由于木圈梁对作用力的分担和纵横墙之间变形协调的改善，因而交接部位墙体的拉应力区和应力集中现象明显减弱甚至消失，以此证实了木圈梁对于交接部位裂缝控制的有效性．

［1］ 童丽萍，张琰鑫．农村夯土类建筑地震反应分析［J］．世界地震工程，2009，25(2):36－40．

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑抗震设计规范GB 50011—2010［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［3］ 王新敏．ANSYS工程结构数值分析［M］．北京:人民交通出版社，2007:542－546．

［4］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．镇(乡)村建筑抗震技术规程JGJ 161—2008［S］．北京:中国建筑工业出版社，2008．

［5］ 葛学礼，朱立新，黄世敏．镇(乡)村建筑抗震技术规程实施指南［M］．北京:中国建筑工业出版社，2010:329－330．