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現代竹結構的開發及其在汶川地震災后安置中的應用

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]


    　摘 要: 本文根據現代力學、材料學、結構設計及試驗學等理論，開發新型竹材結構及材料、建立工業化生產方法、設計、施工及維護的綜合技術，并建設了現代竹結構別墅、橋梁、活動板房等示范工程，在國內外產生了重要影響。汶川震災后，開發出的快速裝配式現代竹結構抗震安置房已在災區安裝和使用。
    　　關鍵詞: 現代竹結構； 開發； 震災后的應用。
    　　
    　　1引言
    　　
    　　2008年5月12日發生在四川汶川的里氏震級8.0級特大地震，大量磚混結構的墻體倒塌，造成預制樓板坍落，導致大量的人員傷亡，受災群眾無家可歸。對于每一個搞土木工程的人來說這次地震給我們留下了巨大的遺憾，很多結構的破壞在以往地震中都有過血的教訓，以現有的工程設計和施工水平本應可以在相當程度上避免。湖南大學土木工程學院及湖南大學建筑安全與節能教育部重點實驗室在地震發生后幾乎第一時間派出了研究人員實地考察災害情況，收集資料。
    　　我們在災區也對地震災后應急處理進行了一定的考察，特別注意到災后災民生活出現了極端的困難，如圖1所示，很多災民不得不住在非常簡陋的自制帳篷里面，有的甚至露宿街頭，生活極為不便。
    　　考察回來后我們迫切的感到需要開發出低成本的新型快速裝配抗震房，供安置災民用。
    　　
    　　2現代竹結構抗震安置房的開發
    　　
    　　2.1 背景
    　　基于對竹材性能、竹材資源和建筑業發展趨勢的認識，湖南大學現代竹木及組合結構研究所對竹結構技術進行了系統的研究，并率先提出了現代竹結構住宅的新型結構體系[1][2]。基于現代力學、材料學、結構設計及試驗學等理論，開發新型竹材結構及材料，建立工業化生產方法、結構設計、施工以及維護的綜合技術，并建設了現代竹結構別墅、竹結構橋梁和竹結構活動房等示范工程，在國內外產生了重要影響。課題組考察了災區后，我們基于已有的專利技術，緊急開發出快速裝配式現代竹結構抗震安置房，并建設了樣板工程。這種住宅采用模塊式設計和生產，主要特點是加工快，裝配快，抗震性能好，可拆裝重復使用，主要建筑材料環保，保溫隔熱效果好，且造價低廉。
    　　2.2房屋類型與功能設計
    　　快速裝配式現代竹結構抗震安置房屬于預制裝配式房屋，建筑方式與功能與常用的輕鋼結構活動板房基本相同。快速裝配式現代竹結構抗震安置房以普通的膠合竹板為基本材料，所用規格板材均為現在大量生產和銷售的常規板材，故建筑材料來源廣泛，價格合理。由于膠合竹板的寬度為1220mm，為了提高材料的利用率，故安置房的基本建筑模數為1.22m，安置房標準平面為5×2型，可供十戶居住，每戶面積約為17.8m2到22.3m2并可視實際情況增加每戶面積或增減戶數。每戶立面上設置一個門、兩個窗，每個窗戶的自然采光面積為1.5m2，每戶的自然采光面積為3 m2。竹結構臨時安置教室的平面面積每間約為48m2，如圖2所示。其他設計與安置房大致一樣。圖3為安置房在四川廣元市安裝和使用的情況。第一批安置房被作為四川廣元北街小學的醫院辦公室和診室。第二批17套安置教室在6月底安裝完畢并作為當地高考考場。





    2.3結構設計
    　　竹結構抗震安置房的抗震設計采用了北美木結構住宅設計的方法，單層安置房可以簡化為單自由度體系，在輕型竹結構中，側向力抵抗系統（LFRS）包括剪力墻、橫隔層（即屋蓋）以及它們的互相結合，形成了基本抗側向力機構。剪力墻的設計應包括：
    　　（1）墻面板抗剪
    　　（2）連接件與墻端構件抗傾覆
    　　（3）連接件傳遞剪力墻的剪力。
    　　本文采用容許應力設計方法（allowable stress design），假定安置房位于美國規范的3度區（seismic zone 3），相當于中國的9度設防。
    　　屋蓋中橫隔的作用和工字形梁類似，其面板可作為工字形梁的腹板抵抗剪力，邊界桿件可作為工字形梁的翼緣抵抗彎矩。橫隔的設計應包括：
    　　（1）面板抵抗側向剪力
    　　（2）周邊骨架抵抗橫隔邊界桿件的力
    　　（3）連接件傳遞樓蓋或屋蓋的側向力
    　　竹屋架是輕型竹結構安置房中的主要受力構件，它的承載能力關系著整個結構的安全性能。為了驗證安置房的安全性能，課題組進行了一系列的靜力試驗，如圖4所示。
    　　模擬雪荷載的均布荷載試驗表明，在均布荷載為500N/m2的情況下，屋架及其屋面板的變形很小，能夠滿足規范要求，在2倍的雪荷載1000N/m2的情況下，屋架及其屋面板還能保持很好的工作性能。
    　　屋架靜力試驗結果表明，輕型竹屋架在設計荷載下有很好的工作性能，試驗得到的平均極限承載力約為設計荷載的1.7倍，竹屋架具有較大的強度儲備。輕質高強的竹屋架是一種經濟、可靠、環保的結構體系。
    　　2.4 其他試驗
    　　針對竹結構安置房，課題組邀請有資質的測試機構進行室內空氣質量的測定，結果完全滿足國家相關標準。安置房的防火設計采用內貼石膏板，按照計算滿足30min的耐火極限，近期將進行實測。
    　　
    　　3安置教室
    　　
    　　如圖5所示，由湖南大學師生以及美國藍月基金捐資生產的17套50m2竹結構臨時教室以及3套16m2的安置房已于2008年6月底在四川廣元北街小學安裝完畢，并投入高考和正常的教學。
    　　
    　　4結論
    　　
    　　竹材是一種重要的森林資源，我國的竹林種植面積和竹材產量均居世界首位，中南地區竹材資源極為豐富。將竹材這一自然資源應用于土木工程，作為主要的結構材料使用，發展新型竹結構體系，符合建設“兩型社會”和建筑可持續發展的要求，極有希望成為土木工程領域中變革的突破點。竹材與竹結構具有以下幾點特性：第一，原材料來源廣，可再生；第二，竹材具有良好的物理力學性能和加工性能；第三，外形美觀，耐久性好。
    　　利用中南地區和四川當地的豐富竹資源，課題組開發出現代竹結構抗震安置房并在四川災區安裝，使用效果良好。此外，課題組還開發了竹結構永久住房，抗震性能好并符合環保和可持續發展的要求，是災后重建的一個良好選擇。發展現代竹結構技術，一方面，可以發展“綠色建筑”體系，促進“兩型社會”建設；另一方面，可以發展中南和四川地區的自然資源的合理利用，提升竹產業的層次，提高豐富竹材的利用率、利用水平和經濟價值，開拓竹材利用的新空間和新市場，增加農民收入，促進和諧社會和新農村建設。
    　　
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