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现代竹结构的开发及其在汶川地震灾后安置中的应用

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:15 [收藏]


    　摘 要: 本文根据现代力学、材料学、结构设计及试验学等理论，开发新型竹材结构及材料、建立工业化生产方法、设计、施工及维护的综合技术，并建设了现代竹结构别墅、桥梁、活动板房等示范工程，在国内外产生了重要影响。汶川震灾后，开发出的快速装配式现代竹结构抗震安置房已在灾区安装和使用。
    　　关键词: 现代竹结构； 开发； 震灾后的应用。
    　　
    　　1引言
    　　
    　　2008年5月12日发生在四川汶川的里氏震级8.0级特大地震，大量砖混结构的墙体倒塌，造成预制楼板坍落，导致大量的人员伤亡，受灾群众无家可归。对于每一个搞土木工程的人来说这次地震给我们留下了巨大的遗憾，很多结构的破坏在以往地震中都有过血的教训，以现有的工程设计和施工水平本应可以在相当程度上避免。湖南大学土木工程学院及湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室在地震发生后几乎第一时间派出了研究人员实地考察灾害情况，收集资料。
    　　我们在灾区也对地震灾后应急处理进行了一定的考察，特别注意到灾后灾民生活出现了极端的困难，如图1所示，很多灾民不得不住在非常简陋的自制帐篷里面，有的甚至露宿街头，生活极为不便。
    　　考察回来后我们迫切的感到需要开发出低成本的新型快速装配抗震房，供安置灾民用。
    　　
    　　2现代竹结构抗震安置房的开发
    　　
    　　2.1 背景
    　　基于对竹材性能、竹材资源和建筑业发展趋势的认识，湖南大学现代竹木及组合结构研究所对竹结构技术进行了系统的研究，并率先提出了现代竹结构住宅的新型结构体系[1][2]。基于现代力学、材料学、结构设计及试验学等理论，开发新型竹材结构及材料，建立工业化生产方法、结构设计、施工以及维护的综合技术，并建设了现代竹结构别墅、竹结构桥梁和竹结构活动房等示范工程，在国内外产生了重要影响。课题组考察了灾区后，我们基于已有的专利技术，紧急开发出快速装配式现代竹结构抗震安置房，并建设了样板工程。这种住宅采用模块式设计和生产，主要特点是加工快，装配快，抗震性能好，可拆装重复使用，主要建筑材料环保，保温隔热效果好，且造价低廉。
    　　2.2房屋类型与功能设计
    　　快速装配式现代竹结构抗震安置房属于预制装配式房屋，建筑方式与功能与常用的轻中国建筑金属结构信息网活动板房基本相同。快速装配式现代竹结构抗震安置房以普通的胶合竹板为基本材料，所用规格板材均为现在大量生产和销售的常规板材，故建筑材料来源广泛，价格合理。由于胶合竹板的宽度为1220mm，为了提高材料的利用率，故安置房的基本建筑模数为1.22m，安置房标准平面为5×2型，可供十户居住，每户面积约为17.8m2到22.3m2并可视实际情况增加每户面积或增减户数。每户立面上设置一个门、两个窗，每个窗户的自然采光面积为1.5m2，每户的自然采光面积为3 m2。竹结构临时安置教室的平面面积每间约为48m2，如图2所示。其他设计与安置房大致一样。图3为安置房在四川广元市安装和使用的情况。第一批安置房被作为四川广元北街小学的医院办公室和诊室。第二批17套安置教室在6月底安装完毕并作为当地高考考场。





    2.3结构设计
    　　竹结构抗震安置房的抗震设计采用了北美木结构住宅设计的方法，单层安置房可以简化为单自由度体系，在轻型竹结构中，侧向力抵抗系统（LFRS）包括剪力墙、横隔层（即屋盖）以及它们的互相结合，形成了基本抗侧向力机构。剪力墙的设计应包括：
    　　（1）墙面板抗剪
    　　（2）连接件与墙端构件抗倾覆
    　　（3）连接件传递剪力墙的剪力。
    　　本文采用容许应力设计方法（allowable stress design），假定安置房位于美国规范的3度区（seismic zone 3），相当于中国的9度设防。
    　　屋盖中横隔的作用和工字形梁类似，其面板可作为工字形梁的腹板抵抗剪力，边界杆件可作为工字形梁的翼缘抵抗弯矩。横隔的设计应包括：
    　　（1）面板抵抗侧向剪力
    　　（2）周边骨架抵抗横隔边界杆件的力
    　　（3）连接件传递楼盖或屋盖的侧向力
    　　竹屋架是轻型竹结构安置房中的主要受力构件，它的承载能力关系着整个结构的安全性能。为了验证安置房的安全性能，课题组进行了一系列的静力试验，如图4所示。
    　　模拟雪荷载的均布荷载试验表明，在均布荷载为500N/m2的情况下，屋架及其屋面板的变形很小，能够满足规范要求，在2倍的雪荷载1000N/m2的情况下，屋架及其屋面板还能保持很好的工作性能。
    　　屋架静力试验结果表明，轻型竹屋架在设计荷载下有很好的工作性能，试验得到的平均极限承载力约为设计荷载的1.7倍，竹屋架具有较大的强度储备。轻质高强的竹屋架是一种经济、可靠、环保的结构体系。
    　　2.4 其他试验
    　　针对竹结构安置房，课题组邀请有资质的测试机构进行室内空气质量的测定，结果完全满足国家相关标准。安置房的防火设计采用内贴石膏板，按照计算满足30min的耐火极限，近期将进行实测。
    　　
    　　3安置教室
    　　
    　　如图5所示，由湖南大学师生以及美国蓝月基金捐资生产的17套50m2竹结构临时教室以及3套16m2的安置房已于2008年6月底在四川广元北街小学安装完毕，并投入高考和正常的教学。
    　　
    　　4结论
    　　
    　　竹材是一种重要的森林资源，我国的竹林种植面积和竹材产量均居世界首位，中南地区竹材资源极为丰富。将竹材这一自然资源应用于土木工程，作为主要的结构材料使用，发展新型竹结构体系，符合建设“两型社会”和建筑可持续发展的要求，极有希望成为土木工程领域中变革的突破点。竹材与竹结构具有以下几点特性：第一，原材料来源广，可再生；第二，竹材具有良好的物理力学性能和加工性能；第三，外形美观，耐久性好。
    　　利用中南地区和四川当地的丰富竹资源，课题组开发出现代竹结构抗震安置房并在四川灾区安装，使用效果良好。此外，课题组还开发了竹结构永久住房，抗震性能好并符合环保和可持续发展的要求，是灾后重建的一个良好选择。发展现代竹结构技术，一方面，可以发展“绿色建筑”体系，促进“两型社会”建设；另一方面，可以发展中南和四川地区的自然资源的合理利用，提升竹产业的层次，提高丰富竹材的利用率、利用水平和经济价值，开拓竹材利用的新空间和新市场，增加农民收入，促进和谐社会和新农村建设。
    　　
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