第1章绪论
1.1桃坪羌寨抗震性能的研究背景
中国位于亚洲东部地区，处于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，由于受太平洋板块、印度板块、菲律宾海板块及欧亚板块的挤压，地震断裂带一直十分活跃，地震频发（成斌，2015;常建军，2017）。据中国地震局统计可知，自21世纪初起，不到20年的时间，全球发生4.0级以上地震4980次，其中，7.0级以上地震180次，8.0级以上地震12次。中国发生7.0级以上地震共11次（表1.1），其中4次地震受灾较严重，而有3次均发生在中国川西地区。
2008年5月12日的四川汶川地震是21世纪中国*大的地震灾难。根据中国地震局的数据，此次地震的面波震级达8.0Ms、矩震级达8.3Mw，破坏范围超过10万km2；地震烈度可达到XI度，地震影响地区包括大半个中国和多个亚洲国家。汶川、映秀、都江堰等地多处房屋倒塌，但是离汶川县仅16km的理县桃坪羌寨却在这次地震中奇迹般幸存（傅雷等，2015）。桃坪羌寨中的三座碉楼除新修的一座彻底倒塌外，其余两座仅顶部受损，寨中80%的碉房出现裂缝，部分出现垮塌的现象，但无一人在地震中死亡。据记载，桃坪
羌寨经历过三次7级以上的大地震（1933年叠溪7.5级大地震、1976年松潘7.2级大地震以及2008年汶川8.0级大地震），但是川西桃坪羌寨均能在强震中较完好地保存下来，引发了众多学者对桃坪羌寨抗震性能的关注，也为本书对四川桃坪羌寨碉房碉楼抗震性能的调查研究提供了依据。
1.2桃坪羌寨地理位置
桃坪羌寨（图1.1）位于103°27'54.744"N，31°33'41.4576"E，四川省阿坝藏族羌族自治州理县杂谷脑河畔桃坪乡，317国道成阿公路旁，距离理县县城40km，距汶川城区18km，距成都市约170km。该地属于四川省西北部高山和极高山区，位于岷江上游的杂谷脑河流域，地势坡度非常陡，高山深谷纵横交错。桃坪羌寨背山而建，依山上垒。几百年前的羌人为了躲避外族人的袭击，同时考虑到居住的安全性及生产生活的方便，他们将桃坪羌寨建在河谷地带及半山腰地带。桃坪羌寨紧邻龙门山断裂带，地质结构属龙门山断裂带中段，平均海拔2700m，境内山峦起伏，大地构造部位上隶属于松潘-甘孜地槽褶皱带范畴，区内新构造运动主要表现为大面积整体性、间歇性抬升，场地地震烈度为训度。桃坪羌寨所属的理县全县因海拔悬殊、地形复杂，气候差异显著，气候类型为山地型立体气候，冬季无霜时期较短，春夏季节降水量较多，年平均降水量为650～1000mm，河谷地带年平均气温为6.9～11°C。
图1.1桃坪羌寨
1.3桃坪羌寨的历史及发展
桃坪羌寨离汶川城区18km，寨内碉房依陡峭的山势自下而上修建，其间碉楼林立（图1.2，图1.3）。桃坪羌寨整个寨子是以水渠为中心发育成的村寨，具有十分完善的地下水网络，四通八达的道路与碉房（图1.2）、碉楼（图1.3）完美结合，使其享有“羌族建筑艺
术活化石”和“*神秘的东方古堡”的美誉。桃坪羌寨历史悠久，整个寨子集中反映了民族、社会、政治、经济、文化、宗教、民众心理、建筑艺术等各个方面的历史变化，成为记录长期生活在桃坪羌寨的人们生存状态难得的历史遗产，具有很大的民族文化价值（李绍明，2006;李巧艺，2016）。
桃坪羌寨经历了多次地震，据史料记载，早在西汉时期四川地区就有关于地震的记载，唐宋时期可以考证的强震有9次，明代记录的四川西部强震有8次，清代有21次，民国至今四川地区也经历了7级以上的地震5次。2008年汶川8.0级大地震后，我国政府迅速组织力量，于2008年7月15日启动桃坪羌寨“羌族碉楼与村寨抢救保护工程”，先后投入8000万元资金用于老寨碉楼、寨门和暗道、地下水网等113个单元主体的修缮，组织培训当地50多名工匠参加桃坪羌寨修缮工程，在抢救保护桃坪羌寨的同时，使羌族传统建筑技艺得到传承。研究桃坪羌寨的文献资料很多，但主要集中在对其建筑文化、民族价值以及旅游等方面，对于桃坪羌寨结构抗震性能的研究却很少。川西桃坪羌寨因其*特的建造方式、特殊的结构形式，历经多次大地震后依然能够屹立不倒，值得科研工作者对其抗震性能展开深入的调查与研究（任祥道，2010）。
1.4研究框架及内容
基于前文对桃坪羌寨的介绍，本书重点研究不同的结构形式和建筑材料对桃坪羌寨抗震性能的影响。本书的框架和内容如下所述。
桃坪羌寨采用了一些特殊的结构形式，如墙体收分、墙体布筋、墙体外的鱼脊线、联体砌墙方式等。这些特殊的结构形式影响着羌寨的抗震性能。因此，第2章*先对桃坪羌寨碉房墙体建筑材料生土和岩石进行基本力学性能试验，明确其基本力学参数；其次对碉房墙体进行抗剪性能分析；*后对地震作用下影响桃坪羌寨碉房结构抗震性能的三个因素（体量、墙体收分、共墙）进行分析，并提出相应的抗震加固措施。
为研究墙体收分、鱼脊线夹角和过江石对桃坪羌寨碉楼结构抗震性能的影响，第3章对11种收分率、9种含鱼脊线夹角，以及2组含过江石的碉楼墙体在低周往复荷载作
用下的受力性能进行分析。该章以桃坪羌寨整体碉楼结构为研究对象，建立五个整体碉楼结构模型，使用有限元方法对其进行动力时程分析及静力弹塑性分析，对比各个碉楼结构的抗震性能。第3章综合分析碉楼受力性能和施工难度等，提出更好的碉楼墙体参数。
桃坪羌寨碉楼墙上的门窗洞口位置不对称，窗口大小不一、窗洞口不规则且门窗洞口位置随意，这与碉楼结构的抗震性能有着直接联系。因此，第4章利用拟静力加载方法分析开洞率、开洞形状、洞口排列规则与否这三种因素对开洞墙体的影响，在地震波作用下分析这三种因素对整体开洞碉楼抗震性能的影响，并针对桃坪羌寨开洞碉楼提出开洞优化的相关建议。
桃坪羌寨位于中国四川省阿坝州理县境内，属于地震多发地带，在经历多次地震之后，寨中房屋都遭到了不同程度的破坏。因此，对桃坪羌寨碉房结构的抗震加固研究很有必要。第5章旨在通过钢筋网格加固的方式，研究其对碉房结构抗震性能的改善效果。第5章*先，对有限元理论进行介绍，并对模型进行验证；其次，对钢筋网格加固的墙体模型进行拟静力分析；*后，对整栋碉房在地震波作用下的抗震性能进行分析。
羌寨碉房以生土石砌体建筑为主，以石头和生土作为建筑材料，但生土材料为脆性材料，力学性能以及耐久性差，严重影响着当地建筑的抗震性能。为提高生土材料的强度及耐久性，第6章以川西桃坪羌寨的生土为试验对象，利用秸秆、淀粉、水泥、环氧树脂单因素改良川西地区的生土，结合川西地区少数民族民居建筑墙体存在的主要问题，针对改性生土试块的力学性能和耐久性展开相应的研究，同时通过电镜扫描对改性材料的作用机理进行分析，且根据既有的本构关系，提出适用于川西地区生土材料的本构关系模型。
第7章总结本书的主要研究成果和贡献，在此基础上提出了未来的研究方向。
第2章桃坪羌寨碉房抗震性能研究
本章研究内容：①桃坪羌寨建筑材料生土和岩石基本力学试验研究。为了给后续有限元数值计算提供必要的参数，本章通过对从理县桃坪镇采集回来的生土和岩石样本进行基本力学试验，获得材料抗压强度、黏聚力、内摩擦角、泊松比、弹性模量等力学参数，并通过相关文献及规范计算出石砌体结构的相关参数。②桃坪羌寨碉房动力特性分析。本章通过对影响桃坪羌寨碉房抗震性能的三种因素（体量、墙体收分、共墙）建立有限元模型，对结构进行动力特性分析。③本章对小体量低层碉房和大体量多层碉房、碉房墙体未收分和收分、*栋碉房和共墙碉房进行多遇地震作用下的时程分析，对不同结构在多遇地震作用下的顶点位移和基底剪力进行对比，分析其抗震性能。④本章对小体量低层碉房和大体量多层碉房、碉房墙体未收分和收分、*栋碉房和共墙碉房进行罕遇地震作用下的时程分析，对其加速度及位移进行对比，分析其抗震性能。⑤本章通过调研及对桃坪羌寨碉房在地震作用下抗震性能的研究，结合现行相关规范，对如何提高桃坪羌寨碉房抗震性能提出相关建议。
2.1桃坪羌寨碉房及其结构特征介绍
2.1.1桃坪羌寨碉房
桃坪羌寨远望呈八卦形布局（图2.1），结构严谨，屋屋相连，户户相通，浑然一体，寨子靠山依坡逐渐上垒，或高或低。桃坪羌寨的建筑按照使用功能主要分为两类，即碉房和碉楼。桃坪羌寨碉房（图2.2）主要用于居住和生活，根据每家建筑需求的不同建有2～5层，多为3层，底层作为牲口圈，第2层作为客厅和卧室，第3层一半作为保管室，另一半多为露天房顶，主要用于晒粮食。桃坪羌寨碉房分为集中修建和*立修建，集中修建的房屋主要靠共用一堵石砌体墙以及过街楼等连在一起，*立修建的*栋碉房主要因为水渠或道路导致其分开单*建设。从平面布置上看，碉房主要呈长方形或由长方形组成的组合几何形状，部分碉房因为地势影响，形状较不规则。
桃坪羌寨碉房在修建时，墙体基础一直挖到岩石层。桃坪羌寨碉房的修建流程为：*先，在原地面挖厚1～2m的基础沟；然后，用石块作砌块、生土作砂浆砌筑大约宽1m的基础；*后沿基础往上砌筑，每砌筑一层（大约3m），设置木梁，待墙体风干沉降几个月之后，继续向上砌筑。碉房根据其高度有3°～8°的墙体收分，内墙垂直底面，外墙由底向上厚度逐渐减小。
图2.1桃坪羌寨全景图
图2.2桃坪羌寨碉房
2.1.2桃坪羌寨碉房结构特征
根据现场调研可知，桃坪羌寨碉房承重结构体系主要分为墙体承重体系（图2.3、图2.4）和墙柱共同承重体系（图2.5、图2.6），其中以墙体承重体系为主。碉房墙体承重体系的荷载主要由内墙和外墙共同承担。外荷载通过楼板传递到木梁，然后再通过木梁传递给砌体墙，*后由墙体传递到地基。
图2.5柱分层设置图2.6通柱设置
墙柱共同承重体系主要分为两种：一种是柱分层设置（图2.5），另一种是通柱设置（图2.6）。柱分层设置是指按照楼层设置柱，一般楼层层高较矮、开间较大的房屋采用此方法布置柱。通柱，指的是木柱由底面直接到顶面。柱分层设置的碉房所承受的外荷载通
展开
