淺談填充墻對框架結構抗震性能的影響

杜 林

(西南交通大學,四川 成都 610031)

框架結構是由梁和柱作為主要構件組成的承受豎向和水平作用的結構,一般多用于 10層以下的建筑。單純的框架結構很少,為了圍護或分隔房間,在柱間嵌筑磚或其他砌塊等填充墻體而形成的一種復雜組合結構,即填充墻鋼筋混凝土框架結構。

鋼筋混凝土框架結構因其具有足夠的強度、良好的延性和較強的整體性,目前廣泛用于地震設防地區。鋼筋混凝土框架結構本身具有良好的抗震性能,但填充墻的使用,改變了框架結構原來的性能。在汶川地震災區應用較為廣泛,有大量的填充墻框架結構在地震中發生了不同程度的破壞,因此有必要對填充墻對框架結構的影響作一定的分析。

在汶川地震過后,對《建筑抗震設計規范》中的關于圍護墻和隔墻作了強制性規定:框架結構的圍護墻和隔墻,應考慮其設置對結構抗震的不利影響,避免不合理設置而導致主體結構的破壞。而通常進行抗震設計時,一般采用考慮填充墻的影響對框架結構的自振周期進行折減。如用能量法計算結構基本周期時引入小于1的折減系數ψT:

式中:ψT為結構基本周期考慮非承重磚墻影響的折減系數;Gi為集中在各層樓面處的重力荷載代表值(kN);Δi為假想把集中在各層樓面處的重力荷載代表值Gi作為水平荷載而算得的結構各層樓面處的位移(m)。

框架填充墻作為一種組合結構體系,框架與填充墻在水平地震下共同承擔地震作用。一般認為,填充墻和框架所分擔的地震剪力可以按照兩者的剛度進行分配。然而,由于兩個組成部分的材料性能存在較大差異,砌體填充墻和混凝土框架滿足同一個抗震性能水平的變形容許值相差甚遠。磚填充墻屬于脆性材料,在填充墻框架中,鋼筋混凝土框架為延性材料,層間彈性位移角極限為 1/500;而磚填充墻屬于脆性材料,層間彈性位移角在 1/5000～1/3000之間,比框架小得多。在地震作用下,磚填充墻勢必要比鋼筋混凝土框架過早地開裂,甚至倒塌。因而,在傳統的抗震設計中,磚填充墻被當作一種非傳力構件,認為它只起到隔離、保護的作用,對于抗震,只考慮到它的不利的一面,忽略了它對抗震有利的一面,即填充墻對框架結構有層間側移剛度的貢獻[2]。

1 填充墻框架結構體系受力分析

在填充墻框架中,填充墻與框架共同工作。磚填充墻既能承受部分地震剪力,又改變了鋼筋混凝土框架的受力和變形性能。一方面是墻體受到框架的約束,另一方面是框架受到填充墻的支撐。因為填充墻的這種支撐作用,使結構的早期剛度大為增加,同時使框架構件中的內力分布與一般空框架頗為不同。

大量填充墻的震害調查和模型試驗分析表明,填充墻和框架受力可分為以下四個階段:

(1)填充墻與框架整體工作階段:即彈性階段,填充墻和框架均處于彈性狀態兩者共同作用,填充墻與框架周邊相接觸的地方產生界面裂縫。

(2)框架結構彈性工作階段:隨著水平荷載加大,周邊裂縫也不斷加大,墻面出現未貫通的斜裂縫。此時,框架仍處于彈性工作狀態,填充墻成為抗側力構件。

(3)框架結構彈塑性工作階段:這個階段中,除墻面陸續出現裂縫及不斷擴展外,鋼筋混凝土框架也逐漸出現裂縫并開展,結構的非線性性能頗為明顯。此時,填充墻的抗側能力達到極限值,整個結構呈彈塑性狀態。

(4)框架結構塑流階段:這個階段前期,荷載增量主要由框架來負擔,框架構件內的彎矩顯著增加,于是在框架構件內陸續出現塑性鉸,整個結構表現出明顯的塑性特點。墻體由于與框架有拉接鋼筋,墻體一般情況下仍未倒塌。

由填充墻和框架共同作用的原理可以看出,地震過程中,填充墻起到抵抗側向力的作用主要發生在前兩個階段。多數地震(小震)下,填充墻分擔了一部分抗側力;在強震作用下,填充墻也可起到吸收地震能量的作用。但是遇到罕遇地震情況,填充墻即使與框架柱間設有可靠的連接也會出現破壞和倒塌。

2 填充墻的不利影響

在這次汶川地震中,因填充墻引起的柱破壞形態主要為兩個方面:

(1)填充墻沿豎向布置不均形成軟弱層,底層填充墻很少或沒有。

對地震區的框架結構調查發現,為了提高建筑的經濟效益,許多底層作商業用途或停車場、上部作為住宅。建筑物的底層很少·或者根本就沒有填充墻,而上部因用于住宅而使用了較多的填充墻來分隔空間,導致下部剛度太小形成薄弱層。這種豎向的剛度突變對結構的抗震是很不利的。因此,在這次汶川地震中,這種結構都遭受了不同程度的破壞(圖 1)。

圖1 結構形成軟弱層導致破壞

這種破壞最主要的表現就是底層柱頂發生破壞,如混凝土壓碎崩落,柱內箍筋拉開,縱筋壓曲成燈籠狀,發生了平移或傾斜。當然這其中也包括施工方面的原因,如箍筋間距過大,或者根本沒有放箍筋;也有因梁的交叉而布置箍筋困難,把箍筋全布置在了梁底;柱箍筋彎鉤不是 135°,大部分為90°,導致了箍筋錨固差,對柱子混凝土約束能力很小。這些原因就導致了柱的破壞。

(2)窗下墻使框架長柱變成短柱。

由于窗臺墻體對柱子的約束作用,使柱子的有效長度減小,形成了短柱。而短柱的剛度大于框架結構中的其他非短柱,地震作用下短柱會吸收更多的地震作用,而相比于同層其他非短柱,短柱的耗能能力相對較低,因此在地震作用下先發生破壞(圖 2)。

圖2 形成短柱而導致破壞

除了以上兩種破壞形式以外,由于填充墻與框架的相互作用,填充墻還會對框架梁柱產生附加的內力,而導致一些特殊的破壞形態。

3 填充墻的有利影響

在這次地震中,我們發現一些嚴格按照規范設計和施工的填充墻,對整體結構的抗震性能有提高作用。在地震作用下,填充墻發生了破壞,而梁柱只發生了輕微的破壞。

填充墻的剛度效應是填充墻框架區別于空框架的主要特點之一。有了填充墻可增加結構的剛度,特別是早期甚為顯著,因此在水平荷載作用下結構側移小,對于提高正常工作階段的建筑物的使用效果無疑是有好處的;另外在強震或烈風時,由于結構剛度增加,側移減小,可以減小結構 P-■效應。

計算填充墻的剛度效應,常采用的是等效剛度法。其基本思想是,根據填充墻層間抗側剛度等效的原則,將每一層的柱和填充墻的層間抗側剛度求出后作為每一層框架總的抗側剛度,或者將每一片填充墻轉化為等效抗側剛度的柱,然后,再用空間模型來分析[3]、[4]。等效框架柱的層間側移剛度等于填充墻的層間側移剛度 Kw與填充墻相連接的柱的層間側移剛度 Kf之和。等效剛度法既考慮了填充墻對結構周期的影響,又考慮到了它對結構剛度的貢獻,與實際較為相符。填充墻的抗側剛度KW和柱的抗側剛度Kf可按下式計算[5]:

式中:KW為填充墻層間側移剛度;ψK為填充墻層間側移剛度折減系數;EW為填充墻砌體彈性模量;為填充墻砌體水平截面面積和慣性矩;Hw為填充墻高度;ψm,ψv為洞口影響系數;Kf為與填充墻相接的柱的側移剛度;Ic為柱的慣性矩;Hc為柱的高度;α為考慮梁轉動的影響系數。

在以上公式中,填充墻層間側移剛度折減系數 ψk是一個關鍵的參數,結構上、中、下部依次取 1.0、0.6、0.3[5]。當考慮填充墻的影響時,梁的轉動很小,可忽略,即α=1.0。

除了整體剛度效應外,填充墻還會對主體結構的梁、柱和墻產生約束效應。在框架內有了填充墻后,結構的耗能能力大為增加,這主要來自填充墻中裂縫間的摩擦、材料內部的阻尼以及墻與框之間的滑移等。最后,由于填充墻的存在,大大減少了結構倒塌的可能性。

4 結論

綜上所述,填充墻能夠提高框架結構剛度、改善結構的抗震性能。但如果布置不合理,可能就會出現薄弱層和短柱效應。因此,在框架結構中設置填充墻時,應嚴格按照規范設計和施工,并應注意填充墻的布置應盡量考慮整體結構豎向剛度分布均勻,避免形成軟弱層。而窗下的墻體則可以采取與柱分離的措施,避免墻體對柱產生約束作用而形成短柱。建筑平面上填充墻的布置應使結構剛度分布均勻對稱,盡量使質量中心和剛度中心重合,以免結構發生扭轉。為了避免小震和中震下填充墻倒塌,填充墻體和框架柱之間宜采取可靠的連接措施。

[1]GB 50011-2001建筑抗震設計規范[S]

[2]張雅君.填充墻對鋼筋混凝土框架結構受力及變形性能的改善[J].工程建設與設計,2001(6):37-39

[3]張堅,王振雄.考慮砌體填充墻剛度的短肢剪力墻結構分析方法[J].結構工程師,2000(4):17-20

[4]林金逸,陳慶枝.磚填充墻鋼筋混凝土框架計算[J].福建建筑,1997(增刊):36-37

[5]沈聚敏,周錫元.抗震工程學[M].北京:中國建筑工業出版社,2000

[6]王旋,李碧雄.汶川地震中填充墻鋼筋混凝土框架結構抗震性能思考[J].工業建筑,2009(1):25-29