填充墻在框架結構體系中的影響作用

耿 莉 王天一

1 概述

隨著我國經濟的飛速發展,城市化進程的加快,城市人口密度越來越大,而人均土地占有量卻越來越少,這種狀況導致了建筑向高層方向的發展。由梁、柱構件通過節點連接構成的承受豎向荷載與水平各種作用的框架結構就是一種比較常見的多高層建筑形式,具有建筑平面布置靈活、立面富于變化、容易滿足各種工業與民用建筑的使用要求的優點,在建筑層數不超過15層和建筑高度不超過70 m的多高層建筑中得到了廣泛的應用。但總體而言,框架結構抗側移剛度小,水平位移大,因此不適宜建造太高的建筑。一般對于框架結構常見的結構受力分析為:鋼筋混凝土框架承擔全部的豎向荷載和水平荷載,填充墻構件不作為主體的一部分,不參加工作,并且采取一定的措施避免荷載傳遞到填充墻上。

有關研究文獻中指出,在多遇地震作用下剛性連接的嵌砌填充墻對結構抗震性能有以下幾點影響:

1)使結構抗推剛度增大,自振周期減短,從而使作用于整個建筑上的水平地震作用增大,增加的幅度可達30%～50%。

2)改變了結構的地震剪力分布狀況。由于砌體填充墻參與抗震,分擔了很大一部分水平地震作用,反而使框架所承擔的樓層地震剪力減小。

3)由于砌體填充墻具有較大的抗側剛度,限制了框架的變形,從而減少了整個結構的地震側移幅值。

4)提高了建筑物的吸收和耗散地震能量的能力,從而提高了整個建筑的抗震能力。

2 多高層框架填充墻結構的動力計算模型

對于多高層框架填充墻結構而言,一般每層樓面及屋面都可以作為一個質點,而樓面與樓面(屋面)之間的墻柱的質量則分別向下向上集結到樓面及屋面質點處,這種多自由度的層間模型就是多高層框架填充墻結構動力分析的力學模型。

建筑結構的動力特性往往通過一些有關參數來表征,這些特性參數包括結構的自振周期(頻率)、阻尼和振型。它們是結構本身的固有參數,固有周期(頻率)和相應振型可由力學原理計算得到,阻尼系數能通過試驗確定。

3 框架填充墻結構的受力分析及破壞形態

實際上框架結構是一種很復雜的受力系統,所受荷載也是很復雜的,并且是不確定的,因此要對它做精確的受力分析和設計是十分困難的。首先是外力的作用方向,實際風荷載和地震作用都是隨意不定的,但在結構分析中常假設水平力作用于結構的主軸方向,對互相正交的兩個主軸 x方向和y方向,分別進行內力分析。其次是平面結構假定,一片框架可以抵抗在本身平面內的側向力,而平面外剛度很小,可以忽略,各平面抗側結構間通過樓板互相聯系協同工作。

填充墻在初始彈性階段對結構層剛度貢獻很大,與框架在初始階段能較好地協同工作,水平地震作用下,由于填充墻的存在,框架柱產生附加軸力和附加剪力,框架梁端產生附加剪力和彎矩。填充墻與框架的作用是相互的,地震作用由框架傳給填充墻,一部分通過橫梁作用在墻的頂面,一部分通過柱子作用于墻的側面,通過柱子傳給墻的水平力主要集中在墻的頂部附近。由于填充墻的抗拉強度低,所以填充墻首先在以主拉應力方向為法向的平面上開裂。

從一些實際的工程案例中總結可以得知框架填充墻體的破壞形式一般有三種:第一種破壞形式是剪切破壞。由于砌體墻縫中的水平剪應力作用,裂縫沿水平縫產生并突然向下逐層延伸,最終形成階梯形裂縫。第二種破壞形式是斜拉破壞。在垂直于墻體主對角線的拉應力作用下,墻體斜裂縫沿著與主對角線平行的一條或多條發展并貫穿墻體。此垂直拉應力與主應力跡線相垂直,在墻體中間區域附近擴散;斜裂縫在墻體中間形成并向外發展,因此,中間的拉應力最大。在壓力角附近裂縫幾乎不再發展,該處的拉應力與壓應力平衡抵消。第三種破壞形式是斜壓破壞。由于斜壓桿端墻角處壓應力過大,從而使墻角沿著框架被壓碎。

4 設計時應注意的問題

框架結構填充墻的設計,特別是填充墻的平面及豎向布置,是框架結構設計中一個不可忽視的問題。國內外皆有多次由于填充墻布置不當而造成震害的例子:

震害情況之一:框架結構上部若干層的填充墻布置較多,而底部墻體較少,因而形成上下剛度突變。意大利有一棟旅館,是5層框架結構,底部是大堂、餐廳等,隔墻較少。而2層～5層是客房,填充墻很多,在1980年的地震時,底部完全破壞,上部 4層落下來壓在底層上,損失很大。

震害情況之二:外墻柱子之間,有整開間的窗臺墻,嵌砌在柱子之間,使柱子的凈高減少很多,形成了短柱。地震時,墻以上的柱形成剪切裂縫。當填充墻剛度較大時,由于此墻會吸引較多地震作用能量,使墻兩端的柱子受力增大。

震害情況之三:在有些工程中,填充墻的布置,偏于平面的一側,形成剛度偏心,地震時由于扭轉而產生構件的附加內力,而設計中并未考慮,因而造成破壞。

有關試驗研究表明,當結構發生較大的水平位移時,即使采用輕質填充墻,帶填充墻的框架的剛度也可以比純框架結構的剛度大數倍。因此在遭遇地震(尤其是強烈地震)時,如果不考慮這個由填充墻額外帶來的剛度,僅考慮框架自身的剛度,這會造成結構實際承受的地震作用大于計算值,使結構抗震設計趨于不安全。因此相關規定有:計算各振型地震影響系數所采用的結構自振周期應考慮非承重墻體的剛度影響予以折減。折減系數可以根據主體結構形式及填充墻的多少,按表1取值,以此放大計算得到的地震作用,來減小或抵消這種不安全因素。但是,這個放大的地震作用全部賦予了框架結構主體來承擔,沒有考慮填充墻的抗側剛度以及承擔的作用力,這就使結構設計偏于安全。

表1 周期折減系數

規范規定框架結構的填充墻及隔墻宜選用輕質墻體。抗震設計時,框架結構如采用砌體填充墻,應符合下列要求:砌體填充墻在平面和豎向的布置宜均勻、對稱,減少抗側剛度偏心所造成的扭轉,避免形成上下層剛度差異過大;填充墻的設置,要考慮到填充墻不滿砌時,由于墻體的約束使框架柱有效長度減小,可能出現短柱,造成剪切破壞;砌體砂漿強度等級不應低于M5,墻頂應與框架梁或樓板密切結合;砌體填充墻應沿框架柱的高度每隔500 mm左右設置2φ6的拉筋,拉筋伸入填充墻內的長度:6度,7度時不應小于墻長的1/5,且不小于700 mm;8度,9度時宜沿墻全長貫通;墻長大于5 m,墻頂與梁(板)宜有鋼筋拉結;墻長超過層高2倍時,宜設置鋼筋混凝土構造柱;墻高超過4 m時,墻體半高處(或門窗洞口上皮)宜設置與柱連接且沿墻全長貫通的鋼筋混凝土水平連系梁。

總之,對于砌體填充墻的布置應予以充分注意,并對建筑的不利布置提出修改意見。如再有可能時,將一部分砌體填充墻改為輕鋼龍骨石膏板墻;將黏土空心磚填充墻改為石膏空心板墻等。

5 結語

框架填充墻除了起到外圍護墻、內隔墻及樓梯電梯間墻體作用外,從結構角度來看,還由于框架填充墻承受了一定的支撐荷載,從而大大改善了框架結構的受力及變形性能;當鋼筋混凝土框架受水平力作用時,它參與抵抗水平力,對主體結構起到斜向支撐的作用。

事實上建筑物是一個高次超靜定的三維空間結構體系,各種構件以相當復雜的方式共同工作,且都并非是脫離總的結構體系的單獨構件。目前,人們在具體的空間結構體系整體研究上還有一定的局限性,在設計過程中采用了許多假定與簡化。作為結構工程師只有基于豐厚的專業知識,只有針對具體的工程進行細致的分析,建立符合實際情況正確的力學計算模型,恰當的設置計算參數,正確利用計算機進行結構計算,并且對所有計算結果進行合理性判別,才能做出經濟科學的建筑結構體系。

[1] 郭 劍,張福明.填充墻框架結構力學性能的試驗研究[J].山西建筑,2009,35(6):74-75.