填充墻對鋼筋混凝土框架結構抗震性能的影響

郭 華

(太原理工大學建筑設計研究院，山西 太原 030024)

0 引言

鋼筋混凝土框架結構平面布置靈活，可隨意分隔空間，且可以滿足建筑立面的變化，因此被廣泛地應用于學校、醫院、辦公、商業以及住宅等各類型建筑的結構設計中。目前國內在對于該類型結構的抗震設計中，填充墻作為非結構構件一般不參與整體結構的受力分析，而只是將其作為荷載加在主體結構上，另外根據規范要求對框架結構的自振周期進行了適當的折減。然而，歷次震害以及現有研究資料表明，在地震作用下，填充墻與框架作為協同受力構件共同參與了抗震，而且填充墻的布置對于框架結構中主體構件的內力以及整體抗震性能都有一定的影響。因此，上述的設計方法存在一定的不足，很有必要對該類型結構的整體抗震性能進行深入研究，并且在實際設計中予以改進。

1 填充墻和框架在地震中的受力特性

在地震作用下，填充墻和框架的受力特性大致經歷了以下三個階段:

1)彈性階段:在地震作用初期，填充墻和框架均處于彈性階段，二者協同受力，并且在接觸的界面產生了初始裂縫。隨著水平地震力的增加，界面裂縫也不斷加大，在二者接觸的對角部分有破碎現象，填充墻未出現貫通斜裂縫。此時，框架仍處于彈性工作階段，填充墻成為主要的抗側力構件。

2)彈塑性階段:隨著水平地震力的繼續加大，墻面的裂縫不斷增加并最終擴展為貫通斜裂縫，框架也逐漸出現裂縫并不斷發展。此時，填充墻的抗側力達到了極限，整個結構呈現出彈塑性受力的特性。

3)塑性階段:填充墻吸收一定地震力并破壞后，全部水平地震力均由框架承擔。隨著內力及變形的增加，結構的承載能力下降并達到了極限，于是在框架構件內部陸續出現了塑性鉸，整個結構受力呈現出明顯的塑性特點。

2 填充墻對于框架結構抗震性能的影響

1)填充墻對框架結構剛度、變形和自振周期的影響。

大量研究分析表明，填充墻框架結構在地震作用下框架對墻體有約束作用，同時墻體也對框架有支撐作用，這種支撐作用增大了結構的剛度，同時也增加了結構的抗側移能力，減小了結構的變形，這應該是有利的影響。同時也應該看到，填充墻豎向剛度的分布不均勻會導致結構薄弱層的出現，而平面分布的不對稱則可能使結構的剛心與質心偏差較大，增加了結構的扭轉效應，從而對結構產生不利的影響。例如，某些公共建筑底部為大空間的商場，而上部為小開間的寫字樓或賓館，這種結構由于底部剛度較小上部剛度較大而產生剛度突變，對于結構的抗震性能非常不利。

填充墻的設置減小了框架結構的自振周期，對此我國現行規范采用了周期折減方法來考慮這一影響，具體的折減系數與結構體型以及填充墻的類型和數量均有關系。對于鋼筋混凝土框架結構，該折減系數一般取0.6～0.7比較合理。

2)填充墻對框架結構承載能力的影響。

在地震作用下，填充墻與框架兩者形成整體共同作用互相約束，提高了結構的承載能力。通過大量的震害研究以及模型試驗，得出了填充墻鋼筋混凝土框架結構在整體上比純鋼筋混凝土框架結構的抗震性能更加優越。填充墻鋼筋混凝土框架結構具有很強的抗側力水平，二者共同工作時的抗側力能力比填充墻和框架單獨工作時的抗側力能力之和要大。

3)填充墻對框架結構中構件內力的影響。

由于填充墻的存在，使得主體結構構件的變形受到一定的限制，并有可能減小框架柱的計算長度而使其形成短柱。這種短柱結構的變形能力和延性都較差，在地震作用下分擔的剪力增加，而極易發生脆性的剪切破壞，同時也有可能改變框架柱的受力模式，使得上下柱端承受明顯的附加剪力。另外，填充墻的約束作用還會增加框架梁的剛度，減小其彎曲變形，使得框架柱早于框架梁出現塑性鉸，違背了抗震設計中“強柱弱梁”的設計理念。

3 結論與建議

從以上分析中我們可以看到，填充墻的設置對于鋼筋混凝土框架結構的整體抗震性能既有有利的一面，也有不利的一面，這就要求每個結構設計師在實際工程設計中對結構整體以及各個構件的抗震性能進行認真分析，并采取合理的措施避免由于填充墻的設置而對主體結構造成的不利影響。對于上述提到的填充墻對于框架結構抗震性能各個方面的影響，現行規范并未給出明確的計算方法，因此在實際工程中應加強概念設計，主要做到以下幾個方面:

1)填充墻的布置應盡量滿足平面對稱均勻，豎向剛度連續不突變，以避免結構在地震作用下產生扭轉以及薄弱層的破壞。如果由于建筑功能的要求而不能滿足時，可采用調整墻體材料，局部加強剛度等方法來實現。

2)避免由于填充墻(如窗下墻等)的設置而使框架柱形成短柱，如果由于建筑要求的填充墻洞口而無法避免時，應對該短柱按照規范相應要求采取加強措施，如箍筋全高加密等。

3)在框架梁的抗震設計中，應通過構造加強措施增加其抗剪剛度，減少剪切破壞。

4)按照規范要求，合理設置拉結筋，加強填充墻與框架結構的連接，增強協同工作能力，提高結構的整體抗震性能。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[2]李英民，韓 軍，田啟祥，等.填充墻對框架結構抗震性能的影響[J].地震工程與工程振動，2009，29(3):51-58.

[3]朱榮華，沈聚敏.磚填充墻鋼筋混凝土框架擬動力地震反應試驗及理論分析[J].建筑結構學報，1996，17(4):27-34.

[4]林川旭，潘 鵬，葉烈平，等.汶川地震中典型RC框架結構的震害仿真與分析[J].土木工程學報，2009，42(5):13-20.