填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析

徐寧霞

摘要：填充墻砌體工程一般采用空心磚、蒸壓加氣混凝土砌塊、輕骨料混凝土小型空心砌塊等材料進(jìn)行砌筑。框架-填充墻結(jié)構(gòu)是指填充墻砌體在框架結(jié)構(gòu)中起圍護(hù)、分隔作用，不承擔(dān)荷載，屬于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在地震力的作用下，填充墻的材料、種類、位置、數(shù)量等的不同布置方法對(duì)框架結(jié)構(gòu)的剛度影響很大，因此，地震剪力對(duì)填充墻框架結(jié)構(gòu)與純框架結(jié)構(gòu)所造成的破壞程度是不一樣的。所以，在填充墻框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范中都有明確的要求，必須考慮到填充墻的布置對(duì)框架結(jié)構(gòu)的剛度影響。所以本文通過(guò)分析填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)的抗震影響，得出填充墻的有利和不利影響，并總結(jié)規(guī)律，提出填充墻合理布置的一些建議。

關(guān)鍵詞：填充墻框架結(jié)構(gòu)抗震性能

0引言

1906年4月18日發(fā)生在美國(guó)舊金山的大地震中，框架結(jié)構(gòu)采用了磚砌體做填充墻，并因此抵御了地震的沖擊，發(fā)揮了很好的結(jié)構(gòu)性能。然而，在1989年10月17日的奧克蘭地震中，這種結(jié)構(gòu)有一些受到了嚴(yán)重的地震破壞影響。直到2008年5月12日發(fā)生在汶川的8.0級(jí)大地震的考察研究中發(fā)現(xiàn)，很多填充墻框架結(jié)構(gòu)由于填充墻的不合理布置造成了結(jié)構(gòu)更嚴(yán)重的破壞；也有填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)使得結(jié)構(gòu)避免發(fā)生倒塌的情況存在。因此，填充墻框架結(jié)構(gòu)中，填充墻如何布置，布置多少，與主體結(jié)構(gòu)怎么進(jìn)行很好的連接都成了許多科學(xué)技術(shù)人員力圖解決的一個(gè)工程難題。如果能合理考慮填充墻在地震力作用下對(duì)框架結(jié)構(gòu)承載能力的影響并合理進(jìn)行設(shè)計(jì)，將大大減輕地震

破壞的影響程度，從而更好的保護(hù)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

1 框架結(jié)構(gòu)中填充墻的影響分析

1.1填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)水平承載力的影響分析

在擬動(dòng)力地震反應(yīng)試驗(yàn)[1]中，填充墻框架結(jié)構(gòu)所測(cè)得的水平承載力是294KN，而純框架結(jié)構(gòu)所測(cè)得的水平承載力為191KN。可見(jiàn)，布置了填充墻的框架結(jié)構(gòu)比純框架結(jié)構(gòu)的承載力要高出許多。

1.2填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)的變形影響分析

在填充墻框架結(jié)構(gòu)體系中，墻體部分和框架部分材料選用不同，受力性能也不同。因此，在地震剪力作用下，這兩部分結(jié)構(gòu)共同作用，相輔相成，共同抵御地震影響，改善了自身結(jié)構(gòu)的變形能力，使整個(gè)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出很好的延展性，這與磚墻的脆性破壞是不同的。可見(jiàn)，填充墻的存在對(duì)框架結(jié)構(gòu)的變形起到了約束的作用。

1.3填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)剛度的影響分析

在填充墻框架結(jié)構(gòu)體系中，填充墻的存在增加了整體結(jié)構(gòu)自身的重量，同時(shí)也影響了整體結(jié)構(gòu)的剛度。在1999年，Amar A.C.和Arslan C.做了一個(gè)關(guān)于填充墻框架結(jié)構(gòu)和純框架結(jié)構(gòu)的剛度試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，填充墻框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度是純框架結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度的7倍[2]。同樣，早在1995年，曹萬(wàn)林和王光遠(yuǎn)也做過(guò)類似的試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)置了輕質(zhì)砌塊填充墻的框架結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度是純框架結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度的10倍左右[3]。可見(jiàn)，填充墻的存在增大了框架結(jié)構(gòu)自身的側(cè)移剛度，這種剛度效應(yīng)迫使整個(gè)結(jié)構(gòu)在地震剪力作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)以及加大薄弱層的破壞，使結(jié)構(gòu)遭受更嚴(yán)重的倒塌破壞。

1.4填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)柱、梁的影響。在填充墻框架結(jié)構(gòu)體系中，當(dāng)相鄰柱間開(kāi)設(shè)窗洞時(shí)，其填充墻的彈性約束力作用在柱的兩端，從而使框架柱的計(jì)算高度減小，形成了短柱[4]（圖1.4.1），降低了框架柱本身的延展性，從而極易發(fā)生脆性破壞。其次，當(dāng)開(kāi)設(shè)門洞時(shí)，填充墻作用于框架梁上如同一個(gè)彈性支座，減小了框架梁的計(jì)算跨度，從而形成了短梁[5]（圖1.4.2）。短柱短梁結(jié)構(gòu)在遭遇地震剪力破壞時(shí)，抗剪能力差，裂縫發(fā)展迅速，極為危險(xiǎn)。

■

填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)柱的影響 填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)梁的影響

圖1.4.1 圖1.4.2

2 填充墻的有利和不利因素

2.1有利因素

①填充墻框架結(jié)構(gòu)比純框架結(jié)構(gòu)抗震性能好。在地震影響初期，框架結(jié)構(gòu)柱、梁對(duì)填充墻具有耦合作用，這種作用力能抵御地震剪力的影響。

②填充墻的存在能消耗大部分的地震能量。在地震剪力進(jìn)一步加大的時(shí)候，填充墻面出現(xiàn)裂縫，并伴隨主框架結(jié)構(gòu)開(kāi)始破裂，填充墻與主框架發(fā)生脫離。但是，只要填充墻沒(méi)有倒塌，其剛度仍然存在，并且和主框架一起共同消耗地震產(chǎn)生的巨大能量。

2.2不利因素

①由于填充墻的布置不恰當(dāng)，致使吸收地震能量的方式會(huì)發(fā)生改變。

②在地震作用力下，填充墻框架結(jié)構(gòu)中容易形成短梁短柱結(jié)構(gòu)，抗剪能力差，極易發(fā)生破壞。

③填充墻的不合理布置會(huì)加大整體結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度，從而使結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)及剪力破壞。

3 對(duì)填充墻框架結(jié)構(gòu)的幾點(diǎn)建議

3.1填充墻應(yīng)優(yōu)選輕質(zhì)的、強(qiáng)度高的、耗能性能好的墻板，盡量不采用剛度大、強(qiáng)度低的砌體填充墻。如必須采用時(shí)，應(yīng)在砌體內(nèi)配置水平鋼筋加強(qiáng)填充墻與梁柱界面的拉接。同時(shí)沿框架柱全高布設(shè)箍筋，并進(jìn)行抗剪承載力驗(yàn)算，并沿梁全長(zhǎng)按梁端剪力配置箍筋，防止框架梁在洞口處發(fā)生剪切破壞。

3.2對(duì)于高層框架結(jié)構(gòu)，建議在底部增設(shè)鋼筋混凝土剪力墻，加大結(jié)構(gòu)的整體剛度，避免非結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生彈塑性變形。

3.3填充墻應(yīng)盡量按照在豎向上整體結(jié)構(gòu)豎向剛度的均勻分布，剛度中心與整體結(jié)構(gòu)重心重合的原則布置，避免形成軟弱層；在平面上盡量使質(zhì)量中心和剛度中心重合，以免結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。同時(shí)應(yīng)有可靠的措施加強(qiáng)填充墻與框架主體結(jié)構(gòu)的連接，對(duì)于可能出現(xiàn)的短梁短柱，應(yīng)在設(shè)計(jì)中予以加強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)承載能力、結(jié)構(gòu)變形能力、結(jié)構(gòu)剛度、梁柱的影響，得出填充墻在框架結(jié)構(gòu)體系中所扮演的有利和不利角色，最后針對(duì)填充墻的不利影響，提出幾點(diǎn)關(guān)于改進(jìn)填充墻框架結(jié)構(gòu)的建議，為填充墻框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱榮華，沈聚敏.磚填充墻鋼筋混凝土框架擬動(dòng)力地震反應(yīng)試驗(yàn)及理論分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1996，17(4)：27-34.

[2]Chaker Amar A，Cherifati Arslan.Influence of Masonry Infill Panels on the Vibration and Stiffness Characteristics of R/C Frame Buildings[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1999，12(3)：1061-1065.

[3]曹萬(wàn)林，王光遠(yuǎn)，吳建有等.輕質(zhì)填充墻異形柱框架結(jié)構(gòu)層剛度及其衰減過(guò)程的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1995，16(5)：20-31.

[4]黃靚，施楚賢，熊輝.帶砌體填充墻結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性質(zhì)疑[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2005，35(3)：57-65.

[5]朱志達(dá)，鄭玉倫，涂鳴等.提高約束鋼筋混凝土短梁抗震性能的設(shè)計(jì)方法研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1997，15(4)：32-39.