帶填充墻框架的抗震性能分析及設(shè)計

孫 曉 霞

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024； 2.大同市建筑設(shè)計研究院，山西 大同 037006)

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帶填充墻框架的抗震性能分析及設(shè)計

孫 曉 霞1，2

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024； 2.大同市建筑設(shè)計研究院，山西 大同 037006)

總結(jié)了設(shè)計有填充墻的框架結(jié)構(gòu)時常見的問題，分析了框架結(jié)構(gòu)中填充墻對結(jié)構(gòu)剛度和承載力的影響，指出設(shè)計中應(yīng)合理布置填充墻，避免出現(xiàn)軟弱層或薄弱部位，減少對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。

框架結(jié)構(gòu)，填充墻，剛度，承載力

歷次地震中，框架結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出了良好的抗震性能，但是框架結(jié)構(gòu)的填充墻引起的震害卻不少，而且都很嚴(yán)重。填充墻破壞形式有很多樣，有水平的裂縫、交叉斜裂縫、平面外的傾斜等等，最嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)整體倒塌的情況。而對于主體結(jié)構(gòu)，則因為填充墻的布置，使結(jié)構(gòu)剛度中心發(fā)生偏移，造成較大的扭轉(zhuǎn)，框架柱和梁柱節(jié)點被破壞。

在設(shè)計有填充墻的框架結(jié)構(gòu)的時候，主要涉及兩種問題：第一種是結(jié)構(gòu)的整體剛度會受到填充墻的影響；第二鐘是填充墻與主體結(jié)構(gòu)的梁和柱的拉結(jié)，還有填充墻墻體自己本身的穩(wěn)定問題。在做設(shè)計的時候，工程設(shè)計人員一般對第二種問題比較重視，對第一種問題就考慮不多，特別是對于填充墻在框架結(jié)構(gòu)平面布置中的位置，僅被當(dāng)作了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，只把它當(dāng)成豎向荷載來考慮。但實際上填充墻與框架主體之間存在著相互作用，是參與結(jié)構(gòu)體系的地震剪力分配的。

工程設(shè)計中，為了滿足功能的需要，有時會把填充墻僅僅布置在結(jié)構(gòu)平面的一端，結(jié)果導(dǎo)致此端剛度增大，引起結(jié)構(gòu)的偏心和扭轉(zhuǎn)；或者是結(jié)構(gòu)的某一個樓層或者幾個樓層只在外圍有填充墻，而其余樓層不僅外圍有填充墻，而且內(nèi)部也布置有較多填充墻，這樣可能會使結(jié)構(gòu)的上下層剛度差異過大而形成軟弱層。當(dāng)建筑進(jìn)行改造時，當(dāng)把小開間改為大開間，需要減少分隔墻，結(jié)構(gòu)層的質(zhì)量和剛度就會減少，地震作用也會減少；當(dāng)把大開間改為小開間，需要增加分隔墻，結(jié)構(gòu)層的質(zhì)量和剛度都會增大，地震作用也會增加。

除了剛度效應(yīng)，填充墻還會對框架柱產(chǎn)生約束效應(yīng)。有兩種情況，一種是每層框架柱高度范圍的中部沒有填充墻，柱上下兩端受到設(shè)置的剛性填充墻的約束，這樣就會使框架柱的中部形成短柱，整個結(jié)構(gòu)的變形能力就會變差，延性大大降低，柱本身所受的剪力就會大大增加，在地震作用下容易造成剪切破壞。二是填充墻在層高范圍滿布時，通常設(shè)計中是忽略填充墻的抗剪承載力的，層間剪力全部由柱來承擔(dān)，相當(dāng)于填充墻剛度引起的剪力也由柱按D值分配，但實際情況是與墻相連的柱剛度大，會受到更大的地震力，而且由于填充墻受震時的單向斜撐作用使各個柱并非按各自的D值分配地震力，當(dāng)墻頂斜砌磚過早被壓壞的時候，填充墻就會把邊柱剪壞。

目前，難以比較準(zhǔn)確地就填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的影響進(jìn)行量化分析，也不能準(zhǔn)確地計算出由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)偏心程度和上下兩層剛度差異值的大小。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員設(shè)計的時候，就應(yīng)當(dāng)從概念設(shè)計出發(fā)，計算和構(gòu)造兩個方面一起來考慮：

1)為了控制整個框架結(jié)構(gòu)因為剛度偏心而造成的扭轉(zhuǎn)，同時也為了避免出現(xiàn)上下層剛度差別太大的情況，建筑設(shè)計時，應(yīng)盡量使填充墻在平面和豎向的布置均勻、對稱。并應(yīng)采取可靠的構(gòu)造上的措施，盡量減少由于填充墻平面、豎向布置的不均勻、不對稱而造成的不利影響。結(jié)構(gòu)分析的時候，宜根據(jù)填充墻、隔墻的實際布置情況，用較為合理的偏心距來反映平面布置的不均勻，用層剛度增大系數(shù)來反映豎向布置的不均勻，并取按此計算的結(jié)果和不考慮這些因素的計算結(jié)果兩者中的最不利情況作為設(shè)計依據(jù)。對上下層填充墻、隔墻數(shù)量變化很大的框架結(jié)構(gòu)，宜考慮按薄弱層設(shè)計。

2)邊框架外墻設(shè)帶形窗，為防止柱發(fā)生剪切破壞，框架柱箍筋應(yīng)全高加密。

3)由于填充墻與框架結(jié)構(gòu)的主體剛性連接，墻的強(qiáng)度和剛度對主體結(jié)構(gòu)有很大的影響。在實際工程中，填充墻對結(jié)構(gòu)的整體剛度會有影響，有時還可能很大。如果不考慮填充墻的剛度，結(jié)構(gòu)的地震作用計算時就會小于實際承受的地震作用，這樣就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計偏于不安全。設(shè)計時一般用周期折減系數(shù)來反映這個影響的大小，但采用的折減系數(shù)是統(tǒng)一的，僅僅對填充墻的作用做了大致估算。設(shè)計的時候應(yīng)該根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)類型和填充墻數(shù)量的多少選用周期折減系數(shù)(見表1)，使它與結(jié)構(gòu)的實際結(jié)構(gòu)剛度基本符合。

表1 周期折減系數(shù)

4)框架結(jié)構(gòu)的填充墻為減輕自重應(yīng)盡可能選用輕質(zhì)墻體。震害顯示，填充墻破壞后，倒塌會傷人，并且會堵塞通道，對人員疏散形成障礙，剛度較大的填充墻則會加大地震作用。因此，在高層建筑中，輕質(zhì)墻板應(yīng)該是較好的選擇。

5)地震時填充墻大量破壞，可以消耗部分地震能量，對主體結(jié)構(gòu)起到一定的保護(hù)作用，但是它造成的經(jīng)濟(jì)損失是很大的。填充墻與主體結(jié)構(gòu)應(yīng)該設(shè)置可靠的拉結(jié)，應(yīng)該能與主體結(jié)構(gòu)不同方向的層間位移相適應(yīng)，應(yīng)該具有滿足主體結(jié)構(gòu)層間位移的變形能力。如果采用的是柔性連接，通過在墻中按一定間距設(shè)置小混凝土構(gòu)造柱，與框架梁或樓板連接，形成下部固定，上部鉸接的支承情況，這樣可以不計入填充墻對主體結(jié)構(gòu)剛度的影響，只考慮墻體重量對結(jié)構(gòu)的影響。但這種連接方式在大震作用下，填充墻極有可能發(fā)生平面外的倒塌。

6)抗震設(shè)計時，框架的填充墻，應(yīng)該符合以下要求：

a.填充墻應(yīng)該沿框架柱的全高，每隔500 mm～600 mm設(shè)置2φ6的拉筋，6，7度抗震設(shè)防的時候，拉筋伸入填充墻的長度宜沿填充墻全長貫通；8，9度抗震設(shè)防時應(yīng)沿填充墻全長貫通。

b.當(dāng)填充墻的長度大于5 m時，墻頂與梁(板)宜有拉結(jié)；填充墻的長度超過8 m或者層高的2倍時，墻內(nèi)宜設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱；當(dāng)填充墻的高度超過4 m時，墻體的半高處(或門窗洞口上皮)宜設(shè)置鋼筋混凝土水平系梁，與柱連接且沿墻全長貫通。

c.砌體砂漿強(qiáng)度等級不應(yīng)低于M5，墻頂應(yīng)與框架梁或樓板密切結(jié)合。

d.樓梯間和人流通道的填充墻，應(yīng)采用鋼絲網(wǎng)砂漿面層加強(qiáng)。

目前，工程設(shè)計人員對于帶填充墻框架的抗震設(shè)計，只采用了周期折減系數(shù)來計算填充墻對整體剛度的增大，沒有考慮填充墻對強(qiáng)度、剛度和剪力分配的影響，方法比較簡化。大量的震害表明，填充墻對結(jié)構(gòu)剛度有影響，對主體結(jié)構(gòu)有約束，會造成扭轉(zhuǎn)破壞、薄弱層破壞和短柱的剪切破壞。因此，非常有必要針對框架結(jié)構(gòu)的震害特點，開展結(jié)構(gòu)試驗，研究填充墻不均勻布置對主體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，及在不同的填充墻布置的情況下，框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和設(shè)計的方法。

[1] 李建輝，薛彥濤，王翠坤，等.框架填充墻抗震性能的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011，41(S1)：12-17.

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

Seismic performance and design of a frame with a packed wall

Sun Xiaoxia1，2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024，China;2.DatongBuildingDesignInstitute,Datong037006,China)

Sums up the problems in the design for the framework of the filled walls. Analysis of the influence of frame structure filling wall on structure stiffness and bearing capacity, and points out that the design should be reasonable layout of filling wall, avoid weak layer or weak parts, reduces the adverse influence to the structure.

frame structure, filler wall, stiffness, bearing capacity

2016-11-23

孫曉霞(1978- )，女，在讀工程碩士，高級工程師

1009-6825(2017)04-0047-02

TU352

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