談混凝土結構中填充墻對主體的影響

王 剛

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

談混凝土結構中填充墻對主體的影響

王 剛

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

通過對混凝土結構中填充墻布置、剛度、對周邊結構的約束、自身的破壞過程的分析，介紹了填充墻與結構主體相互作用的關系，并闡述了采用填充墻柔性連接方法的一些優缺點，提高對混凝土結構中填充墻重要性的認識，從而優化設計，提升設計安全和質量。

填充墻，混凝土結構，抗側剛度，連接方式

0 引言

伴隨著我國經濟的騰飛，國內房地產市場的發展達到了空前的繁榮，許多新建筑拔地而起，愈發體現出高度更高、體量更大、形式更新穎的特點，其中數量最多的民用建筑仍以混凝土結構體系為主，例如框架、框架—剪力墻、剪力墻結構，而在混凝土結構中填充墻起到了分割使用空間、外部圍護等作用，是非結構構件的重要部分，也是項目施工后期工作量巨大的一個分項。在結構設計初期，好多結構次梁都是依據房間功能的劃分按照填充墻的具體位置來布置定位的，填充墻無論從選材布局還是受力耗能都對建筑結構的設計計算有很大影響。

本文旨在分析填充墻體對主體結構的各種聯系作用，加深我們對其設計概念的理解，并對設計計算過程中涉及填充墻的內容提出一些建議。

1 填充墻概述

框架、框剪和純剪結構中的填充墻，一般是指嵌砌于混凝土主體梁柱內，起圍護和分隔作用的非承重墻，與輕質隔墻和幕墻等均視為非結構構件。最常用的填充墻材料為加氣混凝土砌塊、混凝土小型空心砌塊等。通常結構建模設計計算時，僅考慮填充墻的重力效應，將其作為一種設計荷載輸入到模型中參與整體計算，并根據墻體數量及布置、連接情況選取周期折減系數以計入填充墻對整體剛度及抗震的作用(參見GB 50011—2010建筑抗震設計規范第13.2.1條2款對嵌入抗側力構件平面內的剛性建筑非結構構件，應計入其剛度影響，可采用周期調整等簡化方法；一般情況下不應計入其抗震承載力，當有專門的構造措施時，尚可按有關規定計入其抗震承載力)。

2 填充墻的破壞分析

拿框架結構來說，用于圍護和分割空間而嵌砌于主體結構的填充墻，抗剪切能力不強，在地震的初期，結構變形較小，填充墻成為主要抗側構件消耗地震能量，而其脆性材料的特點使其先于混凝土主體構件破壞。其破壞過程由與梁柱接觸部分出現周邊裂縫開始，逐漸向對角斜裂縫發展(見圖1)，隨著側向力的增加，斜裂縫向墻中部發展，貫通成X形(見圖2)，隨著破壞進一步加劇，最后墻體逐漸喪失剛性退出抵抗工作直至完全破壞，而框架則成為了抗側構件主體。通過填充墻在地震作用的破壞過程分析，我們不難看出，純框架和有填充墻的框架在初始階段的受力有很大差異，理論上填充墻可以等效為兩根對角支撐的拉壓斜杠與框架共同工作。

3 填充墻對主體結構的影響

在現有結構設計中，采用的周期折減(JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程第4.3.17條)的方法考慮了填充墻對主體的影響，是一種粗略估算的簡化方法，但卻容易使剛參加設計工作的新手片面的認為對填充墻的考慮只需粗略填個系數就可以計入整體計算，這種想法相對于填充墻實際的作用及影響就顯得較為簡單了。填充墻與結構主體并非相對獨立，而是相互作用影響的，我們已經了解了填充墻的破壞過程，接下來我們從以下幾方面來看看填充墻如何對混凝土結構產生影響：

1)墻體平面及豎向布置的影響。

在概念設計時，規范要求建筑平、立面布置宜規則，質量和剛度宜均勻、連續，質心與剛心盡量重合，避免地震作用時產生過大的扭轉，這一原則同樣適用于填充墻。由于使用功能的需要，不同樓層功能不同，布局也會不同，即使同一層功能布局往往也難以對稱，相應填充墻的布置也就千差萬別，這就容易造成剛心和質心在平面不重合、在豎向不連續的問題，成為導致結構扭轉破壞的因素之一。

2)墻體剛度的影響。

填充墻雖然屬于非承重墻，但自身是具有一定剛度的。從結構整體來說，因為填充墻的存在增加了結構的整體抗側移剛度，使結構自振周期縮短，受到的地震作用增大，從局部結構單元來說，由于樓層總剪力是按照抗側力構件的剛度比例來分配的，如果不考慮填充墻的剛度貢獻就會形成有墻體填充的結構單元與沒有墻體填充的結構單元分配的地震剪力相同，這顯然與實際情況不符。實際情況是，有填充墻的結構單元比無墻的剛度要大，分配而得的地震剪力也要大一些，兩者是有差異的，特別是框架結構這種差異更為明顯，某些實際有墻體填充的框架單元按無墻體協同計算得出的地震力是偏小的。

對于某些特殊建筑，例如底部為大型商場、停車場上部為寫字樓的建筑，或是頂層作為會議室，電影院的建筑，為了滿足個別樓層大空間的使用要求，集中削減分隔墻體的數量，甚至抽去梁柱，上下墻體數量的突然增加或減少造成剛度突變，使這些樓層形成薄弱層，對抗震十分不利。

3)填充墻對柱、梁的約束影響。

填充墻嵌砌于梁柱內，可以使梁柱變形在一定程度上得到限制，但若布置不當會對原有梁柱產生不利影響。對柱來說，若墻體開通窗時，窗裙墻對柱有約束，但窗高范圍則沒有，造成柱的計算長度縮短，易形成“短柱效應”，短柱的剛度大但變形能力差，會造成脆性剪切破壞(見圖3)。而且，因為梁與填充墻的協同作用，在地震時有可能使梁的塑性鉸形成于柱塑性鉸之后，在一定程度上形成“強柱弱梁”。對梁來說也是一樣的，在梁上下的填充墻開洞時，也會減小梁的跨度形成短梁，造成脆性破壞，但不同于短柱的是，短梁的破壞會使原本應該由延性梁消耗的地震能量減少，更多的能量轉移給了柱，增加了地震的危險性。

以上是填充墻布置不當對主體結構造成的不利影響，當然填充墻布置得當對抗震也有有利的方面：

1)填充墻與梁柱協同工作，承擔部分側向力，分擔了地震作用，提高主體的承載力；

2)填充墻的加入使主體結構由開始加載至破壞的全部受力和變形相對平緩，一定程度上提高了結構的延性，改善變形能力；

3)作為抗震的第一道防線通過自身的開裂破壞消耗吸收了地震能量，降低了結構主體遭受的危險程度等等。

4 設計階段填充墻布置的注意事項

通過上述介紹，我們可以了解到砌體填充墻布置得當與否對混凝土結構的整體剛度、變形能力、局部梁柱的破壞都有影響，所以在設計階段應該對填充墻的布置提出要求，非承重墻體的材料、選型和布置，應根據烈度、房屋高度、建筑體型、結構層間變形、墻體自身抗側力性能的利用等因素，經綜合分析后確定(《建筑抗震設計規范》第13.3.2條)，需要與建筑專業協調，探討出既能滿足使用功能又受力合理的墻體布置方案。

首先從墻體布置考慮，按照概念設計，剛性非承重墻體的布置，應避免使結構形成剛度分布上的突變；當圍護墻非對稱均勻布置時，應考慮質量和剛度的差異對主體結構抗震不利的影響，如將墻體在平面周邊均勻布置可以提高抗扭強度和整體剛度、在豎向墻體布置盡量連續，減少錯位。若在提出建筑方案時遇到因使用要求將多層墻體偏置的情況，這違背了均勻布置的原則，應適當調整。有時我們還會遇到在施工后期因甲方重新調整使用功能而修改填充墻布置的情況，從結構受力方面來說這實際是改變了填充墻與混凝土構件協同工作的范圍，但因為我們的模型計算取用的是周期系數折減的整體調整方法，所以這種墻體的位置改變對計算影響只是體現在一種荷載位置的重新分布上，只會影響計算時質心的位置而對整體的剛性并沒有反應，在構件承載力滿足時我們只需注意避免荷載總值的大幅增加。

其次，對于墻體開門窗洞口的位置也需注意，填充墻開洞會削弱其對結構剛度的貢獻，當開洞率相同時，開洞位置越靠近兩側框柱對結構剛度的影響就越弱。當開通窗時，對框架柱還會形成“短柱”，所以遇到通窗，框架柱應該加密箍筋，采用按短柱設計以提高抗剪能力。

最后，現有設計方法對填充墻的要求最直接的體現在構造措施上，填充墻與主體要有可靠的拉結，應能適應主體結構不同方向的層間位移。非承重墻體宜優先采用輕質墻體材料；采用砌體墻時，應采取措施減少對主體結構的不利影響，并應設置拉結筋、水平系梁、圈梁、構造柱等與主體結構可靠拉結(《建筑抗震設計規范》第13.3.2條)。這些并非是結構計算出來的條款，而是根據經驗所得，在地震中往往這些具體的措施對安全保障起到了非常重要的作用，需要特別明確提出。

5 填充墻柔性連接對主體結構的影響

上述填充墻的分析主要是基于與主體結構剛性連接的方式，針對剛性連接的缺點，抗震規范相應提出非結構構件柔性連接的概念，對柔性連接的建筑構件可不計入剛度，《高層建筑混凝土結構技術規程》第4.3.17條的條文說明中提出周期折減方法不適用于采用柔性連接的填充墻或剛度很小的輕質砌體填充墻。柔性連接的目的主要是克服剛性連接的弊端，盡力避免填充墻對結構主體剛度、周期、變形的不利影響，采用柔性連接后，墻體可按重力荷載計入計算模型，周期不需折減，雖然損失了填充墻體對抗側力剛度的貢獻，但計算結果與實際相符。圖集10SG614—2砌體填充墻構造詳圖十分全面的給出了柔性連接的做法，為采用推廣這一連接方法做出具體的指導和要求。雖然規范和圖集對填充墻柔性連接都有規定，但就目前設計施工的現狀來看，仍然采用較少，原因主要是柔性連接比剛性連接做法更為復雜，對施工的要求有所提高，在工期緊、任務繁重的普遍情況下難以打破現有施工習慣。而不同的混凝土結構體系也應綜合考慮采用哪種墻體連接方式更合適，相對于框剪和純剪結構有剛度很大的剪力墻而言，框架結構自身剛度要弱一些，填充墻對其影響更大，因此對質量要求較高的框架結構，優先采用填充墻的柔性連接效果會更好。

6 結語

通過以上幾方面內容的粗淺分析，我們對混凝土結構體系中的填充墻這一非結構構件的本質屬性有了一定的認識，并對設計過程中接觸到的一些具體問題作出了闡述。在具體設計計算的操作中，我們還是需要綜合考慮、分析，采用合理的填充墻連接方式和布置方案，保證設計項目的安全可靠、技術先進、經濟節能。雖然填充墻作為非結構構件的重要性無法與結構主體相提并論，但它卻實實在在影響著建筑的各方面，在設計施工中對它每多一份嚴格，地震來臨時就少一份危險。

[1] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

[3] GB 50003—2011,砌體結構設計規范[S].

[4] 李國勝.多高層鋼筋混凝土結構設計中疑難問題的處理及算例[M].第2版.北京：中國建筑工業出版社，2011.

[5] 苑振芳,王海川.柔性連接的框架填充墻設計原則和實施[J].建筑應用,2013(6)：33-34.

Discussion on the influence of infilled wall to main body in concrete structure

Wang Gang

(ShanxiArchitecturalDesignandResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

Through the analysis on infilled wall layout, stiffness, the constraints to surrounding structure, itself failure process in concrete structure, this paper introduced the interaction and relationship between the infilled wall and main body structure, and elaborated some advantages and disadvantages using infilled wall flexible connection method, improve the awareness of the importance of infilled wall in concrete structure, in order to optimize the design, improve the design quality and safety.

infilled wall, concrete structure, lateral stiffness, connection mode

1009-6825(2017)22-0045-03

2017-05-22

王 剛(1983- ),男，工程師

TU375.4

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