砌體填充墻對RC框架結構抗震性能影響的研究★

孫 冰 楊 鑫,2 王勁松 曾 晟 王永海

(1.南華大學土木工程學院，湖南 衡陽 421001； 2.南華大學長三角(諸暨)研究院，浙江 紹興 311800；3.南華大學資源環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001； 4.中國建筑科學研究院，北京 100013)

0 引言

隨著社會經濟的穩步增長和城市化進程的快速推進，高層建筑的大規模出現在一定程度上解決了城市人口居住問題，但也引發了人們對該類建筑能否抵御地震災害以及能否保障人類生命財產安全的擔憂。砌體填充墻RC框架作為在建筑工程中廣泛應用的常見結構形式，其抗震性能的優劣直接關系著建筑工程抵抗地震破壞能力的強弱。從近年的地震震害調查[1]可以看出，砌體填充墻構件是影響框架結構受力性能的關鍵因素之一。目前國內外科研學者通過大量研究提出了等效壓桿模型、等效平面框架模型、墻框并聯模型和有限元模型等多種砌體填充墻框架結構計算模型，形成了利用自振周期折減系數來定性考慮非承重砌體填充墻影響的抗震設計方法，研究了墻體布置方式、墻體平面尺寸以及墻框連接方式等因素對砌體填充墻RC框架結構抗震性能的影響。

上述研究極大地推動了現澆框架式建筑和裝配式建筑的發展與進步，使框架結構向著更有利于人類生活居住的方向改變。但由于墻框結構本身的復雜性以及在材料、尺寸和連接等方面的差異，對砌體填充墻RC框架結構受載過程的研究不夠透徹，對砌體填充墻施加給框架結構抗震性能的影響探索有待深入。因此本文圍繞砌體填充墻RC框架在地震作用下的變化，對結構的受力過程和破壞模式展開介紹，然后從水平承載力、剛度效應和變形能力三個方面論述砌體填充墻對RC框架結構抗震性能的影響，最后根據當前研究成果和現狀對此類結構未來的發展趨勢進行展望。

1 砌體填充墻RC框架結構受力過程

砌體填充墻RC框架在地震運動中的受力過程一定程度上反映了墻框組合結構的協同工作關系。地震持續發生時，砌體填充墻和RC框架發揮的作用雖有所側重，但二者實際是在相互作用影響下協同消耗地震能量、共同抵抗水平側向力。據此將砌體填充墻RC框架結構從受載到破壞的整個受力過程劃分成四個階段：整體階段發生在地震作用初期，該階段砌體墻與梁柱受水平地震分量影響產生摩擦，側向作用力的增大不僅引發砌體角部的應力集中，還使得砌體中部處于受拉狀態[2]。彈性階段的填充墻是承受側向作用力的主要構件，該階段砌體與RC框架之間發生不協調變形，砌體角部受壓碎裂并與框架在一定程度上脫開，同時墻面出現雙弧線應力分布，導致產生沿對角方向延伸的未貫穿裂縫[3]。框架結構進入彈塑性階段，RC框架在砌體墻無法承受側向作用力后成為主要承載構件，此時砌體墻剛度顯著降低，墻面裂縫持續發展直至形成貫穿裂縫，梁柱上出現裂縫并保持發育，荷載短時間內達到峰值[4]。框架結構在承載力出現峰值后進入塑性階段，該階段的墻框構件徹底脫開且砌體以破碎垮塌的形式退出工作，梁柱構件陸續出現塑性鉸，結構整體處于破壞狀態。

2 砌體填充墻RC框架結構破壞模式及成因

砌體填充墻RC框架結構的破壞行為極其復雜，常在地震運動中呈現出多種破壞模式。本節內容根據框架結構的典型震害特點對其破壞行為進行歸納并總結形成原因。

2.1 柱鉸破壞

框架柱歷來是框架結構抵抗地震破壞的關鍵構件，其足夠的承載能力和必要的延性是保證結構具有良好抗震性能的前提。柱鉸現象的出現不僅表明結構無法實現強柱弱梁的延性破壞預期，還會導致底層出鉸破壞、角柱剪切破壞甚至柱端屈服整體傾斜等嚴重震害的產生。調查研究表明[5]，造成柱鉸破壞的根本原因是柱端抗彎剪能力小于梁端實際抗彎剪能力總和，在工程中具體表現為：砌體填充墻及現澆樓板增大框架梁的承載力和剛度、框架梁截面尺寸偏大或梁兩端出現超配筋以及框架柱受砌體填充墻約束作用后其有效高度減小。

2.2 薄弱層破壞

薄弱層破壞是指豎向布置不規則的建筑受地震作用影響，其抗側力構件發生剛度和承載力的突變，導致出現塑性變形后屈服的破壞現象。研究表明[6]，薄弱層破壞對砌體填充墻RC框架的安全性能十分不利，薄弱層的產生與砌體填充墻的布置有很大關系。砌體填充墻對框架結構的剛度、變形能力和破壞模式有著不可忽視的影響，當墻體沿豎直方向不連續不均勻布置時會使結構層間剛度過大從而造成薄弱層破壞。所以我國行業規范《建筑抗震設計規范》對如何避免薄弱層出現作了明確規定。

2.3 短柱破壞

短柱破壞的發生源于砌體填充墻對框架柱產生的約束效應，這不僅限制了柱體的變形位移，還減少了柱體的計算高度使之易于形成短柱。框架柱形成短柱后其受力機制發生改變，變形能力下降，延性大幅降低，最終導致柱體脆性剪切破壞。從安全性角度來講，短柱破壞既不符合規范明確的“強剪弱彎”設計原則，也難以使建筑達到“大震不倒”的設防目標。填充墻作為造成短柱破壞的主要因素，無論是對填充墻約束作用的考慮不足還是砌體上門窗洞口的布置不合理，都會降低框架結構的整體延性和變形能力[7]。

2.4 填充墻破壞

砌體填充墻作為框架結構的首道抗震防線，常因耗能緩震作用先于RC框架破壞。受砂漿強度、幾何尺寸以及布置方式等因素的影響，砌體填充墻有彎曲破壞、剪切破壞、對角開裂破壞、局部壓碎破壞和平面外倒塌等不同破壞形式[8]。工程中的砌體墻與RC框架有著復雜的相互作用關系，砌體破壞改變了構件的受力性能，進而對框架結構的承載能力、抗側剛度和變形能力產生顯著影響。現階段我國規范對砌體填充墻的抗震措施做了明確規定，但囿于作用機制的復雜性和研究手段的落后，針對墻體的破壞及控制指標尚未出臺相應條文。

3 砌體填充墻對RC框架結構抗震性能的影響

由上述框架結構的受力過程和破壞現象可知，砌體填充墻的設置改變了RC框架結構的抗震性能。因此本文從水平承載力、剛度效應和變形能力三個方面對國內外研究現狀進行歸納總結。

3.1 水平承載力

砌體填充墻對框架結構的影響之一體現在對水平承載力的改變上。砌體墻與RC框架形成的復雜相互作用改變了各構件的受力機制，使結構整體的水平承載力大于各構件的水平承載力之和，且較純框架有明顯提升。熊立紅[9]在對砌體填充墻RC框架開展擬靜力試驗后發現，砌體填充墻RC框架的不同階段水平承載力對比純框架均有不同幅度的提升；周曉潔[10]得到的低周反復荷載試驗結果表明，砌體填充墻RC框架的水平承載力是純框架的3/2倍；Trapani[11]利用OpenSees軟件對框架結構在地震作用下的力學響應進行了數值模擬，其分析結果成功對上述結論予以證明。

此外，科研人員還對影響框架結構水平承載力的因素進行了分析調查。相關研究表明，不同材質砌體墻對框架結構水平承載力有著不同的提升效果，其中傳統粘土磚的提升幅度相對較低，輕質砌塊帶來的綜合效果更佳[12]；填充墻的強度與剛度是影響框架結構水平承載力的一大重要因素，強填充墻框架在承載力方面比弱填充墻框架表現更好[13]；門窗洞口的大小、形狀以及位置對框架結構的受力性能和破壞形態有著巨大影響，能不同程度的減小框架結構的水平承載力[14]；Schneider[15]從砌體填充墻的截面尺寸入手，通過試驗研究發現減小填充墻高寬比或增大填充墻厚度都能提高結構水平承載能力。

目前結構抗震領域已經形成砌體填充墻能提高框架結構水平承載力的結論，也對影響結構承載力的因素開展了大量研究，但仍有許多細節需要繼續進行探索。如按經驗法設計的開洞填充墻對結構整體承載能力影響如何，如何避免因應力集中引起的墻體垮塌，除經驗法外還有何種理論依據能指導門窗開洞設計。

3.2 剛度效應

砌體填充墻在框架結構中產生的剛度效應，是造成砌體填充墻RC框架剛度區別于純框架的主要原因。從已有研究分析可知，砌體填充墻對框架結構抗側剛度的提高具有積極影響。AL-Chaar[16]對砌體填充墻RC框架開展的振動試驗表明，砌體填充墻使框架結構的剛度較純框架有很大提高；Chaker[17]通過框架結構的對比試驗發現，砌體填充墻對結構剛度的提升效果是純框架的5倍～10倍；隨后Siddiqui[18]通過試驗研究和理論分析指出輕質墻材更有利于提高結構整體剛度，Han[19]則從數值模擬角度入手，利用有限元法成功對砌體填充墻能提高框架結構抗側剛度的觀點進行了證明。

研究人員通過震害調查和試驗研究發現在框架中設置填充墻并不一定都有利于抗震。填充墻合理布置時其產生的額外剛度正常參與地震剪力分配，對結構整體抗震能起到積極作用，當墻體布置不規則不合理，剛度效應帶來的將是加速框架結構破壞的負作用[20]。如填充墻在豎向的不均勻分布會使結構層間剛度過大從而出現薄弱層破壞，又如填充墻沿豎直方向和水平方向布置不當時，剛度效應引起的抗扭剛度不對稱往往會導致扭轉破壞。

3.3 變形能力

砌體填充墻對框架結構變形能力的影響十分顯著，具體表現在層間位移角和延性指標的變化上。童岳生等[21]對砌體填充墻RC框架結構在不同破壞狀態下的層間位移角和墻體開裂后的層間位移進行了對比分析，得出填充墻對框架結構的變形性能有明顯改善效果的結論；曹萬林[22]通過開展填充墻框架模型試驗，發現砌體填充墻的設置使得框架結構的屈服層間位移角由1/150變為1/275；廖橋[23]在分析框架結構抗震試驗結果后認為，不同受力階段特征點對應的層間位移角大或試件位移延性系數大時，結構表現出的延性性能更好，墻框協同工作能力和變形能力更優。

事實上，雖然砌體填充墻自身以脆性為主，但對RC框架起到了良好的支撐作用，砌體墻與RC框架的組合結構不僅增加了結構的延性，還減小了結構的層間位移角，使得梁柱構件在地震中的損傷大為減輕。然而并非所有砌體墻都能使框架結構的變形能力增強，一旦砌體墻體對RC框架的約束作用過強，框架柱有效長度或框架梁有效跨度因故減小，結構的抗剪能力和延性將會大大降低，最終易因變形能力不足引發結構剪切破壞。

4 結論與展望

目前業界對砌體填充墻RC框架結構的研究取得了極大地進展，本文所述的四個階段的受力過程、多種破壞模式和成因以及設置砌體填充墻對RC框架結構抗震性能的影響僅是少數代表性成果。基于上述研究成果和事實，本文認為可從以下幾個方向開展未來的工作：

1)對現階段的研究進行補充完善，尤其是砌體填充墻RC框架結構的抗震設計優化問題；

2)通過作動器和振動臺等不同形式的加載，對砌體填充墻鋼框架、輕質條板填充墻RC框架和輕質條板填充墻鋼框架等結構進行抗震試驗，探索更經濟更可靠的組合結構，為未來的建筑提供更具潛力的結構形式；

3)針對以上研究開展精細化數值模擬，分析各墻框組合的協同工作機理，比較不同結構在地震荷載下的受力過程、破壞模式和抗震性能，為后續的科學研究和工程應用提供參考。