砌體填充墻對RC 框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響的研究

彭夢龍

砌體填充墻RC 結(jié)構(gòu)在我國項目建筑工程中被廣泛使用，砌體填充墻在抗震功能方面表現(xiàn)良好，其直接決定建筑工程的抵抗地震破壞效果?，F(xiàn)階段，國外和國內(nèi)研究人員積累和沉淀大量的模型資料，以此合理評估砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)的模型數(shù)據(jù)，例如等效壓桿模型、墻框并聯(lián)模型、有限元模型等。通過總結(jié)砌體填充墻RC 結(jié)構(gòu)的自振周期折減系數(shù)，判斷結(jié)構(gòu)對填充墻產(chǎn)生影響，以此制定科學(xué)的抗震設(shè)計方案。

1.砌體填充墻RC 框架結(jié)構(gòu)受力過程

砌體填充墻與RC 框架客觀展示墻框組合結(jié)構(gòu)的協(xié)同影響關(guān)系，隨著地震災(zāi)害的持續(xù)發(fā)展，砌體填充墻與RC 框架在功能發(fā)揮上有明顯的偏向性，但是砌體填充墻與RC 框架在相互影響下，容易呈現(xiàn)消耗地震能量的作用。所以，在分析砌體填充墻RC 框架結(jié)構(gòu)時，需要總結(jié)四個階段：地震作用力初期影響，本階段砌體墻、柱受水平地震將伴隨著摩擦力的產(chǎn)生，將導(dǎo)致砌體角部承擔(dān)摩擦應(yīng)力的影響，同時結(jié)構(gòu)砌體中部也持續(xù)產(chǎn)生受拉限制。在彈性階段下，填充墻成為側(cè)向作用力的主要部件，砌體與RC 框架因為不協(xié)調(diào)關(guān)系，導(dǎo)致變形進一步加劇，砌體角部在受壓碎裂影響下，保持框架的分離和獨立。此外，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)墻面發(fā)生雙弧線應(yīng)力的影響，使沿對角方向延伸出現(xiàn)裂縫。框架結(jié)構(gòu)在彈塑性階段中RC 框架由于砌體墻側(cè)向作用力的影響，將發(fā)展成為承受構(gòu)建的主要部分，所以對應(yīng)的墻體剛度進一步削弱，在持續(xù)惡化下容易產(chǎn)生貫穿裂縫，梁柱內(nèi)發(fā)生裂縫現(xiàn)象，在裂縫持續(xù)發(fā)育作用下，荷載短期內(nèi)建立峰值水平，框架結(jié)構(gòu)通過承載力作用，將重新進入塑性階段，本階段墻框構(gòu)件將擺脫砌體，進而產(chǎn)生破碎垮塌，隨后在外部作用力的影響下，梁柱構(gòu)件將逐步形成塑性鉸，使用結(jié)構(gòu)整體趨向破壞[1]。

2.砌體填充墻RC 框架結(jié)構(gòu)破壞模式及成因

2.1 柱鉸破壞

框架柱作為框架結(jié)構(gòu)在地震破壞作用下的關(guān)鍵部件，通過保持良好的承載力功能，具備較強的抗震效果。柱鉸問題發(fā)生，表明結(jié)構(gòu)難以符合強柱弱梁延性的逾期標(biāo)準(zhǔn)，將影響底層出鉸的完整性，甚至使柱端屈服整體傾斜產(chǎn)生嚴重的損害。調(diào)查結(jié)果顯示，造成柱鉸破壞成因是柱端抗彎剪能力與實際抗彎剪能力相比要更高。從工程活動角度分析，砌體填充墻、現(xiàn)澆樓板將大幅提升框架梁承載力影響，避免因為框架梁截面尺寸的偏差，導(dǎo)致后續(xù)填充墻約束力的降低。

2.2 薄弱層破壞

薄弱層破壞是指因為豎向布置的不合理，導(dǎo)致建筑承擔(dān)地震作用力的影響和限制，在抗側(cè)力構(gòu)件部分，形成剛度和承載力的變動，進而發(fā)生塑性變形，使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的情況。實驗結(jié)果顯示：薄弱層破壞作用將使砌體填充墻RC 框架安全性大受影響，顯然薄弱層的作用力將對砌體填充墻布置產(chǎn)生直接限制。砌體填充墻在變形能力處理、結(jié)構(gòu)剛度處理、破壞模式管理等方面發(fā)揮重要的功能，若墻體沿豎直方向出現(xiàn)不均勻分布問題，則結(jié)構(gòu)層間剛度的提升將使薄弱層發(fā)生破壞和影響，因此應(yīng)結(jié)合國內(nèi)行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)明確界定薄弱層的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2.3 短柱破壞

短柱破壞功能的出現(xiàn)，主要是在砌體填充墻、框架柱作用力下所產(chǎn)生，并不局限在柱體變形位移，以此有效規(guī)避柱體計算高度問題，將其作為短柱結(jié)構(gòu)?？蚣苤谧兓啥讨?，對應(yīng)的受力機制發(fā)生巨大的變動，對應(yīng)的變形功能有所下降，使延性有所下降，柱體脆性剪切面臨破壞的影響和威脅。就安全性的角度分析，短柱破壞與強剪弱彎設(shè)計原則和標(biāo)準(zhǔn)并不匹配，更難以滿足建筑“大震不倒”標(biāo)準(zhǔn)和要求。填充墻更是短柱破壞的重點成因，不管是因為填充約束考慮不周全，還是砌體門窗洞口設(shè)計不合理，都會對框架結(jié)構(gòu)延性、變形產(chǎn)生直接影響。

2.4 填充墻破壞

砌體填充墻能為框架結(jié)構(gòu)建設(shè)提供抗震防線和保護，但是由于緩震作用的影響，往往會使RC 框架破壞效果有所遞增，同時受制于布置方法、幾何尺寸等因素的限制，并且需要面臨對角開裂、剪切、彎曲、局部壓碎等多層次的破壞和影響。從工程本身分析，砌體墻與RC框架有顯著的影響關(guān)系，在砌體的破壞作用和影響下，將形成較高的受力性能，導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)在形變能力、抗側(cè)剛度等方面發(fā)生巨大的變動。目前而言，國內(nèi)的規(guī)范性文件針對填充墻抗震措施有更多的要求和規(guī)定，但是因為建筑本身作用結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，我國落后的研究手段顯然與建筑發(fā)展并不匹配，導(dǎo)致我國并未制定關(guān)于墻體破壞、控制的相關(guān)指標(biāo)。

3.砌體填充墻對RC 框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

3.1 水平承載力

砌體填充墻與框架結(jié)構(gòu)相互影響關(guān)系最直接的表現(xiàn)是水平承載力的變動，砌體墻通過保持與RC 框架的相互作用力，使構(gòu)件受力情況發(fā)生變動和影響，結(jié)構(gòu)整體的水平承載力需要匯總不同水平承載力的總和，同時與純框架相比有較顯著的提高。通過研究和分析砌體填充墻RC 框架數(shù)據(jù)，結(jié)合擬靜力試驗表明，砌體填充墻RC 框架在多個階段，對應(yīng)的水平承載力與比純框架相比有顯著的提高；在組織開展低周反復(fù)荷載試驗時，具體結(jié)果顯示：砌體填充墻RC 框架承載力保持在純框架66.7%；Trapani 通過選用OpenSees 軟件，分析地震作用與力與框架結(jié)構(gòu)的影響情況，并開展有效的模擬測試分析，最終結(jié)果有效認證相關(guān)結(jié)論。

除此之外，研究人員還客觀分析和判斷框架結(jié)構(gòu)水平承載力的影響因素，結(jié)合調(diào)查結(jié)果表明：由于材質(zhì)的差異，所以框架結(jié)構(gòu)水平承載力將產(chǎn)生明顯的變化，對應(yīng)黏土磚的提升幅度相對較少，整體而言輕質(zhì)砌塊產(chǎn)生的效果更為理想；填充墻強度、填充墻剛度是造成框架結(jié)構(gòu)水平承載力產(chǎn)生變動的主要成因，通過強填充墻框架，承載力功能更為顯著；門窗洞口規(guī)模、外形、位置等，將使框架結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、受力性能產(chǎn)生顯著的改變，同時進一步降低框架結(jié)構(gòu)承載力水平。

3.2 剛度效應(yīng)

砌體填充墻從框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)剛度效應(yīng)和影響，顯然也是導(dǎo)致砌體填充墻RC 框架剛度產(chǎn)生差異的根本原因，結(jié)合當(dāng)前分析結(jié)果表明，砌體填充墻有利于提升框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，AL-Chaar 與砌體填充墻RC 框架進行振動實驗，結(jié)果表明：砌體填充墻能進一步提升純框架；Han 以數(shù)據(jù)模擬的方向進行分析，通過應(yīng)用有限元法，分析砌體填充墻與框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的相互影響關(guān)系。

研究人員利用震害調(diào)查和實驗，框架內(nèi)設(shè)置填充墻與抗震不一定產(chǎn)生直接聯(lián)系，通過合理布置填充墻，能實現(xiàn)額外剛度、地震剪力的有效配置，以此促進結(jié)構(gòu)整體抗震能力的提升。如果墻體布置不科學(xué)、不合理，剛度效應(yīng)所產(chǎn)生的是加速框架結(jié)構(gòu)破壞的消極效應(yīng)。若填充墻在豎直方向無法保持均勻分布，則會因為結(jié)構(gòu)層間剛度的提升，導(dǎo)致薄弱層發(fā)生破壞作用和影響，如果填充墻沿豎直、水平方向缺乏科學(xué)合理的布置，在剛度效應(yīng)影響下，將使其扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致進一步破壞。

3.3 變形能力

砌體填充墻在框架結(jié)構(gòu)變形處理方面效果顯著，可以從層間位移角、延性指標(biāo)變動兩個方面分析。以填充墻框架模型試驗為基礎(chǔ)，結(jié)果顯示砌體填充墻的出現(xiàn)，能讓框架結(jié)構(gòu)屈服層間位移角實現(xiàn)1/150 與1/275 的改變；通過深度分析后認為，由于受力階段的不同，如果層間位移角較大時，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)表面將保持較好的延性性能，能讓墻框保持協(xié)同效應(yīng)，整體變形能力更為明顯。

實際而言，盡管砌體填充墻本身脆性良好，而通過應(yīng)用RC 框架，將有利于提升支撐質(zhì)量和效果。通過RC 框架與砌體墻的搭配使用，能進一步提升結(jié)構(gòu)的延展性功能，有效控制結(jié)構(gòu)層間位移角，以此確保梁柱構(gòu)件在地震影響下有效控制損傷程度，但是并非全部砌體墻都能強化框架結(jié)構(gòu)的變形效果，砌體墻體與RC 框架將保持良好的約束功能，框架柱的長度標(biāo)準(zhǔn)，框架梁有效跨度將因此而降低，結(jié)構(gòu)抗剪能力也會有所下降，最后因為形變能力的限制，所以結(jié)構(gòu)剪切產(chǎn)生破壞作用。

4.結(jié)論與展望

從建筑行業(yè)發(fā)展情況分析，國內(nèi)研究人員在填充墻RC 框架結(jié)構(gòu)研究中有重要的突破，本文認為砌體填充墻RC框架結(jié)構(gòu)在國內(nèi)有四個不同發(fā)展階段，包括：受力管理階段、多種破壞模式、設(shè)置砌體填充墻等。結(jié)合客觀研究成果進行分析，筆者認為在未來可以從如下幾個方面進行深入探索：（1）深化和補充本文的研究成果，針對砌體填充墻RC 框架結(jié)構(gòu)抗震功能設(shè)計進行改善；（2）作動器、振動臺的結(jié)合，提供多種加載模式，進而抗震試驗砌體填充墻鋼框架、輕質(zhì)條板填充墻鋼框架等相關(guān)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，積極探索更經(jīng)濟、更穩(wěn)定、更安全的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計模式，為后續(xù)建筑的發(fā)展提供基礎(chǔ)；（3）針對相關(guān)研究，組織開展精細化數(shù)值模擬活動，客觀判斷和分析墻框組合協(xié)同效應(yīng)，研究在多個結(jié)構(gòu)作用力影響下，地震荷載受力狀況、抗震性能等指標(biāo)，為后期的研究工作提供數(shù)據(jù)支持。