淺談填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

杜 林

(西南交通大學(xué),四川 成都 610031)

框架結(jié)構(gòu)是由梁和柱作為主要構(gòu)件組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu),一般多用于 10層以下的建筑。單純的框架結(jié)構(gòu)很少,為了圍護或分隔房間,在柱間嵌筑磚或其他砌塊等填充墻體而形成的一種復(fù)雜組合結(jié)構(gòu),即填充墻鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)因其具有足夠的強度、良好的延性和較強的整體性,目前廣泛用于地震設(shè)防地區(qū)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)本身具有良好的抗震性能,但填充墻的使用,改變了框架結(jié)構(gòu)原來的性能。在汶川地震災(zāi)區(qū)應(yīng)用較為廣泛,有大量的填充墻框架結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生了不同程度的破壞,因此有必要對填充墻對框架結(jié)構(gòu)的影響作一定的分析。

在汶川地震過后,對《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的關(guān)于圍護墻和隔墻作了強制性規(guī)定:框架結(jié)構(gòu)的圍護墻和隔墻,應(yīng)考慮其設(shè)置對結(jié)構(gòu)抗震的不利影響,避免不合理設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞。而通常進(jìn)行抗震設(shè)計時,一般采用考慮填充墻的影響對框架結(jié)構(gòu)的自振周期進(jìn)行折減。如用能量法計算結(jié)構(gòu)基本周期時引入小于1的折減系數(shù)ψT:

式中:ψT為結(jié)構(gòu)基本周期考慮非承重磚墻影響的折減系數(shù);Gi為集中在各層樓面處的重力荷載代表值(kN);Δi為假想把集中在各層樓面處的重力荷載代表值Gi作為水平荷載而算得的結(jié)構(gòu)各層樓面處的位移(m)。

框架填充墻作為一種組合結(jié)構(gòu)體系,框架與填充墻在水平地震下共同承擔(dān)地震作用。一般認(rèn)為,填充墻和框架所分擔(dān)的地震剪力可以按照兩者的剛度進(jìn)行分配。然而,由于兩個組成部分的材料性能存在較大差異,砌體填充墻和混凝土框架滿足同一個抗震性能水平的變形容許值相差甚遠(yuǎn)。磚填充墻屬于脆性材料,在填充墻框架中,鋼筋混凝土框架為延性材料,層間彈性位移角極限為 1/500;而磚填充墻屬于脆性材料,層間彈性位移角在 1/5000～1/3000之間,比框架小得多。在地震作用下,磚填充墻勢必要比鋼筋混凝土框架過早地開裂,甚至倒塌。因而,在傳統(tǒng)的抗震設(shè)計中,磚填充墻被當(dāng)作一種非傳力構(gòu)件,認(rèn)為它只起到隔離、保護的作用,對于抗震,只考慮到它的不利的一面,忽略了它對抗震有利的一面,即填充墻對框架結(jié)構(gòu)有層間側(cè)移剛度的貢獻(xiàn)[2]。

1 填充墻框架結(jié)構(gòu)體系受力分析

在填充墻框架中,填充墻與框架共同工作。磚填充墻既能承受部分地震剪力,又改變了鋼筋混凝土框架的受力和變形性能。一方面是墻體受到框架的約束,另一方面是框架受到填充墻的支撐。因為填充墻的這種支撐作用,使結(jié)構(gòu)的早期剛度大為增加,同時使框架構(gòu)件中的內(nèi)力分布與一般空框架頗為不同。

大量填充墻的震害調(diào)查和模型試驗分析表明,填充墻和框架受力可分為以下四個階段:

(1)填充墻與框架整體工作階段:即彈性階段,填充墻和框架均處于彈性狀態(tài)兩者共同作用,填充墻與框架周邊相接觸的地方產(chǎn)生界面裂縫。

(2)框架結(jié)構(gòu)彈性工作階段:隨著水平荷載加大,周邊裂縫也不斷加大,墻面出現(xiàn)未貫通的斜裂縫。此時,框架仍處于彈性工作狀態(tài),填充墻成為抗側(cè)力構(gòu)件。

(3)框架結(jié)構(gòu)彈塑性工作階段:這個階段中,除墻面陸續(xù)出現(xiàn)裂縫及不斷擴展外,鋼筋混凝土框架也逐漸出現(xiàn)裂縫并開展,結(jié)構(gòu)的非線性性能頗為明顯。此時,填充墻的抗側(cè)能力達(dá)到極限值,整個結(jié)構(gòu)呈彈塑性狀態(tài)。

(4)框架結(jié)構(gòu)塑流階段:這個階段前期,荷載增量主要由框架來負(fù)擔(dān),框架構(gòu)件內(nèi)的彎矩顯著增加,于是在框架構(gòu)件內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)塑性鉸,整個結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的塑性特點。墻體由于與框架有拉接鋼筋,墻體一般情況下仍未倒塌。

由填充墻和框架共同作用的原理可以看出,地震過程中,填充墻起到抵抗側(cè)向力的作用主要發(fā)生在前兩個階段。多數(shù)地震(小震)下,填充墻分擔(dān)了一部分抗側(cè)力;在強震作用下,填充墻也可起到吸收地震能量的作用。但是遇到罕遇地震情況,填充墻即使與框架柱間設(shè)有可靠的連接也會出現(xiàn)破壞和倒塌。

2 填充墻的不利影響

在這次汶川地震中,因填充墻引起的柱破壞形態(tài)主要為兩個方面:

(1)填充墻沿豎向布置不均形成軟弱層,底層填充墻很少或沒有。

對地震區(qū)的框架結(jié)構(gòu)調(diào)查發(fā)現(xiàn),為了提高建筑的經(jīng)濟效益,許多底層作商業(yè)用途或停車場、上部作為住宅。建筑物的底層很少·或者根本就沒有填充墻,而上部因用于住宅而使用了較多的填充墻來分隔空間,導(dǎo)致下部剛度太小形成薄弱層。這種豎向的剛度突變對結(jié)構(gòu)的抗震是很不利的。因此,在這次汶川地震中,這種結(jié)構(gòu)都遭受了不同程度的破壞(圖 1)。

圖1 結(jié)構(gòu)形成軟弱層導(dǎo)致破壞

這種破壞最主要的表現(xiàn)就是底層柱頂發(fā)生破壞,如混凝土壓碎崩落,柱內(nèi)箍筋拉開,縱筋壓曲成燈籠狀,發(fā)生了平移或傾斜。當(dāng)然這其中也包括施工方面的原因,如箍筋間距過大,或者根本沒有放箍筋;也有因梁的交叉而布置箍筋困難,把箍筋全布置在了梁底;柱箍筋彎鉤不是 135°,大部分為90°,導(dǎo)致了箍筋錨固差,對柱子混凝土約束能力很小。這些原因就導(dǎo)致了柱的破壞。

(2)窗下墻使框架長柱變成短柱。

由于窗臺墻體對柱子的約束作用,使柱子的有效長度減小,形成了短柱。而短柱的剛度大于框架結(jié)構(gòu)中的其他非短柱,地震作用下短柱會吸收更多的地震作用,而相比于同層其他非短柱,短柱的耗能能力相對較低,因此在地震作用下先發(fā)生破壞(圖 2)。

圖2 形成短柱而導(dǎo)致破壞

除了以上兩種破壞形式以外,由于填充墻與框架的相互作用,填充墻還會對框架梁柱產(chǎn)生附加的內(nèi)力,而導(dǎo)致一些特殊的破壞形態(tài)。

3 填充墻的有利影響

在這次地震中,我們發(fā)現(xiàn)一些嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計和施工的填充墻,對整體結(jié)構(gòu)的抗震性能有提高作用。在地震作用下,填充墻發(fā)生了破壞,而梁柱只發(fā)生了輕微的破壞。

填充墻的剛度效應(yīng)是填充墻框架區(qū)別于空框架的主要特點之一。有了填充墻可增加結(jié)構(gòu)的剛度,特別是早期甚為顯著,因此在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移小,對于提高正常工作階段的建筑物的使用效果無疑是有好處的;另外在強震或烈風(fēng)時,由于結(jié)構(gòu)剛度增加,側(cè)移減小,可以減小結(jié)構(gòu) P-■效應(yīng)。

計算填充墻的剛度效應(yīng),常采用的是等效剛度法。其基本思想是,根據(jù)填充墻層間抗側(cè)剛度等效的原則,將每一層的柱和填充墻的層間抗側(cè)剛度求出后作為每一層框架總的抗側(cè)剛度,或者將每一片填充墻轉(zhuǎn)化為等效抗側(cè)剛度的柱,然后,再用空間模型來分析[3]、[4]。等效框架柱的層間側(cè)移剛度等于填充墻的層間側(cè)移剛度 Kw與填充墻相連接的柱的層間側(cè)移剛度 Kf之和。等效剛度法既考慮了填充墻對結(jié)構(gòu)周期的影響,又考慮到了它對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn),與實際較為相符。填充墻的抗側(cè)剛度KW和柱的抗側(cè)剛度Kf可按下式計算[5]:

式中:KW為填充墻層間側(cè)移剛度;ψK為填充墻層間側(cè)移剛度折減系數(shù);EW為填充墻砌體彈性模量;為填充墻砌體水平截面面積和慣性矩;Hw為填充墻高度;ψm,ψv為洞口影響系數(shù);Kf為與填充墻相接的柱的側(cè)移剛度;Ic為柱的慣性矩;Hc為柱的高度;α為考慮梁轉(zhuǎn)動的影響系數(shù)。

在以上公式中,填充墻層間側(cè)移剛度折減系數(shù) ψk是一個關(guān)鍵的參數(shù),結(jié)構(gòu)上、中、下部依次取 1.0、0.6、0.3[5]。當(dāng)考慮填充墻的影響時,梁的轉(zhuǎn)動很小,可忽略,即α=1.0。

除了整體剛度效應(yīng)外,填充墻還會對主體結(jié)構(gòu)的梁、柱和墻產(chǎn)生約束效應(yīng)。在框架內(nèi)有了填充墻后,結(jié)構(gòu)的耗能能力大為增加,這主要來自填充墻中裂縫間的摩擦、材料內(nèi)部的阻尼以及墻與框之間的滑移等。最后,由于填充墻的存在,大大減少了結(jié)構(gòu)倒塌的可能性。

4 結(jié)論

綜上所述,填充墻能夠提高框架結(jié)構(gòu)剛度、改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。但如果布置不合理,可能就會出現(xiàn)薄弱層和短柱效應(yīng)。因此,在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置填充墻時,應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計和施工,并應(yīng)注意填充墻的布置應(yīng)盡量考慮整體結(jié)構(gòu)豎向剛度分布均勻,避免形成軟弱層。而窗下的墻體則可以采取與柱分離的措施,避免墻體對柱產(chǎn)生約束作用而形成短柱。建筑平面上填充墻的布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)剛度分布均勻?qū)ΨQ,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)。為了避免小震和中震下填充墻倒塌,填充墻體和框架柱之間宜采取可靠的連接措施。

[1]GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]

[2]張雅君.填充墻對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)受力及變形性能的改善[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2001(6):37-39

[3]張堅,王振雄.考慮砌體填充墻剛度的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)分析方法[J].結(jié)構(gòu)工程師,2000(4):17-20

[4]林金逸,陳慶枝.磚填充墻鋼筋混凝土框架計算[J].福建建筑,1997(增刊):36-37

[5]沈聚敏,周錫元.抗震工程學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000

[6]王旋,李碧雄.汶川地震中填充墻鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能思考[J].工業(yè)建筑,2009(1):25-29