汶川地震填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析

王 娜,徐其功

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510640;2.廣東省建筑科學(xué)研究院,廣東 廣州 510500)

汶川地震中,填充墻布置合理的框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能表現(xiàn)較好;而布置不合理的結(jié)構(gòu),如一些底層大開(kāi)間,不僅填充墻破壞,梁柱與填充墻連接部位也破壞嚴(yán)重,導(dǎo)致房屋整體抗震性能變差。砌體填充墻作為一種非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,其抗側(cè)力性能的研究早已引起了國(guó)內(nèi)外工程界的關(guān)注,在框架結(jié)構(gòu)體系抗震分析中,結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度是一個(gè)重要的參數(shù),直接影響到結(jié)構(gòu)的自振周期、位移反應(yīng)及內(nèi)力分布。工程設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮填充墻的剛度影響,使框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際,提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

1 試驗(yàn)工程概況

本次試驗(yàn)和分析的典型鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋為某酒店綜合樓,建筑總高 24m、5層,建筑面積 3640m2,竣工年份 1997年,建筑平面為矩形,規(guī)則,對(duì)稱,豎向無(wú)突變。抗震設(shè)防類別為丙類,Ⅱ類場(chǎng)地,框架抗震等級(jí)為三級(jí),安全等級(jí)為二級(jí)。

2 現(xiàn)場(chǎng)脈動(dòng)試驗(yàn)

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脈動(dòng)試驗(yàn)是在建筑物附近無(wú)規(guī)則振源的情況下,通過(guò)高靈敏度動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定該建筑由風(fēng)荷載、地脈動(dòng)、隨意敲打等隨機(jī)荷載激振而引起結(jié)構(gòu)的微幅振動(dòng)響應(yīng),進(jìn)而測(cè)得結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動(dòng)力學(xué)特征。本次脈動(dòng)試驗(yàn)采用地震余震及人工敲擊樓體的方式進(jìn)行激振。

2.1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)共有 3個(gè),布設(shè)于第 2層 C1、第 4層 C2和頂層 C3的相同位置,在測(cè)試橫向振動(dòng)時(shí)則將傳感器相應(yīng)地水平轉(zhuǎn)向 90°,具體測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖 1。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在傳感器測(cè)得脈動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)后,通過(guò)模態(tài)辨識(shí)及理論分析計(jì)算,得到該大樓一階橫向、縱向模態(tài)頻率和阻尼比,結(jié)果見(jiàn)表 1:

圖1 測(cè)試點(diǎn)立面布置示意

3 軟件計(jì)算

依據(jù)建筑施工圖紙,對(duì)該酒店綜合樓建模分析。

在現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,通常將填充墻作為荷載作用在框架梁上,視填充墻布置的疏密程度選用 0.6～0.8周期折減系數(shù)來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)周期[1],以此加大地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。這種方法較簡(jiǎn)單,對(duì)結(jié)構(gòu)分析軟件的功能要求不高,特別是在結(jié)構(gòu)較規(guī)整,對(duì)整體結(jié)構(gòu)剛度影響較均勻時(shí),也不失為一種可行的方法。但如果任何形式的框架結(jié)構(gòu)以及各種布置的填充墻都使用這種計(jì)算模型,就有可能產(chǎn)生較大誤差,造成結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)失效,危及建筑安全。

考慮到以上簡(jiǎn)化模型分析的可行性和誤差性,采用 PKPM建立三種模型對(duì)比分析。

(1)A為純框架模型:將填充墻作為線荷載,不考慮其對(duì)框架結(jié)構(gòu)計(jì)算剛度影響,即目前設(shè)計(jì)通常采用的方法。

(2)B為等效填充墻模型:將填充墻按實(shí)際磚墻輸入,直接考慮其對(duì)框架結(jié)構(gòu)剛度的影響。

(3)C為等效斜撐模型:在線性分析程序中將填充墻視為有一定寬度(1/7～1/10填充墻對(duì)角線長(zhǎng)度)和有軸向剛度的鉸接對(duì)角受壓斜撐桿[2],在填充墻開(kāi)有洞口時(shí)取填充墻兩對(duì)角和洞口角點(diǎn)之間的多個(gè)斜撐桿。

計(jì)算簡(jiǎn)圖如下:

圖2 各模型簡(jiǎn)圖

4 填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)抗震影響分析

4.1 填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利影響分析

4.1.1 扭轉(zhuǎn)周期

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期 Tt與平動(dòng)第一自振周期之比,A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于 0.9[3]。由以上結(jié)果,純框架結(jié)構(gòu)抗扭剛度不足,然而,按實(shí)際情況布置填充墻或者以斜撐模擬之后,抗扭剛度都有了極大地提高(表 2)。填充墻均勻合理布置,可以防止結(jié)構(gòu)因扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而使構(gòu)件產(chǎn)生不均勻應(yīng)力,提高結(jié)構(gòu)的抗扭能力。

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4.1.2 樓層層間位移角

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對(duì)比層間位移角,B、C比 A要小得多(表 3)。填充墻的剛度作用控制了結(jié)構(gòu)的地震位移反應(yīng)。

4.1.3 上部結(jié)構(gòu)柱水平剪力

首層柱在 X向地震作用下底部?jī)?nèi)力(局部)如下,軟件對(duì)每個(gè)柱輸出 5個(gè)數(shù)(Vx、Vy、N、Mx、My):分別為該柱局部坐標(biāo)內(nèi) X和 Y方向的剪力、軸力、X和Y方向的彎矩(圖 3)。

圖3 各模型局部底部?jī)?nèi)力圖

對(duì)比圖3,模型B、C框架柱所承受的水平剪力比模型A小,二至五層柱剪力呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。這是由于填充墻分擔(dān)了部分地震剪力,在地震作用下,作為第一道抗震防線,填充墻承擔(dān)剪力,消耗部分地震能量,對(duì)框架柱起到了一定的保護(hù)作用,在這一方面,對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗震有利。這也恰好與實(shí)際情況下填充墻框架結(jié)構(gòu)的破壞特征相符。

從以上分析結(jié)果可以看出,填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)整體的抗震性能影響在位移控制、耗能方面是有利的,模型 A把填充墻作為結(jié)構(gòu)的附屬構(gòu)件,以線荷載輸入,雖然考慮周期折減能增大地震作用,但這種方法對(duì)因填充墻的側(cè)向和扭轉(zhuǎn)剛度作用沒(méi)有考慮,結(jié)構(gòu)剛度未增加,使得結(jié)構(gòu)的層間位移和整體位移偏大,有時(shí)難以滿足現(xiàn)行規(guī)范的限值要求。模型B、C比較接近實(shí)際地模擬了填充墻的剛度,結(jié)構(gòu)的周期,位移反應(yīng)更符合實(shí)際情況,能夠較好地反映填充墻和框架共同抗側(cè)力的受力變形特點(diǎn)。

模型B模擬的填充墻與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接是剛接的,而實(shí)際填充墻砂漿與構(gòu)件連接并非如此,因此,填充墻的連接與實(shí)際情況還是有一定出入。對(duì)于斜撐模型 C,斜撐桿寬度的確定存在較多的困難;墻面有不同開(kāi)洞情況時(shí),缺乏剛度、強(qiáng)度等性能的簡(jiǎn)單實(shí)用公式;由于斜撐桿后期的力 -位移關(guān)系缺乏,在彈塑性階段,分析有困難。

4.2 填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利影響分析

4.2.1 平動(dòng)周期

對(duì)比兩模型的平動(dòng)周期可以看出,B、C比A的自振周期小很多,這兩種模型比較實(shí)際模擬了結(jié)構(gòu)的剛度情況,周期與脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值較接近。

4.2.2 基底剪力

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對(duì)比三種模型計(jì)算的水平剪力,模型B、C比 A要大,考慮了填充墻的實(shí)際剛度影響,地震作用下結(jié)構(gòu)分配的地震力較純框架增大,而地震力是由基礎(chǔ)開(kāi)始向上部結(jié)構(gòu)傳遞,這樣模型B基礎(chǔ)與上部連接的柱子承擔(dān)的地震剪力大,也就是說(shuō)填充墻對(duì)基礎(chǔ)柱抗震產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震不利。

4.2.3 底層大空間薄弱層

鑒定中發(fā)現(xiàn)汶川縣城多棟房屋為了滿足功能需要而采用了底層大空間結(jié)構(gòu),地震中,這類房屋破壞普遍較為嚴(yán)重。由此,我們以本建筑模型為基礎(chǔ),對(duì)房屋結(jié)構(gòu)做了部分改動(dòng)來(lái)模擬底層大空間,研究填充墻豎向分布不均對(duì)結(jié)構(gòu)受力及抗震性能的影響。

結(jié)構(gòu)修改:將模型 B首層內(nèi)隔墻全部去除,形成新的模型 D(圖 4),計(jì)算分析后得首層柱在 X向地震作用下底部?jī)?nèi)力簡(jiǎn)圖如下圖 5,計(jì)算結(jié)果中,每個(gè)柱輸出 5個(gè)數(shù)(Vx、Vy、N、Mx、My):分別為該柱局部坐標(biāo)內(nèi) X和 Y方向的剪力、軸力、X和 Y方向的彎矩。

圖4 模型D簡(jiǎn)圖

圖5 模型 D首層柱在 X向地震作用下底部?jī)?nèi)力

模型 D首層框架柱所承受的水平剪力比模型A大,也就是說(shuō)樓層大空間布置使該層剛度較其它層小,形成結(jié)構(gòu)薄弱層。在地震作用下,底層剪力最大,如果因建筑功能要求使底層墻體少而剛度不足,就會(huì)產(chǎn)生較大的層間彈性位移,同時(shí)結(jié)構(gòu)的傾覆力矩作用幾乎全部由底層框架柱承擔(dān)。因此,底層框架柱受力大,變形大,這樣結(jié)構(gòu)底層很容易在地震下產(chǎn)生錯(cuò)斷,整個(gè)結(jié)構(gòu)垮塌。

此外,填充墻的存在會(huì)使結(jié)構(gòu)形成短柱、短梁。短柱變形能力差,短梁是一極具脆性的梁,而且梁柱本身所受的剪力也增加,在地震作用下極易發(fā)生脆性的剪切破壞。短梁的脆性破壞使其從開(kāi)裂到破壞只消耗了為數(shù)不多的能量,本希望由延性梁消耗的大部分能量不得不由框架柱的破壞來(lái)消耗,增加了結(jié)構(gòu)在地震中的危險(xiǎn)性。結(jié)構(gòu)平面墻體不均勻布置,也會(huì)使得結(jié)構(gòu)剛心和質(zhì)心平面內(nèi)不重合,引起較嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)破壞。

5 結(jié)束語(yǔ)

填充墻在位移控制和結(jié)構(gòu)耗能方面有利于結(jié)構(gòu)抗震,但由于填充墻的約束效應(yīng)和剛度效應(yīng),使得填充墻結(jié)構(gòu)在很多情況下存在安全隱患。2008抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提出框架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)墻和隔墻,應(yīng)考慮其設(shè)置對(duì)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。

(1)填充墻的剛度效應(yīng)十分明顯,實(shí)際震害和理論分析證明,填充墻布置不均導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的層間剛度、水平剛度不均勻,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生薄弱層、扭轉(zhuǎn)破壞以及強(qiáng)梁弱柱的情況,設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮填充墻的剛度效應(yīng)。

(2)填充墻的約束效應(yīng)使框架柱由長(zhǎng)柱變?yōu)槎讨?框架梁變?yōu)槎塘?并使這些構(gòu)件的延性降低,這對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震有很不利的影響。

(3)結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng),使填充墻可能產(chǎn)生平面外破壞,應(yīng)重視填充墻的設(shè)計(jì),適當(dāng)提高填充墻塊體和砂漿的強(qiáng)度。

(4)填充墻與框架之間連接不好,使得填充墻破壞嚴(yán)重,汶川地震中,填充墻的局部或全部倒塌的情況大量存在,給人民造成了極大的生命威脅和財(cái)產(chǎn)損失,設(shè)計(jì)中應(yīng)重視加強(qiáng)填充墻的連接措施。 框架填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響有利有弊,設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分理解填充墻作用的機(jī)理,抗震設(shè)計(jì)中權(quán)衡利弊,采取合理的設(shè)計(jì)方法。在對(duì)框架填充墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),不能簡(jiǎn)單地簡(jiǎn)化為純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),應(yīng)充分考慮填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,通過(guò)補(bǔ)充計(jì)算和構(gòu)造加強(qiáng)措施使計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)趨于一致。參考文獻(xiàn)

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