基于填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)影響的抗震分析

王玨

(太原市龍城發(fā)展投資有限公司，山西太原 030000)

0 引言

從2008年的汶川地震以及過去的大量震害資料中可以看出:建筑中由于填充墻的破壞而造成的損失不可忽視。盡管填充墻常常被視為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在體系中只起圍護(hù)與隔斷的作用而不能用來(lái)承重、抗剪。對(duì)于帶有填充墻的框架結(jié)構(gòu)，規(guī)范中通常是在純框架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，把填充墻以荷載的形式加入結(jié)構(gòu)中去，單一地考慮其周期折減，而沒有合理地考慮填充墻自身剛度對(duì)結(jié)構(gòu)體系的影響。對(duì)此，基于科技工作者的研究之上，本文采用框架—填充砌體剪力墻的模型并借助于MIDAS/GEN分析軟件來(lái)研究填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。簡(jiǎn)單的說，框架—填充砌體剪力墻模型的原理是:把填充墻看作是可以抵抗水平地震作用的剪力墻，并與框架并聯(lián)計(jì)算，且采用填充墻計(jì)算剛度，即取用填充墻自身開裂后的剛度(填充墻初始剛度值的0.2～0.3)為計(jì)算剛度。在《底層框架和后砌填充墻共同作用的試驗(yàn)研究》一文中王春武等人在對(duì)先澆框架而后砌筑填充墻的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究分析了框架與填充墻共同工作的全過程及機(jī)理，提出了底層框架承擔(dān)的地震剪力設(shè)計(jì)值可以按照抗震規(guī)范所規(guī)定的方法進(jìn)行計(jì)算。也就是按照底層框架剪力墻的有效剛度(框架剛度不進(jìn)行折減，磚墻取其彈性剛度的20%)來(lái)進(jìn)行分配。

本文采用框架—填充砌體剪力墻模型，借助MIDAS分析軟件來(lái)研究填充墻數(shù)量對(duì)框架抗震性能的影響，并與現(xiàn)行的規(guī)范設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較，其中，填充墻取20%的彈性剛度作為自身的有效剛度。

1 模型的建立

為了便于計(jì)算分析，本文擬采用8層三跨的填充墻框架結(jié)構(gòu)，其中X方向上的跨度均為6.3 m，Y方向上跨度分別為5.4 m，2.7 m，5.4 m，層高均為3.3 m，如圖1所示。柱子采用混凝土C35，截面尺寸為600 mm×600 mm，梁采用 C30，截面尺寸為300 mm×500 mm。假定場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，分組為第一組。填充墻所取材料參數(shù)為選取混凝土空心砌塊，等級(jí)為MU15，砂漿等級(jí)為Mb7.5，厚度為240 mm，彈性模量為5 776 MPa，線性膨脹系數(shù)為10×10-6，重度為11.8 kN/m3，當(dāng)填充墻以荷載形式加入結(jié)構(gòu)時(shí)，梁上荷載為:11.8×3×0.24≈8.496 kN/m。

為了研究填充墻從數(shù)量上來(lái)說對(duì)框架的影響，本文采用框架—砌體剪力墻模型，考慮填充墻的剛度效應(yīng)(取填充墻剛度的20%)，建立模型A(假定填充率為100%)，B(填充率75%)，C (填充率為50%)，同時(shí)為了與規(guī)范法進(jìn)行對(duì)比，建立模型D與模型A進(jìn)行比較。模型見圖2～圖5。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 模型A

圖3 模型B

圖4 模型C

圖5 模型D

2 模型分析與結(jié)果

在MIDAS結(jié)構(gòu)分析軟件中，對(duì)模型A，B，C，D進(jìn)行模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析，從所得結(jié)果中選取模型A，B，C進(jìn)行對(duì)比，研究填充墻的數(shù)量對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響;選取模型A與模型D進(jìn)行對(duì)比，來(lái)研究采用本文提出的框架—框架填充砌體剪力墻模型考慮剛度的方法與規(guī)范法計(jì)算結(jié)果之間的關(guān)系。

2.1 模態(tài)分析

各模型在模態(tài)分析中采用子空間迭代法，選取振型數(shù)量為12來(lái)進(jìn)行分析，其自振周期結(jié)果見表1。從表1中選取A，B，C三模型的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并繪制圖6。選取模型A和模型D進(jìn)行對(duì)比，并繪制圖7。

從表1中的計(jì)算結(jié)果以及圖6可以看出:隨著填充墻剛度效應(yīng)的加入，結(jié)構(gòu)自振周期減小，而且隨著填充墻的數(shù)量增大，周期降低的幅度逐漸增大。

從表1及圖7所示可以看出:模型A采用考慮剛度的方法計(jì)算的自振周期要比規(guī)范法所得結(jié)果明顯減小。

圖6 模型A，B，C周期對(duì)比圖

圖7 模型A，D周期對(duì)比圖

表1 各模型的自振周期 s

2.2 反應(yīng)譜分析

模態(tài)分析下各模型的層位移、層間位移見表2及表3，并分別在層位移和層間位移上對(duì)A，B，C三個(gè)模型以及模型A和D進(jìn)行對(duì)比，并且繪制圖表，見圖8～圖11。

表2 各模型的層位移 mm

表3 各模型的層間位移 mm

在模態(tài)分析中，從表2所示計(jì)算結(jié)果以及圖8中可以看出:填充墻數(shù)量不一樣的時(shí)候，層位移也不相同，對(duì)于頂層最大位移有隨著填充墻數(shù)量的增大而顯現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。從表2以及圖9中可以看出:兩種方法計(jì)算的層位移有明顯的差別，同時(shí)，本文采用的考慮剛度法計(jì)算結(jié)果要比規(guī)范法明顯小?？梢娞畛鋲Φ膭偠刃?yīng)在計(jì)算中有很大的影響。

從表3及圖10中可以看出:填充墻從數(shù)量上來(lái)說對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移的影響，模型A剛度上下比較均勻，層間位移變化比較平緩，模型B和C由于填充墻布置樓層發(fā)生變化，相應(yīng)的有剛度突變現(xiàn)象，從而導(dǎo)致層間位移發(fā)生突變，突變位置分別為第六層、第四層。

圖8 模型A，B，C層位移對(duì)比圖

圖9 模型A，D層位移對(duì)比圖

圖10 模型A，B，C層間位移對(duì)比圖

圖11 模型A，D層間位移對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過模態(tài)分析，對(duì)各模型下的自振周期進(jìn)行比較，從中可以看出:填充墻數(shù)量不同的時(shí)候，對(duì)結(jié)構(gòu)周期影響也不同，而且隨著填充墻數(shù)量增多，自振周期有遞減的趨勢(shì);兩種方法進(jìn)行對(duì)比，自振周期有明顯的不同，而且考慮剛度法要比規(guī)范法計(jì)算的結(jié)果明顯減小。

通過反應(yīng)譜分析，從各模型的層位移及層間位移對(duì)比來(lái)看:填充墻剛度效應(yīng)的加入，對(duì)結(jié)構(gòu)有明顯的影響，對(duì)于頂層位移有隨著填充墻數(shù)量增大而減小的趨勢(shì);填充墻樓層變化處，造成的剛度突變，從而引起層間位移上明顯的突變?？梢?，填充墻的剛度效應(yīng)在結(jié)構(gòu)計(jì)算中有很大的影響，今后的工程設(shè)計(jì)中，可以對(duì)其進(jìn)行合理的考慮。

［1］ 吳綺蕓，田家驊，徐顯毅.磚墻填充框架在單向及反復(fù)水平荷載作用下的性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1980，1(4)：38-44.

［2］ 王春武.鋼筋混凝土框架—砌體墻結(jié)構(gòu)性能的試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2002，32(7)：71-73.

［3］ 劉鳳誼，王金鳳.填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響［J］.山西建筑，2007，33(9)：93-94.

［4］ GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.