填充墻對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

郭 華

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

0 引言

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活，可隨意分隔空間，且可以滿足建筑立面的變化，因此被廣泛地應(yīng)用于學(xué)校、醫(yī)院、辦公、商業(yè)以及住宅等各類型建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。目前國內(nèi)在對于該類型結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，填充墻作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般不參與整體結(jié)構(gòu)的受力分析，而只是將其作為荷載加在主體結(jié)構(gòu)上，另外根據(jù)規(guī)范要求對框架結(jié)構(gòu)的自振周期進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼蹨p。然而，歷次震害以及現(xiàn)有研究資料表明，在地震作用下，填充墻與框架作為協(xié)同受力構(gòu)件共同參與了抗震，而且填充墻的布置對于框架結(jié)構(gòu)中主體構(gòu)件的內(nèi)力以及整體抗震性能都有一定的影響。因此，上述的設(shè)計(jì)方法存在一定的不足，很有必要對該類型結(jié)構(gòu)的整體抗震性能進(jìn)行深入研究，并且在實(shí)際設(shè)計(jì)中予以改進(jìn)。

1 填充墻和框架在地震中的受力特性

在地震作用下，填充墻和框架的受力特性大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段:

1)彈性階段:在地震作用初期，填充墻和框架均處于彈性階段，二者協(xié)同受力，并且在接觸的界面產(chǎn)生了初始裂縫。隨著水平地震力的增加，界面裂縫也不斷加大，在二者接觸的對角部分有破碎現(xiàn)象，填充墻未出現(xiàn)貫通斜裂縫。此時(shí)，框架仍處于彈性工作階段，填充墻成為主要的抗側(cè)力構(gòu)件。

2)彈塑性階段:隨著水平地震力的繼續(xù)加大，墻面的裂縫不斷增加并最終擴(kuò)展為貫通斜裂縫，框架也逐漸出現(xiàn)裂縫并不斷發(fā)展。此時(shí)，填充墻的抗側(cè)力達(dá)到了極限，整個(gè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出彈塑性受力的特性。

3)塑性階段:填充墻吸收一定地震力并破壞后，全部水平地震力均由框架承擔(dān)。隨著內(nèi)力及變形的增加，結(jié)構(gòu)的承載能力下降并達(dá)到了極限，于是在框架構(gòu)件內(nèi)部陸續(xù)出現(xiàn)了塑性鉸，整個(gè)結(jié)構(gòu)受力呈現(xiàn)出明顯的塑性特點(diǎn)。

2 填充墻對于框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

1)填充墻對框架結(jié)構(gòu)剛度、變形和自振周期的影響。

大量研究分析表明，填充墻框架結(jié)構(gòu)在地震作用下框架對墻體有約束作用，同時(shí)墻體也對框架有支撐作用，這種支撐作用增大了結(jié)構(gòu)的剛度，同時(shí)也增加了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力，減小了結(jié)構(gòu)的變形，這應(yīng)該是有利的影響。同時(shí)也應(yīng)該看到，填充墻豎向剛度的分布不均勻會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)薄弱層的出現(xiàn)，而平面分布的不對稱則可能使結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心偏差較大，增加了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，從而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。例如，某些公共建筑底部為大空間的商場，而上部為小開間的寫字樓或賓館，這種結(jié)構(gòu)由于底部剛度較小上部剛度較大而產(chǎn)生剛度突變，對于結(jié)構(gòu)的抗震性能非常不利。

填充墻的設(shè)置減小了框架結(jié)構(gòu)的自振周期，對此我國現(xiàn)行規(guī)范采用了周期折減方法來考慮這一影響，具體的折減系數(shù)與結(jié)構(gòu)體型以及填充墻的類型和數(shù)量均有關(guān)系。對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，該折減系數(shù)一般取0.6～0.7比較合理。

2)填充墻對框架結(jié)構(gòu)承載能力的影響。

在地震作用下，填充墻與框架兩者形成整體共同作用互相約束，提高了結(jié)構(gòu)的承載能力。通過大量的震害研究以及模型試驗(yàn)，得出了填充墻鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在整體上比純鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能更加優(yōu)越。填充墻鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗側(cè)力水平，二者共同工作時(shí)的抗側(cè)力能力比填充墻和框架單獨(dú)工作時(shí)的抗側(cè)力能力之和要大。

3)填充墻對框架結(jié)構(gòu)中構(gòu)件內(nèi)力的影響。

由于填充墻的存在，使得主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形受到一定的限制，并有可能減小框架柱的計(jì)算長度而使其形成短柱。這種短柱結(jié)構(gòu)的變形能力和延性都較差，在地震作用下分擔(dān)的剪力增加，而極易發(fā)生脆性的剪切破壞，同時(shí)也有可能改變框架柱的受力模式，使得上下柱端承受明顯的附加剪力。另外，填充墻的約束作用還會(huì)增加框架梁的剛度，減小其彎曲變形，使得框架柱早于框架梁出現(xiàn)塑性鉸，違背了抗震設(shè)計(jì)中“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)理念。

3 結(jié)論與建議

從以上分析中我們可以看到，填充墻的設(shè)置對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能既有有利的一面，也有不利的一面，這就要求每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中對結(jié)構(gòu)整體以及各個(gè)構(gòu)件的抗震性能進(jìn)行認(rèn)真分析，并采取合理的措施避免由于填充墻的設(shè)置而對主體結(jié)構(gòu)造成的不利影響。對于上述提到的填充墻對于框架結(jié)構(gòu)抗震性能各個(gè)方面的影響，現(xiàn)行規(guī)范并未給出明確的計(jì)算方法，因此在實(shí)際工程中應(yīng)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)，主要做到以下幾個(gè)方面:

1)填充墻的布置應(yīng)盡量滿足平面對稱均勻，豎向剛度連續(xù)不突變，以避免結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)以及薄弱層的破壞。如果由于建筑功能的要求而不能滿足時(shí)，可采用調(diào)整墻體材料，局部加強(qiáng)剛度等方法來實(shí)現(xiàn)。

2)避免由于填充墻(如窗下墻等)的設(shè)置而使框架柱形成短柱，如果由于建筑要求的填充墻洞口而無法避免時(shí)，應(yīng)對該短柱按照規(guī)范相應(yīng)要求采取加強(qiáng)措施，如箍筋全高加密等。

3)在框架梁的抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)通過構(gòu)造加強(qiáng)措施增加其抗剪剛度，減少剪切破壞。

4)按照規(guī)范要求，合理設(shè)置拉結(jié)筋，加強(qiáng)填充墻與框架結(jié)構(gòu)的連接，增強(qiáng)協(xié)同工作能力，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

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

[2]李英民，韓 軍，田啟祥，等.填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響[J].地震工程與工程振動(dòng)，2009，29(3):51-58.

[3]朱榮華，沈聚敏.磚填充墻鋼筋混凝土框架擬動(dòng)力地震反應(yīng)試驗(yàn)及理論分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1996，17(4):27-34.

[4]林川旭，潘 鵬，葉烈平，等.汶川地震中典型RC框架結(jié)構(gòu)的震害仿真與分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2009，42(5):13-20.