框架填充墻破壞機(jī)理研究及其耗能設(shè)計(jì)

鄭 智，古 松，雷 挺，文 霓，常曉蕾

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川省綿陽(yáng) 621000)

5.12汶川大地震震害表明［1］，多數(shù)框架結(jié)構(gòu)破壞中，主體結(jié)構(gòu)震害較輕，作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的填充墻破壞非常嚴(yán)重。而現(xiàn)代地震新特點(diǎn)表明，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在大震中的倒塌破壞威脅人民生命安全，破壞建筑物內(nèi)部設(shè)施，其地震中的損失比例，有超過(guò)主體結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)。框架填充墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)研究由來(lái)已久，工程界常采用設(shè)置構(gòu)造柱或水平系梁增加填充墻整體穩(wěn)定性，提高其剛度、強(qiáng)度及耗能能力，使填充墻成為抗震中第一道防線。但其巨大的剛度效應(yīng)及布置的隨意性使主體結(jié)構(gòu)在大震中因?yàn)閯偠韧蛔儼l(fā)生破壞，這與大震下允許非結(jié)構(gòu)構(gòu)件合理破壞以保護(hù)主體構(gòu)件的抗震理念相悖。因此，研究者試圖研究出抗震性能更好，其剛度也可控制的填充墻。這需要全面掌握框架填充墻的破壞形態(tài)和影響因素，通過(guò)分析其應(yīng)力分布情況，提出合理的構(gòu)造措施來(lái)實(shí)現(xiàn)墻體剛度可調(diào)和破壞可控制。

1 填充墻破壞機(jī)制的影響因素

1.1 填充墻與框架連接方式

目前，填充墻與框架柱的連接方式分為剛性連接和柔性連接兩種，柔性連接即是對(duì)填充墻與框架進(jìn)行脫空處理，墻柱間縫隙用軟材料填滿［2］，這樣處理可以基本消除填充墻的剛度效應(yīng)，但也存在以下缺點(diǎn):(1)穩(wěn)定性差。研究表明［3］，采用柔性連接的框架填充墻構(gòu)造形式，即使采用鋼筋拉結(jié)也容易在強(qiáng)震下發(fā)生平面外倒塌。(2)柔性連接使填充墻防水、保溫、隔熱、隔音的性能下降，也不能運(yùn)用于外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)。(3)柔性連接施工工藝復(fù)雜，技術(shù)含量高，推廣性較差。因此，目前國(guó)內(nèi)常采用墻與柱剛性連接，用鋼筋拉結(jié)，墻頂斜砌砌塊與梁連接，保證填充墻不改變梁的受力分布。剛性連接的填充墻勢(shì)必增大填充墻的結(jié)構(gòu)剛度，在地震作用下對(duì)框架起到支撐作用，增大了結(jié)構(gòu)的承載力和整體性，抗震性能較好［3］。但地震作用下，填充墻瞬間破壞，劇烈的剛度退化引起框架較大的內(nèi)力重分布，改變了結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)意圖，產(chǎn)生的次應(yīng)力使框架發(fā)生預(yù)料之外的破壞［2］。兩種連接方式各有利弊，鑒于施工簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，剛性連接還是主流連接方式。

1.2 砌體材料

隨著我國(guó)墻改政策的推進(jìn)，在填充墻砌體材料的使用上傳統(tǒng)黏土磚正逐步被諸如加氣混凝土砌塊、混凝土空心砌塊等新型砌體材料取代。國(guó)內(nèi)對(duì)于框架填充墻抗震性能的研究普遍選用黏土磚，而新型砌體相比黏土磚在外形和性能上有很大的不同，有必要對(duì)新型填充墻砌體的抗震性能做出研究。

填充墻的抗震性能與砌體的強(qiáng)度、形狀以及砂漿強(qiáng)度息息相關(guān)。在保證砂漿強(qiáng)度和受力狀態(tài)相同的情況下，文獻(xiàn)［4］通過(guò)對(duì)不同砌體材料的一榀框架填充墻結(jié)構(gòu)，在剛性連接、滿布填充墻以及高寬比相同的情況下進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，得出如表1所示相對(duì)于空框架抗震性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 不同砌體材料框架填充墻抗震性能參數(shù)對(duì)比Table 1 The seism ic capacity of infilled wall structures w ith differentmasonry materials

表1中P1，P2，P3分別表示采用普通黏土磚、混凝土空心磚和加氣混凝土磚為填充墻材料時(shí)框架填充墻結(jié)構(gòu)相對(duì)于空框架的抗震性能參數(shù)比值(延性系數(shù)除外)。從表1可以看出，不同砌體材料的框架填充墻結(jié)構(gòu)在剛度、強(qiáng)度、延性性能等方面有顯著差異，且傳統(tǒng)黏土磚填充墻抗震性能優(yōu)于輕質(zhì)新型砌體框架填充墻結(jié)構(gòu)。而現(xiàn)行關(guān)于框架填充墻的設(shè)計(jì)規(guī)定主要以20世紀(jì)80年代開(kāi)展的黏土磚框架填充墻的研究成果為基礎(chǔ)，在填充墻使用輕質(zhì)砌體后使其設(shè)計(jì)偏于不安全。如震害中，大量運(yùn)用空心磚的框架填充墻結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生局部壓碎、脫落，破壞較為嚴(yán)重［5］。

1.3 填充墻高寬比

在地震作用下，填充墻的裂縫沿著對(duì)角方向通過(guò)灰縫滑移形成，高寬比的不同，其裂縫發(fā)展形勢(shì)有所不同，與框架之間的耦合作用也不盡相同。因此，高寬比的不同直接影響框架填充墻結(jié)構(gòu)的承載能力，裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)也制約了剛度的退化。

相對(duì)于空框架，框架填充墻結(jié)構(gòu)的剛度隨著高寬比的減小緩慢減小，當(dāng)高寬比超過(guò)1.5之后，剛度影響更?。?］。而對(duì)于高寬比不同的框架填充墻結(jié)構(gòu)，其抗震性能也有所變化，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2［4］。

表2 不同高寬比框架填充墻抗震性能參數(shù)Table 1 The seism ic capacity of infilled wall structures w ith different aspect ratios

表2中K1，K2分別表示混凝土空心磚和加氣混凝土磚填充墻在高寬比1:1.5與1:2時(shí)，抗震性能各項(xiàng)參數(shù)比值?？梢?jiàn)，當(dāng)高寬比減小，框架填充墻結(jié)構(gòu)承載力、屈服荷載、初始剛度、耗能能力都有所增大。同時(shí)，試驗(yàn)表明，隨著高寬比的減小，位移延性系數(shù)降低，用高寬比1:1.5與1:2的混凝土空心磚、加氣混凝土磚框架填充墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，得出延性系數(shù)分別減少了31.1%和7.7%。

影響框架填充墻破壞行為的因素除了以上3種外，還包括填充墻開(kāi)洞情況和構(gòu)造措施，而為了得到這些因素對(duì)填充墻更精確的影響，需要研究者做出更詳細(xì)全面的理論和實(shí)驗(yàn)分析。

2 框架填充墻應(yīng)力分布情況

在明確影響框架填充墻破壞機(jī)制因素后，需要分析填充墻在地震作用下應(yīng)力分布情況，找到填充墻內(nèi)應(yīng)力集中部位。通過(guò)設(shè)置耗能器或者改變結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，達(dá)到人為控制填充墻破壞形態(tài)，在提高填充墻抗震性能的同時(shí)，控制填充墻剛度的突變，避免剛度效應(yīng)帶給結(jié)構(gòu)的破壞。

文獻(xiàn)［7］表明，一榀框架在水平地震作用下受力破壞大體可以分為4個(gè)階段:(1)作用初期，填充墻與框架間出現(xiàn)微裂縫，此時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度最大。(2)填充墻與框架間形成裂縫，填充墻上一般未出現(xiàn)裂縫，填充墻和框架都處于彈性階段。(3)墻面出現(xiàn)裂縫直至對(duì)角貫通，框架柱也開(kāi)始發(fā)生裂紋。(4)荷載的繼續(xù)增加主要由框架承擔(dān)，填充墻裂縫滑移加劇，直至框架出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)破壞。

通過(guò)有限元軟件模擬在框架的頂端施加側(cè)向力時(shí)［8］，空框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分別先后集中在柱端和梁端。在加入填充墻后，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖發(fā)生了改變，梁上的應(yīng)力迅速減小，應(yīng)力主要集中在填充墻的對(duì)角區(qū)域以及與這塊區(qū)域接觸的柱頂和柱底一定高度范圍，填充墻承擔(dān)了大部分側(cè)向力，其主要的受力部分類似一個(gè)具有一定寬度的對(duì)角等效壓桿，其示意圖如圖1。

圖1 空框架及框架填充墻水平荷載下應(yīng)力分布圖Fig.1 The stress distribution of frames and with infilled walls under horizontal load

3 填充墻耗能設(shè)計(jì)趨勢(shì)

為了提高作為脆性材料的填充墻抗震性能，我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］采用加入水平系梁或構(gòu)造柱的方法，使填充墻的強(qiáng)度、延性大為提升，并且也增強(qiáng)了填充墻框架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。以上構(gòu)造的填充墻滯回曲線較為飽滿，耗能能力增強(qiáng)，開(kāi)裂荷載、極限荷載都有較大提高。但是我們也意識(shí)到，此構(gòu)造形式，使填充墻剛度激增。因此，在填充墻豎向、水平布置不合理的時(shí)候，會(huì)因?yàn)閯偠韧蛔冃纬杀∪鯇雍团まD(zhuǎn)效應(yīng)。因此，學(xué)界開(kāi)始對(duì)填充墻新型耗能技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了一系列成果。

3.1 耗能器減震技術(shù)

耗能器減震技術(shù)是通過(guò)在結(jié)構(gòu)物中的支撐、剪力墻以及結(jié)構(gòu)物的節(jié)點(diǎn)或連接處設(shè)置耗能器，這些部位往往需要承受更大的應(yīng)力，在小震作用下，耗能器處于彈性狀態(tài)，當(dāng)在強(qiáng)烈地震作用下，耗能器率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大阻尼，耗散大量的地震能量，使主體結(jié)構(gòu)避免進(jìn)入明顯非彈性狀態(tài)，從而避免主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中大幅度損壞。

早在20世紀(jì)90年代，瞿偉廉等［10］就在填充墻頂部設(shè)置軟鋼耗能器和摩擦耗能器，組成耗能橫縫，其填充墻與框架設(shè)為脫空連接。在小烈度地震下，耗能橫縫不耗能，填充墻具有很大的剛度，而大震作用下軟鋼耗能器進(jìn)入彈塑性滯回循環(huán)，摩擦耗能器鋼板與摩阻材料間產(chǎn)生滑動(dòng)，消耗大量能量，保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)和填充墻，具體構(gòu)造形式如圖2。

圖2 耗能器減震設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 The aseismic design for different energy dissipators

耗能器減震技術(shù)運(yùn)用在填充墻框架中，既提高了結(jié)構(gòu)抗震性能，又讓其對(duì)框架的剛度約束效應(yīng)降到了最低。但是，該方法造價(jià)高，構(gòu)造復(fù)雜，施工工藝繁瑣，加大了框架填充墻建造成本。因此，該技術(shù)一般運(yùn)用于要求填充墻在大震作用下不發(fā)生破壞的重要建筑中。

3.2 構(gòu)造耗能技術(shù)

由于耗能器的昂貴，不可能將耗能器減震技術(shù)完全運(yùn)用到民用建筑中來(lái)，為此，研究者試圖通過(guò)對(duì)填充墻構(gòu)造的改進(jìn)，如預(yù)設(shè)滑動(dòng)層、預(yù)設(shè)能起到保險(xiǎn)絲作用的耗能構(gòu)造，使得墻體如同安裝了耗能器，達(dá)到“剛度可調(diào)整、破壞可控制”。

田志昌［11］等把填充墻豎直方向分為幾段，每段設(shè)置一種缺口，并用牛皮紙作為隔斷的水平滑移縫，如圖3，當(dāng)框架受地震作用時(shí)，這種填充墻主要受水平力的作用，避免了斜向的受壓破壞，只造成墻體的均勻水平裂縫。實(shí)驗(yàn)證明這種填充墻對(duì)框架剛度貢獻(xiàn)小，具有較穩(wěn)定的滯回環(huán)，可以產(chǎn)生耗能減震的效果。但是這使填充墻的穩(wěn)定性能下降，并且對(duì)框架的承載力的貢獻(xiàn)也下降不少。

圖3 田志昌耗能填充墻設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 The infilled wall designed by TIAN Zhi－ chang

周云［12］指出，在填充墻內(nèi)設(shè)置豎向縫隙能使填充墻墻體被劃分為若干墻板柱，其破壞形態(tài)會(huì)從剪切破壞型向彎剪破壞型過(guò)渡，延性將有所提高。當(dāng)裂縫發(fā)展到豎向縫隙時(shí)，縫隙將隔斷裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，從而避免或者延遲貫通裂縫的產(chǎn)生。設(shè)置橫向縫隙使填充墻在水平作用下按照預(yù)設(shè)的水平縫隙發(fā)展裂縫，通過(guò)加入的耗能材料增大砌塊間的摩擦和填充墻耗能能力，保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)。因此，周云提出一種滿布砌體和帶窗口的阻尼減震墻，見(jiàn)圖4。

圖4 阻尼減震墻設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 The design sketch of damping suspension wall

如圖4所示，分別把填充墻分成若干層，砌體層之間加入黏彈性材料以增大摩擦耗能，并且每一層砌體與框架柱之間交錯(cuò)留縫，填充軟砂漿和黏彈性材料。在結(jié)構(gòu)受到地震作用時(shí)，發(fā)生層間變形，不同位置的砌體單元產(chǎn)生相對(duì)位移，使得黏彈性材料層發(fā)生剪切變形，從而吸收和耗散地震能量，減少或避免墻體產(chǎn)生破壞。但對(duì)于此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的評(píng)定，還需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前對(duì)構(gòu)造耗能型填充墻的研究才剛剛起步，缺少對(duì)其抗震性能試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，也沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)對(duì)框架填充墻結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞機(jī)理和受力分析的歸納研究，總結(jié)了目前關(guān)于構(gòu)造耗能填充墻設(shè)計(jì)的一些方案，得出以下結(jié)論:(1)柔性連接較剛性連接對(duì)框架產(chǎn)生的剛度效應(yīng)較小，但穩(wěn)定性較差。(2)普通黏土磚、混凝土空心磚和加氣混凝土磚框架填充墻結(jié)構(gòu)的水平承載力、耗能能力依次降低，其中空心磚初始剛度最大，延性系數(shù)最低。(3)隨著框架填充墻結(jié)構(gòu)高寬比的減小，其承載力、屈服荷載、初始剛度、耗能能力都有所增大，延性系數(shù)降低。(4)相比普通填充墻，通過(guò)構(gòu)造耗能技術(shù)設(shè)計(jì)的填充墻抗震性能不但提高，且由于與框架柔性連接，在大震下剛度效應(yīng)明顯降低，加之較耗能器減震技術(shù)更廉價(jià)，值得在填充墻抗震設(shè)計(jì)中推廣。

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