鋼筋混凝土框架填充墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

【摘 要】目前鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)成為多高層建筑中常見的一種結(jié)構(gòu)形式，為了便于空間結(jié)構(gòu)的分隔填充墻被廣泛的應(yīng)用。由于框架結(jié)構(gòu)與填充墻之間共同工作的機制比較復(fù)雜，所以通常忽略填充墻對結(jié)構(gòu)主體的影響而僅僅考慮填充墻對結(jié)構(gòu)周期和剛度的影響，忽略了填充墻對其承載力的影響。這種忽略填充墻與框架結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的簡化處理方法并不總是安全的，尤其是當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時出現(xiàn)了大量的“強梁弱柱”的破壞模式?；谝陨显?，研究填充墻與框架協(xié)同工作的抗震性能研究是具有一定的現(xiàn)實意義的。

本文將應(yīng)用SAP2000建立不同的模型，通過模態(tài)分析法探究布置不同數(shù)量和不同布置方式的填充墻對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，主要是比較不同模型的周期變化從而探討周期的折減規(guī)律。

一、緒論

1.1概述

目前鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)成為多高層建筑中常見的一種結(jié)構(gòu)形式，主要由梁、柱以及基礎(chǔ)組成基本的結(jié)構(gòu)骨架，由它們共同抵抗來自于結(jié)構(gòu)的水平荷載和豎向荷載。通常情況下出于建筑的使用要求，往往采用砌體填充墻將建筑分隔成大小不同的空間。而填充墻作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件更多的被認(rèn)為僅僅起到分隔和維護作用，所以僅僅是按照純框架理論把填充墻當(dāng)成恒荷載來進行考慮。事實上帶有填充墻的框架結(jié)構(gòu)在受到地震作用的時候按純框架考慮是不科學(xué)的。

2.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

最先對框架填充墻結(jié)構(gòu)做出研究的是Polykaov【1】，1956年他首先提出可以只把填充墻考慮成僅僅承受壓力的斜向鏈桿并且提出了單個等效角撐模型的概念。1999年，Buonopane S.G.和White R.N. 【2】研究了填充墻開洞情況下框架結(jié)構(gòu)的動力性能。在國內(nèi)，到了上世紀(jì)70年代，來自國家地震工程局力學(xué)研究所的尹之潛【3】等通過實驗研究證明了填充墻與框架結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的水平地震作用是按照兩者的剛度進行分配的。2012年，太原理工大學(xué)的王立波同學(xué)在他的論文中利用MIDAS/GEN軟件析探究了不同填充墻的加入對框架結(jié)構(gòu)體系的層間最大水平位移以及樓層剪力的影響【5】。

二、模型的建立

2.1工程概況

為了研究填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，本文假定了一棟五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的建筑。這一建筑處于7度抗震設(shè)防烈度區(qū)，設(shè)計場地采用II類場地，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計地震基本加速度為0.15g，通過查閱《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》得到結(jié)構(gòu)的抗震等級為三級，結(jié)構(gòu)的特征周期為0.35s。結(jié)構(gòu)的平立面布置規(guī)則，X方向為四跨， Y向為兩跨，X，Y各跨的軸線間距為4000mm，層高均是3600mm。假定樓板為剛性樓板。每一層構(gòu)件的截面尺寸和材料都是相同的。

結(jié)構(gòu)采用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸如下：框架柱：500x500，彈性模量為30000（N/mm2）；框架梁：300x600，彈性模量為30000（N/mm2）；板：100，彈性模量為25500（N/mm2）；混凝土強度等級均是C30；泊松比均為0.2，材料密度均是2500（Kg/m3）。填充墻采用普通燒結(jié)磚，砂漿等級MB10，砌塊強度等級MU20，外墻240mm、內(nèi)墻180mm，彈性模量4272（N/mm2），泊松比0.15，材料密度18（Kg/m3）。

2.2模型的建立

以往專家學(xué)者通過理論研究和試驗研究證明了填充墻對框架結(jié)構(gòu)的抗震性能的影響與填充墻的數(shù)量和位置都是有著密切的關(guān)系的。文章通過改變填充墻的數(shù)量和在豎向方向的不同布置方式，建立了5個不同的框架結(jié)構(gòu)的分析模型：模型1：純框架結(jié)構(gòu)。模型2：布滿填充墻。模型3：底層無填充墻。模型4：中間層沒有填充墻。模型5：底層無填充墻。

2.3模態(tài)分析

文章對模型1-5進行了模態(tài)分析，得出了填充墻在豎向填充數(shù)量和布置方式的改變對結(jié)構(gòu)自振周期的影響。文章中定義結(jié)構(gòu)的周期為以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期和以平動為主的第一自振周期的比值，對于模型1-5分別為第三和第一自振周期。

表2-3列出了1-5模型的前7階振型的自振周期，表2-4列出了1-5模型的前7階振型的自振周期的折減系數(shù)，通過對比觀察發(fā)現(xiàn)：各個模型的前三階振型的周期值都是比較大的，因此可以認(rèn)定前幾階振型是對結(jié)構(gòu)起控制作用的，并且通過觀察幾個模型的前幾個自振周期可以得出帶填充墻的框架模型比純框架模型要小很多，滿布填充墻的模型2的自振周期是最小的?？梢缘贸龅慕Y(jié)論是：填充墻的有效布置可以減小結(jié)構(gòu)的自振周期。

通過對1-5模型自振周期的對比可以發(fā)現(xiàn)：帶填充墻的框架的自振周期比純框架要小得多，帶填充墻的模型2-5與純框架模型1相比，低階周期的折減系數(shù)都沒有超過0.8。由此發(fā)現(xiàn)，填充墻的不同布置對結(jié)構(gòu)的自振周期的影響是非常大的。

模型3-5的填充數(shù)量是一樣的，但是在豎向的布置位置有所差別，所以得到的模型的自振周期也不同，這就說明填充墻在豎向布置的位置不同對結(jié)構(gòu)的自振周期是有影響的。其原因就是填充墻本身是有剛度的，它在豎向的布置位置不同就造成了整體結(jié)構(gòu)豎向剛度不連續(xù)，沒有布置填充墻的結(jié)構(gòu)層的剛度比布置了填充墻的結(jié)構(gòu)層的剛度要小從而就成為了薄弱層。豎向的剛度不均勻?qū)Y(jié)構(gòu)的自振周期產(chǎn)生了影響，模型3的自振周期是最大的，次之的是模型4，而模型模型5的自振周期最小。由此證明了底層填充墻的剛度對結(jié)構(gòu)自振周期的影響是最為明顯的，中間層的影響次之，對比模型2和5，它們的自振周期是非常接近的，說明頂層填充墻的剛度對結(jié)構(gòu)自振周期的影響不是很明顯。

三、結(jié)論與展望

3.1結(jié)論

通過對結(jié)構(gòu)的自振周期和振型的分析得到的結(jié)論是：填充墻的數(shù)量和布置方式是會對結(jié)構(gòu)的自振周期產(chǎn)生影響的。當(dāng)填充墻在豎向均勻布置的時候，隨著填充墻數(shù)量的增多，結(jié)構(gòu)的自振周期會變小，頂層薄弱對結(jié)構(gòu)的自振周期影響最大。

3.2展望

本文在前人工作的基礎(chǔ)上，對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的一部分抗震性能進行了探討，但是鑒于時間有限以及問題的復(fù)雜性，還有很多方面是值得進一步研究的：

本文只是單一的考慮填充墻的布置數(shù)量和布置方式的改變對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，并未結(jié)合外界的溫度變化等的影響，而在實際工程中會有大量的隨機性的存在，所以還需要結(jié)合工程實際作進一步的研究。

參考文獻：

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[2]Buono Pane SG.WhlteRN.Pseudo.Doamie Testing of Masonry Infilled Concrete Frame[J].Joumal of Strue tural Engineering，1999，125（6）.

[3]彭克中， 尹之潛. 填充墻框架承受側(cè)力的工作性能[R]. 地震工程研究報告集， 1962.

[4]王立波.考慮填充墻對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)影響的抗震分析[D].太原理工大學(xué)，2012