砌體墻—鋼筋混凝土墻組合結(jié)構(gòu)抗震性能與應(yīng)用研究

李強(qiáng)

【摘 要】本文結(jié)合筆者多年實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力特點(diǎn)，分析了填充墻鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生震害的主要原因。結(jié)合國(guó)內(nèi)砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)研究成果，圍繞填充墻的剛度退化規(guī)律和不同性能水平的層間位移角，評(píng)述了填充墻框架結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀。最后，結(jié)合基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論背景和禁用黏土實(shí)心磚提倡節(jié)能的政策背景，指出了今后應(yīng)以實(shí)現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)為目標(biāo)，針對(duì)新型砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)開展系統(tǒng)研究。

【關(guān)鍵詞】填充墻框架結(jié)構(gòu)；抗震性能；研究現(xiàn)狀

在我國(guó)現(xiàn)階段所運(yùn)用最為廣泛的一種建筑結(jié)構(gòu)形式，就是填充墻框架結(jié)構(gòu)。填充墻在實(shí)踐當(dāng)中運(yùn)用的時(shí)候，主要是因?yàn)槠浔旧淼钠茐男詫?duì)建筑的使用功能有著嚴(yán)重的影響，那么產(chǎn)生負(fù)面問題之后還會(huì)增加部分維修的費(fèi)用，如果填充墻產(chǎn)生的破壞較為嚴(yán)重的話，還將會(huì)造成人生安全造成較大的經(jīng)濟(jì)損失等。因此，在不斷高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，具體工程中所得到的實(shí)踐運(yùn)用，主要是基于其設(shè)計(jì)原理的理論背景具有非常好的抗震性，以及其本身禁用粘土磚，然而在社會(huì)中又有著全面廣泛提倡節(jié)能的政策背景，在我們地震工程界對(duì)于填充墻框架的整體抗震性能，需要重新進(jìn)行進(jìn)一步的審視，筆者針對(duì)砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究現(xiàn)狀與展望進(jìn)行下文闡述，與大家共同探討。

一、填充墻框架結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)

（一）填充墻的剛度效應(yīng)和約束效應(yīng)

填充墻的剛度效應(yīng)是填充墻框架區(qū)別于空框架的主要特點(diǎn)之一。這種剛度效應(yīng)可能導(dǎo)致填充墻框架結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生軟弱層破壞或扭轉(zhuǎn)破壞，從而引起結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損甚至倒塌。填充墻沿豎向分布不均勻時(shí)，由于填充墻的剛度效應(yīng)往往會(huì)在填充墻布置較少的樓層產(chǎn)生沿豎向的軟弱層。另外，由于裝修和改變使用功能等原因在中間層取消部分填充墻也可能造成中部軟弱層。在框架結(jié)構(gòu)的周邊均勻布置填充墻能在一定程度上提高框架結(jié)構(gòu)的抗扭強(qiáng)度和剛度，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加扭轉(zhuǎn)地震作用。除了整體剛度效應(yīng)外，填充墻還會(huì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的梁、柱和墻產(chǎn)生約束效應(yīng)。填充墻往往開有門窗洞口，洞口的存在往往使填充墻在框架柱間產(chǎn)生拱推力。窗臺(tái)對(duì)框架柱的約束造成短柱效應(yīng)在歷次地震災(zāi)害中非常多見。窗間墻對(duì)框架柱的約束造成的短柱效應(yīng)、剪力重分配和破壞截面轉(zhuǎn)移等不利影響已經(jīng)成為填充墻框架結(jié)構(gòu)地震破壞的最常見原因。

根據(jù)上文所言，在實(shí)踐設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，對(duì)于填充墻的剛度以及約束效應(yīng)沒有進(jìn)行綜合分析，將填充墻只是簡(jiǎn)單看成為非結(jié)構(gòu)構(gòu)建，那么在后期使用過程當(dāng)中，對(duì)于結(jié)構(gòu)是實(shí)際受力將會(huì)產(chǎn)生偏離，與最初設(shè)計(jì)時(shí)候的意圖將會(huì)存在著諸多的差距，由此在發(fā)生地震的時(shí)候就無疑將結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)性進(jìn)行了增加。所以，我們?cè)趯?duì)巨型以及新型結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行更多關(guān)注的時(shí)候，對(duì)于填充墻框架的抗震性性需要做好進(jìn)一步的重視，這樣在社會(huì)中以及具體工程項(xiàng)目中無疑是具有非常重要的實(shí)踐意義。

（二）填充墻框架的剪力分配特點(diǎn)

框架填充墻作為一種組合結(jié)構(gòu)體系，框架與填充墻在水平地震下共同承擔(dān)地震作用。一般認(rèn)為，填充墻和框架所分擔(dān)的地震剪力可以按照兩者的剛度進(jìn)行分配。然而，由于兩個(gè)組成部分的材料性能存在較大差異，砌體填充墻和混凝土框架滿足同一個(gè)抗震性能水平的變形容許值相差甚遠(yuǎn)。磚填充墻屬于脆性材料，抗拉強(qiáng)度低，在地震作用下將首先開裂，造成剛度退化，而此時(shí)框架仍處于彈性階段。隨著層間變形的增加，填充墻的剛度逐步減小，填充墻和框架的剛度比值隨之不斷發(fā)生變化，從而使結(jié)構(gòu)承擔(dān)的地震剪力在填充墻和框架之間產(chǎn)生較大內(nèi)力重分布。盡管此時(shí)房屋總的地震作用因整體剛度的下降而有所減小，但框架柱仍將比地震作用初期分擔(dān)更多的地震剪力。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，一般把計(jì)算所得的全部層間地震剪力按照框架柱的層間側(cè)移剛度在所有框架柱間進(jìn)行分配，而不考慮填充墻分擔(dān)的地震剪力。這種把地震剪力全部由框架柱承擔(dān)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法似乎偏于安全，而實(shí)際上，由于填充墻在樓層平面布置的不均勻性，將造成部分填充墻剛度效應(yīng)明顯的框架的設(shè)計(jì)地震剪力偏小，從而使結(jié)構(gòu)存在安全隱患。

二、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)自20世紀(jì)70年代即開始進(jìn)行少量的砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)的有關(guān)研究。較為系統(tǒng)的磚填充墻框架試驗(yàn)研究集中于20世紀(jì)80年代，研究的重點(diǎn)集中在黏土磚填充墻框架受力全過程的剛度退化規(guī)律、破壞程度與層間位移角的關(guān)系。在填充墻框架受載后的剛度折減規(guī)律方面，不同文獻(xiàn)基于不同試驗(yàn)研究記錄的填充墻初裂和普遍開裂的剛度判定和普遍開裂的定義不盡相同，但從這些試驗(yàn)研究結(jié)果可以看出，填充墻初裂和普遍開裂時(shí)的剛度折減系數(shù)分別約為0.5和0.2。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，隨著試驗(yàn)手段的不斷提高，擬動(dòng)力試驗(yàn)和地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)技術(shù)開始應(yīng)用于填充墻框架的抗震性能研究。關(guān)國(guó)雄等根據(jù)填充墻框架模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果指出，結(jié)構(gòu)屈服時(shí)的最大層間位移角為1/141，并引入反映墻體變形模量降低系數(shù)β和反映框架與填充墻之間連接減弱系數(shù)αc這兩個(gè)系數(shù)來估計(jì)不同破壞狀態(tài)下框架填充墻結(jié)構(gòu)的層間剛度。

但由于缺少針對(duì)新型砌體填充墻框架的系統(tǒng)研究，目前關(guān)于填充墻框架的抗震設(shè)計(jì)要求仍是以20世紀(jì)80年代開展的黏土磚填充墻框架的研究成果為基礎(chǔ)。因此，很有必要通過進(jìn)一步研究，合理確定新型填充墻框架的合理位移角限值，為規(guī)范的修訂提供背景資料，同時(shí)也可促進(jìn)新型墻材在填充墻框架中的推廣應(yīng)用。

三、研究展望

首先，在全國(guó)范圍的墻改政策的推動(dòng)下，目前設(shè)計(jì)中仍主要沿用基于黏土磚填充墻的規(guī)定，使得新型墻體材料的性能優(yōu)勢(shì)得不到充分發(fā)揮，在一定程度上阻礙新型砌體填充墻的推廣應(yīng)用。因此，開展新型砌體填充墻框架抗震性能和設(shè)計(jì)方法研究，既可為今后新型填充墻框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)也有助于墻改、節(jié)能政策以及新型材料的推廣和應(yīng)用。

其次，建筑物的性能水平是結(jié)構(gòu)性能水平和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能水平的綜合體現(xiàn)。填充墻作為框架結(jié)構(gòu)中最重要且易遭受地震損壞的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其在不同水平的設(shè)計(jì)地震作用下的性能，特別是不同性能目標(biāo)下的變形容許值的研究就顯得至關(guān)重要。

最后，框架與填充墻的剪力分配隨填充墻與框架剛度比和填充墻所處性能狀態(tài)的不同而變化。由于填充墻的剛度和強(qiáng)度在地震作用過程中處于動(dòng)態(tài)變化過程，填充墻框架中填充墻與框架各自不利地震內(nèi)力的確定尚有待進(jìn)一步試驗(yàn)和理論研究。

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