大震作用下填充墻對框架抗震性能的影響

秦文明，周昕，江瑋駿

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

大震作用下填充墻對框架抗震性能的影響

秦文明，周昕，江瑋駿

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

我國現(xiàn)行的鋼筋混凝土框架結構在抗震設計中采用純框架模型，即不考慮實際填充墻對框架結構抗震性能的影響。僅僅將填充墻的實際重量作為梁的恒荷載加載到計算模型上，并通過折減結構的自振周期來估計填充墻對結構整體剛度的改變，加之設計中為了建筑的使用功能導致填充墻的不規(guī)則布置和業(yè)主在裝修過程中在填充墻上隨意開洞甚至移除墻體，造成了框架結構模型的合理性有待商榷。針對該問題，建立考慮填充墻布置和開洞的鋼筋混凝土結構計算模型，并在罕遇地震作用下，對模型進行了非線性時程分析。通過對不同模型之間各個參數(shù)的對比分析，分析了填充墻上不規(guī)則布置和開洞對框架結構抗震性能的影響。

框架填充墻結構；ABAQUS軟件；時程分析；勻質化模型

1 概 述

框架結構具有開間大，結構形式簡答，造價低廉，建設周期短，布置靈活等優(yōu)點，故在一些二、三線城市，框架結構的建筑形式得到了廣泛的應用?？蚣芙Y構可根據(jù)不同的建筑使用要求，布置不同的的功能分區(qū)，而填充墻則承擔了這種功能分區(qū)的職責。但在我國現(xiàn)行的結構設計中，填充墻并不計入結構構件，而是作為非結構構件，設計時也將其處理為等效荷載，附加在梁上。但是這樣并未考慮填充墻在實際地震作用中提供的結構剛度。同時，作為非結構構件，在裝修過程中，常常因為美觀或功能分區(qū)的更改等因素，業(yè)主隨意在填充墻上開洞，甚至拆除墻體，這就更加加劇了結構剛度的不規(guī)則變化。又因為地震作用與結構的剛度有關，結構的剛度變化不規(guī)則對其自身的抗震性能也有很大程度上的影響。在歷次實際震害中，也證明了填充墻對框架結構的破壞機制產生了明顯的影響。本文運用有限元軟件 Abaqus，對由填充墻不規(guī)則布置和大開洞兩個方面引起的框架結構在遇到罕遇地震作用下抗震性能的改變進行了模擬和論證。通過對實際工程中存在的問題模擬、分析、驗證。

2 填充墻模型選取

填充墻是由砌塊與砂漿粘結而成，砂漿的均勻程度，砌塊的質量誤差，都會引起填充墻材料性質的變化，故填充墻是一種各向異性的非勻質復合材料。在我國現(xiàn)行的框架結構設計中，如pkpm或yjk等主流的軟件中并未給出填充墻的模型建立方法，這就導致了計算結果與實際工程有誤差，引起的框架結構在地震作用下產生“短柱破壞”、“薄弱層破壞”和“扭轉破壞”等。在填充墻模型的確立，除了需要確定填充墻的計算模型、材料的本構模型，還要包括填充墻與框架結構的連接方式的模擬。

經過國內外學者長時間的努力和研究，填充墻的計算模型大體分可歸納為三種：斜壓桿模型、勻質化有限元模型以及精細化有限元模型［1］。

2.1 受壓桿模型

上個世紀50年代，Polyakov基于桁架理論和填充墻受力特點。將填充墻的計算模型簡化為作用于框架梁柱之間的斜壓桿，該斜壓桿在側向地震力作用下只受壓，桿內無彎矩和剪力。然后為了符合破壞面積的模擬，經過演化，由單壓桿改進雙壓桿甚至多壓桿模型。這種簡化符合填充墻的受力機理。在實際的震害作用過程中，桿件模型的屈服過程也可以實現(xiàn)填充墻的非線性分析，但是桿件模型并不適合本文研究的工程背景。

2.2 微觀有限元模型

在有限元軟件的逐漸興起中，為了追求模型的精確，很多學者提出了微觀有限元模型。微觀有限元模型考慮了實際填充墻上的砂漿，砌塊以及其連接方式。較真實的反映了實際的填充墻。但是該模型單元節(jié)點較多，運算效率很低，而且不同材料的連接方式的模擬較為理想化，導致結果往往很難收斂。

2.3 勻質化連續(xù)有限元模型

勻質化連續(xù)有限元模型是將砌塊、砂漿以及填充墻中的拉結筋和構造柱等看成一個整體，采用一個均勻的、各向同性的材料來模擬填充墻。該模型較斜壓桿模型能更準確反映填充墻與框架之間的接觸關系，又可滿足填充墻在實際震害下的受力機理。本文采用ABAQUS中的殼單元來模擬填充墻。國內外的研究人員采用此種方法模擬，精度高，建?？?，取得了較好的分析結果。

圖1 填充墻模型

3 框架結構有限元模型及地震波選取

本文以ABAQUS軟件為分析軟件，對填充墻在大震作用下進行了彈塑性時程分析，研究了填充墻側向剛度對框架結構抗震性能的影響。

3.1 有限元模型的建立

建立 4個鋼筋混凝土框架結構模型：空框架模型，滿布填充墻模型，開洞填充墻模型和不規(guī)則布置填充墻模型，分別編號為模型一到模型四?？v向和橫向完全對稱，橫向2跨，縱向4跨，每跨均為6m× 6m。層高為4層，每層高3.8m?？偢?5.2m?？蚣苤叽鐬?00mm×400mm，框架梁尺寸均為250mm ×400mm，樓板采用剛性樓板假定，即平面內樓板剛度無限大，在軟件中定義為120mm厚。填充墻厚度為240mm厚。

填充墻采用勻質化連續(xù)有限元模型來模擬。填充墻的彈性模量E1=4kN/mm2。泊松比μ=0.37，密度ρ=1100kg/m3。模型梁柱板混凝土采用C30?？v向受力鋼筋采用HRB335，箍筋采用HPB235。模擬的場地設防烈度為7度，場地土類別為Ⅱ類，設計地震分組為第二組。

軟件中模型單元選擇如下：梁柱采用beam單元（B31），填充墻和樓板采用shell單元（S4R），鋼筋采用三維 2節(jié)點桁架單元（T3D2）模擬。材料模型選擇如下：混凝土采用彈塑性損傷模型，鋼筋采用理想的彈塑性模型，砌體采用脆性斷裂模型［2］。梁柱和樓板的連接采用constraint中的tie連接。保證梁和樓板的剛性連接，在選擇樓板作為從屬面的時候選擇surface，從而保證了樓板在平面內的剛度無限大?？v筋和箍筋構成的鋼筋骨架通過 embeded嵌入到混凝土的模型中，可以保證鋼筋和混凝土之間沒有相對滑移。

3.2 地震波的選取

利用 abaqus對結構建立分析模型，并進行動力彈塑性分析。地震波采用EI-centro波，取時為16s，地震波加載的時間步長為 0.02s，根據(jù)規(guī)范，7度區(qū)罕遇地震峰值加速度220cm/s2，故需對地震波峰值更改。

4 動力時程結果分析與討論

根據(jù)各國的抗震規(guī)范，震害經驗和試驗研究以及工程實例等分析得出，用層間位移角和層間位移作為衡量結構變形能力、判斷結構是否滿足建筑功能要求的指標是合理的。通過對4個模型在大震作用下的非線性時程分析，將各個模型的層間位移角和層間位移作圖比較，如下圖。

圖2 結構層間位移角

圖3 大開洞填充墻損傷模型

①有填充墻的框架模型和沒有填充墻的空框架模型的各項計算結果相差都比較大，故在我們現(xiàn)在的框架結構設計中忽略填充墻抗震性能的影響是不可取的

②通常情況下，在罕遇地震作用下，對應切有相同峰值加速度的同一地震波，4個模型的層間位移角和層間位移都成下降趨勢，即沿著樓層層間位移逐漸減小，底層的層間位移最大，頂層最小［3］。但是在圖2中填充墻不規(guī)則布置的模型中，層間位移角曲線卻出現(xiàn)了“凸起”，說明填充墻的不規(guī)則布置，使結構的上下層剛度出現(xiàn)了突變，形成了薄弱層，這對抗震是非常不利的。

③模型一到模型四的最大層間位移角為0.0125、0.0026、0.0067、0.0080，均未超出彈性層間位移角1/50的限值?？梢娋鶆驖M布填充墻模型的抗震性能最好。說明填充墻改變了結構的剛度，提高了結構的承載力。

5 結 論

①填充墻改變了框架結構的傳力機制，沿著樓層高度均勻布置填充墻可以有效地提高結構體系的整體剛度，從而限制了結構的振動位移，對抗震是有利的。

②當填充墻水平不均勻布置時，使得樓層與樓層之間的剛度變化不均勻，容易形成薄弱層，若結果在薄弱層的填充墻上開洞，將加劇了該樓層與構件在地震作用下的破壞，這對抗震是極為不利的，故在結構設計中要避免。

③由填充墻開洞的損傷云圖（圖3）來看，梁柱連接處填充墻的角部受力較大，在罕遇地震作用下容易先破壞，然后引起主體框架結構的破壞，故在滿足裝飾和建筑使用功能的前提下，開洞的面積盡量不要過大。

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［3］葉列平，曲哲，馬千里，林旭川，陸新征，潘鵬.從汶川地震框架結構震害談“強柱弱梁”屈服機制的實現(xiàn)［J］.建筑結構，2008（11）：52-59，67.

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TU398+.2

A

1007-7359（2016）02-0192-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.067

秦文明（1988-），男，山西忻州人，安徽建筑大學土木工程學院在讀碩士，研究方向：結構工程。