RC 框架結(jié)構(gòu)中砌體填充墻的利弊分析及建議

金煥，于松

（廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000）

1 引言

砌體填充墻在建筑結(jié)構(gòu)中具有隔熱、保溫、分隔及圍護等功能，是RC 框架結(jié)構(gòu)中不可替代的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。目前，在RC 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，我國規(guī)范按照純框架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算，砌體填充墻作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件考慮，抗震驗算時通過引入周期折減系數(shù)來考慮填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻，而忽視地震作用下填充墻對框架梁柱受力性能的影響。通過實際震害及大量研究表明【1～3】，砌體填充墻與RC 框架柱間存在復(fù)雜的相互作用，有利有弊，僅考慮周期折減系數(shù)是遠遠不夠的。

目前，國內(nèi)外對RC 框架結(jié)構(gòu)砌體填充墻開展了大量的研究工作，從試驗到理論，從框架單元到空間框架，取得了許多成果。研究成果表明，砌體填充墻四面受RC 框架約束，二者之間存在復(fù)雜的相互作用，一方面，可以顯著提高框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、水平承載力及耗能能力；另一方面，填充墻的剛度效應(yīng)及約束效應(yīng)改變了結(jié)構(gòu)的破壞機理，易引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超出預(yù)期的破壞機制，甚至倒塌。

2 砌體填充墻有利的影響

填充墻砌筑材料具有隔聲、絕熱、防水及經(jīng)濟等方面的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于實際工程中，對結(jié)構(gòu)起圍護、保溫和分隔等作用。砌體填充墻通常由混凝土砌塊、加氣砌塊、空心磚等塊材砌筑而成，是RC 框架結(jié)構(gòu)不可替代的結(jié)構(gòu)組成部分，對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能具有一定的貢獻。

1）砌體填充墻可以顯著提高框架結(jié)構(gòu)的剛度，約束框架結(jié)構(gòu)的水平變形，減小結(jié)構(gòu)整體水平地震側(cè)移。林超與郭子雄【4】進行了4 榀單層單跨足尺填充墻框架水平低周往復(fù)荷載試驗，得到了純框架及不同砌筑材料的填充墻框架單元的骨架曲線，通過分析表明，砌體填充墻顯著提高了框架結(jié)構(gòu)的剛度和水平承載力，不同類型砌體填充墻使純框架單元的初始剛度提高 2.45～2.90 倍，水平承載提高 1.1 倍左右。金煥【5】進行了4 個1/2 縮尺的單層兩不等跨填充墻框架偽靜力試驗，同樣驗證了砌體填充墻對RC 框架結(jié)構(gòu)剛度和水平承載力具有明顯的貢獻。

2）在地震作用下，由于砌體填充墻為RC 框架結(jié)構(gòu)提供了較大的側(cè)移剛度，能夠承擔(dān)一定的水平地震剪力，因此，填充墻參與了整體結(jié)構(gòu)的抗震。由于填充墻一定程度上分擔(dān)了主體結(jié)構(gòu)的地震作用，從而改變了結(jié)構(gòu)的層間剪力分配狀況，減小了框架部分承擔(dān)的地震剪力，提高了框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和結(jié)構(gòu)的抗震承載力。

3）砌體填充墻作為框架結(jié)構(gòu)抗震的第一道設(shè)防，首先承受地震作用而開裂破壞。砌體填充墻由于具有較大的初始剛度，加載初期承擔(dān)了大部分的水平地震剪力，由于填充墻的強度較弱，首先出現(xiàn)開裂和破壞，消耗了地震能量，如圖1所示。當(dāng)砌體填充墻開裂破壞后，地震作用主要由框架來承擔(dān)。因此，填充墻是第一道抗震防線，而框架為第二道抗震防線。2008 年汶川地震震害分析表明【6】，部分未倒塌的RC框架結(jié)構(gòu)，正是由于布置了砌體填充墻，增強了整體結(jié)構(gòu)的抗震承載能力，從而未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)倒塌，如圖2 所示。因此，合理布置填充墻不僅可以顯著提高框架結(jié)構(gòu)的抗震能力，還可以作為結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線，使RC 框架結(jié)構(gòu)形成具有2道抗震防線的結(jié)構(gòu)體系。

圖1 砌體填充墻的震害情況

圖2 砌體填充墻RC 框架結(jié)構(gòu)的震害情況

3 砌體填充墻有利的影響

2008 年5·12 汶川大地震中，RC 框架結(jié)構(gòu)突出地表現(xiàn)出“強梁弱柱”“薄弱層”及“短柱失效”等一系列超出預(yù)期的填充墻關(guān)聯(lián)失效破壞機制，甚至引起結(jié)構(gòu)倒塌。大量震害分析和試驗研究表明，其中主要根源之一是填充墻的不合理設(shè)置，忽視了砌體填充墻與RC 框架間的相互作用。

1）砌體填充墻對框架柱產(chǎn)生了剛度效應(yīng)，當(dāng)填充墻豎向布置不均勻時，易引起結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的剛度和承載力不連續(xù)或不均勻，形成薄弱層或扭轉(zhuǎn)。研究表明，填充墻可以顯著提高RC 框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度和水平承載力，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能，但當(dāng)填充墻布置不合理時，易引起局部剛度或承載力突變。如圖3 所示，底層薄弱，形成上剛下柔的結(jié)構(gòu)體系，對結(jié)構(gòu)的抗震十分不利，導(dǎo)致典型的“薄弱層”破壞機制。如圖4 所示，某住宅樓結(jié)構(gòu)底部2 層為實現(xiàn)大開間未設(shè)填充墻，導(dǎo)致底部兩層剛度和承載力較上面各層小很多，結(jié)構(gòu)的側(cè)移集中于底層，形成薄弱層，上部結(jié)構(gòu)下坐垮塌，5 層的建筑變成3 層。

圖3 上剛下柔

圖4 “薄弱層”破壞

2）砌體填充墻對框架柱產(chǎn)生了斜壓桿效應(yīng)，當(dāng)填充墻滿跨布置時，填充墻與框架受壓對角區(qū)域內(nèi)，形成了填充墻斜向受壓區(qū)，如圖5 所示?？蚣苤斢捎谑軡M布填充墻的斜撐作用，墻柱接觸節(jié)點處內(nèi)力重新分配，框架柱頂產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力。框架柱頂在壓應(yīng)力及剪應(yīng)力的共同作用下，產(chǎn)生了剪切斜裂縫，從而導(dǎo)致框架“柱頂”剪切破壞，形成非常不利的“柱鉸”破壞機制，如圖6 所示。

3）砌體填充墻對框架柱產(chǎn)生了約束效應(yīng)，當(dāng)填充墻局部設(shè)置時，框架柱下段由于受到填充墻的約束，降低了上部自由段框架柱的計算高度，形成了典型的約束短柱效應(yīng)，如圖7 所示?？蚣苤捎谑艿较虏刻畛鋲Φ募s束，側(cè)向變形能力減弱，柱中內(nèi)力重新分布，框架柱頂受到較大的剪力，降低了框架柱的剪跨比，從而導(dǎo)致框架柱產(chǎn)生“短柱”剪切破壞，如圖8 所示。

圖5 斜壓桿效應(yīng)

圖6 “柱鉸”破壞

圖7 約束效應(yīng)

圖8 “短柱”破壞

4 抗震建議

由上述分析可見，砌體填充墻是RC 框架結(jié)構(gòu)中無法替代的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對框架結(jié)構(gòu)的影響有利有弊。填充墻引起框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超出預(yù)期的破壞機制，關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，將填充墻作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，我國規(guī)范尚未建立填充墻合理有效的計算模型。因此，探索如何避免填充墻對RC 框架結(jié)構(gòu)不利影響的抗震措施是十分必要的。

GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》13.3.4 條明確規(guī)定【7】：我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的砌體填充墻，尚應(yīng)符合下列要求：填充墻在平面和豎向的布置，宜均勻?qū)ΨQ，宜避免形成薄弱層或短柱。由此可見，我國規(guī)范僅從宏觀上對該問題做了定性的規(guī)定，如建議填充墻宜優(yōu)先采用輕質(zhì)砌塊材料，應(yīng)采取措施減少對主體結(jié)構(gòu)的不利影響，但并未對“如何避免”提出具體措施，令設(shè)計工作者束手無策，對填充墻的考慮無依據(jù)可循。

4.1 “薄弱層”破壞機制

“薄弱層”破壞機制產(chǎn)生的主要原因是填充墻引起剛度不均勻，而在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，填充墻作為非承重構(gòu)件，不參與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，僅考慮填充墻的自重。GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對于薄弱層的規(guī)定已經(jīng)非常完善，因此，填充墻引起薄弱層的問題可以按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，通過剛度驗算來避免填充墻的影響，詳見3.4 條建筑形體及其構(gòu)件布置的規(guī)則性及5.5 條抗震變形驗算。

4.2 “柱鉸”破壞機制

填充墻與框架的連接方式主要有2 種，一種是柔性連接，填充墻與框架柱脫開一定的縫隙，墻與柱間無接觸面，不傳遞擠壓力、剪力；另一種是剛性連接，填充墻與框架柱不脫開，填充墻與框架柱的接觸面上存在相互擠壓力及剪力，填充墻類似于斜壓桿的作用，屬于剛性連接。GB 5003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》【8】6.3 條對框架填充墻與框架柱之間的2 種連接方式的構(gòu)造要求做了詳細規(guī)定，并建議當(dāng)有抗震設(shè)防要求時宜采用填充墻與框架脫開的方法，而GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》僅對剛性連接做了規(guī)定。通過調(diào)查分析表明，實際工程中填充墻與框架間普遍采用剛性連接。

填充墻引起框架“柱鉸”破壞機制的主要原因是填充墻與框架柱不脫開，緊密接觸，當(dāng)水平荷載作用時，二者間存在復(fù)雜的相互作用。當(dāng)填充墻的強度越大，填充墻斜向受壓區(qū)傳遞給框架柱頂?shù)募袅υ酱?，?dāng)框架柱頂抗剪承載力不夠時就引起框架柱頂?shù)募羟衅茐?。通過分析表明，為避免“柱鉸”破壞，一方面可以采取填充墻與框架柱完全脫開的抗震措施，同時選用輕質(zhì)砌塊填充墻，避免填充墻對框架柱產(chǎn)生不利的影響；另一方面可以提高框架柱的抗剪承載力，如柱端箍筋加密、碳纖維加固等。

4.3 “短柱”破壞機制

“短柱”破壞機制產(chǎn)生的主要原因是填充墻對框架柱產(chǎn)生約束效應(yīng)，因此，為了避免填充墻與框架柱的相互作用，同樣可以采取填充墻與框架柱完全脫開的抗震措施，墻-柱相接處以伸縮縫預(yù)留空隙隔離，使柱子維持原正常設(shè)計高度，以符合原設(shè)計考慮。目前，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，軟件設(shè)計還不完善，在進行電算時，無法自動判別是否為短柱。通過研究表明，對于開通窗或窗間墻寬度較小，容易引起框架短柱破壞的情況，建議設(shè)計人員按照短柱進行設(shè)計，將框架短柱部分的箍筋加密，提高抗剪承載力，避免短柱效應(yīng)。

5 結(jié)語

本文基于填充墻對RC 框架結(jié)構(gòu)影響方面的研究成果，通過深入分析，得出以下結(jié)論：

1）砌體填充墻對框架結(jié)構(gòu)的影響有利有弊，是RC 框架結(jié)構(gòu)中無法替代的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，將填充墻作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行設(shè)計顯然不合理，填充墻的作用不可忽視。

2）填充墻對框架結(jié)構(gòu)不但產(chǎn)生了剛度效應(yīng)，而且產(chǎn)生了斜壓桿效應(yīng)及約束效應(yīng)，從而改變了結(jié)構(gòu)的破壞機理，引起“薄弱層”破壞、“柱鉸”破壞及“短柱”破壞機制，甚至引起結(jié)構(gòu)倒塌。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，RC 框架結(jié)構(gòu)可采取相關(guān)抗震措施，如采用輕質(zhì)砌塊、剛度驗算、墻-框柔性連接及提高抗剪承載力等，來規(guī)避填充墻對框架結(jié)構(gòu)的不利影響，避免引起框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超出預(yù)期的破壞機制。

4）我國填充墻的計算模型尚不完善，規(guī)范中并未做出相關(guān)規(guī)定，因此，需要進一步開展填充墻簡化計算模型的研究以及填充墻影響的定量研究，充分發(fā)揮填充墻的優(yōu)勢，減少填充墻的弊端。