帶填充墻RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

蒲秀娟

填充墻框架結(jié)構(gòu)是目前在民用住宅和商業(yè)建筑中廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式,填充墻起到圍護和分割空間的作用,通常在設(shè)計中,將其考慮為附屬結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定,在設(shè)計中,將填充墻考慮成荷載施加到框架主體結(jié)構(gòu)中計算,并且考慮了填充墻對結(jié)構(gòu)周期的影響,對結(jié)構(gòu)的自振周期乘以折減系數(shù)來考慮填充墻的不利因素。根據(jù)近年來的震害分析和諸多學(xué)者關(guān)于填充墻框架結(jié)構(gòu)的研究,這樣考慮填充墻是不完善的,與填充墻框架結(jié)構(gòu)的實際受力和變形模式有較大差異,應(yīng)該進一步分析。

1 結(jié)構(gòu)破壞形式

由于結(jié)構(gòu)豎向剛度不均勻或產(chǎn)生突變,易形成薄弱層。如:現(xiàn)在很多建筑物在地下幾層設(shè)置停車場或商場,這都需要大空間,則在這幾層大量減少了填充墻的布置,造成這幾層剛度減小,因此薄弱層的層位移遠大于相鄰層,甚至超過規(guī)范規(guī)定的最大層位移,發(fā)生因?qū)游灰七^大或?qū)愚D(zhuǎn)角過大而結(jié)構(gòu)破壞的情況。又因為水平荷載作用下,結(jié)構(gòu)受到的剪力是隨高度增大而減小,因此底層薄弱層現(xiàn)象最明顯。經(jīng)ANSYS建模分析,輸入Taft波,峰值0.8g,底層薄弱層結(jié)構(gòu)的位移遠大于其他層位移,當頂層還未達到強的非線性變形,底層已進入強的非線性變形。

措施:在薄弱層增加柱子截面尺寸或增加墻體厚度,以補給因減少墻體數(shù)量而減少的剛度。

1.1 平面不規(guī)則產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)破壞

這是由于平面構(gòu)件布置不對稱、均勻,以至于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和幾何中心不重合,在水平力作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

措施:平面布置盡量均勻,構(gòu)件沿周邊分布越多,則增大了結(jié)構(gòu)扭矩抵抗矩的力臂,結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抗扭強度越大。

1.2 短柱破壞

現(xiàn)在建筑中為滿足美觀的要求,開窗面積越來越大,開通窗的情況更是普遍,然而這種結(jié)構(gòu)形式改變了結(jié)構(gòu)的受力和變形模式,與計算所采用的純框架模型有很大的差異。在做結(jié)構(gòu)設(shè)計時,為滿足抗震設(shè)防的要求,構(gòu)件都要滿足延性的要求,框架柱一般都設(shè)計為長柱,如果開通窗,窗上下部的墻體約束了柱的變形,使柱的計算長度變短,成為短柱,短柱的剛度較大,分配到的剪力較多,且短柱在地震作用下兩端易形成塑性鉸,使柱由原來的彎曲延性破壞變成了剪切脆性破壞(見圖1),這種破壞沒有征兆,且柱的破壞給結(jié)構(gòu)帶來的影響嚴重,不滿足抗震的三水準設(shè)防要求。

措施:沿柱設(shè)置加密箍筋,并單獨分析是否滿足承載力要求。

1.3 短梁破壞

這種破壞主要發(fā)生在門窗洞口上部,洞口兩邊的墻體和梁共同工作,給梁以支撐的作用,限制了變形,減小了梁的計算長度,洞口上部的墻和梁共同工作,增加了梁的計算高度,成為深梁,這種梁也易發(fā)生剪切脆性破壞(見圖2)。

措施:按照規(guī)范設(shè)置洞口位置和開洞面積,不要過大,如果設(shè)計中遇到了短梁短柱應(yīng)再次驗算,以防發(fā)生這種脆性破壞。

1.4 墻身破壞

在震害分析中,填充墻壓碎或墻體平面外倒塌也是比較普遍的(見圖3),雖然這種破壞不會使主體破壞或產(chǎn)生結(jié)構(gòu)倒塌的嚴重事故,但是,墻體破壞所帶來的人員傷亡和財產(chǎn)損失也是很嚴重的,而且對震后維修影響較大。

措施:按照規(guī)范要求:墻長大于5 m時,墻頂與梁宜有拉結(jié);墻長超過層高2倍時,宜設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱;墻高超過4 m時,墻體半高宜設(shè)置與柱連接且沿墻全長貫通的鋼筋混凝土水平系梁;墻體和框架設(shè)置拉結(jié)鋼筋、剪力鍵,增強其整體工作性能,改變傳力機理和破壞模式。

2 填充墻對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

2.1 填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的影響

經(jīng)過大量學(xué)者的理論和實驗證實,填充墻能增大結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度。水平荷載作用下,結(jié)構(gòu)的變形分為彎曲型變形和剪切型變形,通過兩種情況下力和位移的關(guān)系,可總結(jié)出比較合理的側(cè)移剛度公式:

其中,β為墻面變形模量的降低因素,β≤1,當為彈性時取號等;H和Hw分別為框架和填充墻的高度;k為填充墻的剪切系數(shù),取k=1.2;Ae,Ie分別為填充墻水平截面的有效截面面積和有效截面慣性矩;αc為框架對側(cè)移剛度貢獻的大小系數(shù)。

由此式可看出填充墻框架結(jié)構(gòu)的剛度是由填充墻和框架兩部分剛度組成的,填充墻早期剛度較大,能吸收較大的地震能量,但是其本身強度不高,先于柱破壞,隨著墻體的開裂,墻體對結(jié)構(gòu)的剛度貢獻減小,因此,在考慮填充墻剛度時要乘以折減系數(shù),規(guī)范推薦采用:

2.2 填充墻對結(jié)構(gòu)周期的影響

由于填充墻和框架結(jié)構(gòu)共同工作,減小了結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移,增大了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,放大了結(jié)構(gòu)的地震作用,使結(jié)構(gòu)自振周期縮短。實際計算填充墻框架的周期是可以按照能量法推導(dǎo)出的公式(4)來考慮:

2.3 承載力的影響

1)洞口的影響:當無開洞口的整面墻體和框架共同工作時,承載力可提高40%,隨著洞口開洞面積越大,承載力貢獻就越小。Benjamin和Williams將洞口設(shè)置在填充墻中心,洞口高度為1/3層高,跨度為1/3跨度時,承載力減少50%(見圖 4)。

本文建立單層單跨模型進行ANSYS有限元非線性分析(見圖5),模型采用分別考慮不同的開洞形式和開洞率對結(jié)構(gòu)極限承載力的影響。結(jié)果表明隨著洞口面積的增大,結(jié)構(gòu)的極限承載力越低;同樣開洞率情況下,開門洞比開窗洞承載力更高(見圖6)。

2)墻體材料也會影響到承載力:Parducci和Mezzi通過對不同種類填充墻材料的結(jié)構(gòu)承載力影響分析,表明實心砌塊的承載力高于空心砌塊的承載力。Dawe通過試驗表明,在降低混凝土空心砌塊強度18%后承載力降低15%,降低砂漿強度后,結(jié)構(gòu)的開裂荷載下降43%,極限荷載下降26%。

3)豎向荷載可提高結(jié)構(gòu)的承載力,Stafford Smith在試驗中將豎向均布荷載作用在單層單跨鋼梁上,發(fā)現(xiàn)豎向荷載不超過填充墻豎向承載力的40%～60%時,結(jié)構(gòu)水平承載力明顯提高,若豎向力過大,結(jié)構(gòu)水平承載力反而降低。Valiasis和Stylianidis也通過實驗得到近似的結(jié)論。

4)墻體的配筋率對結(jié)構(gòu)承載力有影響:Jurnia通過實驗分析得到,當砌體豎向與水平向配筋率分別為0.24%和0.054%時,結(jié)構(gòu)承載力提高0.47倍。

5)梁柱線剛度比和墻體厚度對結(jié)構(gòu)承載力影響不大。

3 結(jié)語

1)設(shè)計中要綜合考慮填充墻的有利和不利因素。2)在結(jié)構(gòu)布置時,要滿足抗震要求,在平面和豎向都要均勻布置。3)設(shè)計中避免形成短梁短柱,如果不可避免要單獨分析。4)加強墻體和框架的連接,設(shè)置構(gòu)造柱,水平系梁,加強共同工作性能,防止在小震和中震時墻體破壞和平面外破壞。5)適當增加墻體的配筋率。6)改變傳力路徑,適當增大結(jié)構(gòu)豎向力,有利于結(jié)構(gòu)抗側(cè)力。

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