填充墻在框架結(jié)構(gòu)體系中的影響作用

耿 莉 王天一

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,城市化進(jìn)程的加快,城市人口密度越來(lái)越大,而人均土地占有量卻越來(lái)越少,這種狀況導(dǎo)致了建筑向高層方向的發(fā)展。由梁、柱構(gòu)件通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成的承受豎向荷載與水平各種作用的框架結(jié)構(gòu)就是一種比較常見(jiàn)的多高層建筑形式,具有建筑平面布置靈活、立面富于變化、容易滿足各種工業(yè)與民用建筑的使用要求的優(yōu)點(diǎn),在建筑層數(shù)不超過(guò)15層和建筑高度不超過(guò)70 m的多高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。但總體而言,框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度小,水平位移大,因此不適宜建造太高的建筑。一般對(duì)于框架結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)受力分析為:鋼筋混凝土框架承擔(dān)全部的豎向荷載和水平荷載,填充墻構(gòu)件不作為主體的一部分,不參加工作,并且采取一定的措施避免荷載傳遞到填充墻上。

有關(guān)研究文獻(xiàn)中指出,在多遇地震作用下剛性連接的嵌砌填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能有以下幾點(diǎn)影響:

1)使結(jié)構(gòu)抗推剛度增大,自振周期減短,從而使作用于整個(gè)建筑上的水平地震作用增大,增加的幅度可達(dá)30%～50%。

2)改變了結(jié)構(gòu)的地震剪力分布狀況。由于砌體填充墻參與抗震,分擔(dān)了很大一部分水平地震作用,反而使框架所承擔(dān)的樓層地震剪力減小。

3)由于砌體填充墻具有較大的抗側(cè)剛度,限制了框架的變形,從而減少了整個(gè)結(jié)構(gòu)的地震側(cè)移幅值。

4)提高了建筑物的吸收和耗散地震能量的能力,從而提高了整個(gè)建筑的抗震能力。

2 多高層框架填充墻結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算模型

對(duì)于多高層框架填充墻結(jié)構(gòu)而言,一般每層樓面及屋面都可以作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn),而樓面與樓面(屋面)之間的墻柱的質(zhì)量則分別向下向上集結(jié)到樓面及屋面質(zhì)點(diǎn)處,這種多自由度的層間模型就是多高層框架填充墻結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的力學(xué)模型。

建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性往往通過(guò)一些有關(guān)參數(shù)來(lái)表征,這些特性參數(shù)包括結(jié)構(gòu)的自振周期(頻率)、阻尼和振型。它們是結(jié)構(gòu)本身的固有參數(shù),固有周期(頻率)和相應(yīng)振型可由力學(xué)原理計(jì)算得到,阻尼系數(shù)能通過(guò)試驗(yàn)確定。

3 框架填充墻結(jié)構(gòu)的受力分析及破壞形態(tài)

實(shí)際上框架結(jié)構(gòu)是一種很復(fù)雜的受力系統(tǒng),所受荷載也是很復(fù)雜的,并且是不確定的,因此要對(duì)它做精確的受力分析和設(shè)計(jì)是十分困難的。首先是外力的作用方向,實(shí)際風(fēng)荷載和地震作用都是隨意不定的,但在結(jié)構(gòu)分析中常假設(shè)水平力作用于結(jié)構(gòu)的主軸方向,對(duì)互相正交的兩個(gè)主軸 x方向和y方向,分別進(jìn)行內(nèi)力分析。其次是平面結(jié)構(gòu)假定,一片框架可以抵抗在本身平面內(nèi)的側(cè)向力,而平面外剛度很小,可以忽略,各平面抗側(cè)結(jié)構(gòu)間通過(guò)樓板互相聯(lián)系協(xié)同工作。

填充墻在初始彈性階段對(duì)結(jié)構(gòu)層剛度貢獻(xiàn)很大,與框架在初始階段能較好地協(xié)同工作,水平地震作用下,由于填充墻的存在,框架柱產(chǎn)生附加軸力和附加剪力,框架梁端產(chǎn)生附加剪力和彎矩。填充墻與框架的作用是相互的,地震作用由框架傳給填充墻,一部分通過(guò)橫梁作用在墻的頂面,一部分通過(guò)柱子作用于墻的側(cè)面,通過(guò)柱子傳給墻的水平力主要集中在墻的頂部附近。由于填充墻的抗拉強(qiáng)度低,所以填充墻首先在以主拉應(yīng)力方向?yàn)榉ㄏ虻钠矫嫔祥_(kāi)裂。

從一些實(shí)際的工程案例中總結(jié)可以得知框架填充墻體的破壞形式一般有三種:第一種破壞形式是剪切破壞。由于砌體墻縫中的水平剪應(yīng)力作用,裂縫沿水平縫產(chǎn)生并突然向下逐層延伸,最終形成階梯形裂縫。第二種破壞形式是斜拉破壞。在垂直于墻體主對(duì)角線的拉應(yīng)力作用下,墻體斜裂縫沿著與主對(duì)角線平行的一條或多條發(fā)展并貫穿墻體。此垂直拉應(yīng)力與主應(yīng)力跡線相垂直,在墻體中間區(qū)域附近擴(kuò)散;斜裂縫在墻體中間形成并向外發(fā)展,因此,中間的拉應(yīng)力最大。在壓力角附近裂縫幾乎不再發(fā)展,該處的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力平衡抵消。第三種破壞形式是斜壓破壞。由于斜壓桿端墻角處壓應(yīng)力過(guò)大,從而使墻角沿著框架被壓碎。

4 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

框架結(jié)構(gòu)填充墻的設(shè)計(jì),特別是填充墻的平面及豎向布置,是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外皆有多次由于填充墻布置不當(dāng)而造成震害的例子:

震害情況之一:框架結(jié)構(gòu)上部若干層的填充墻布置較多,而底部墻體較少,因而形成上下剛度突變。意大利有一棟旅館,是5層框架結(jié)構(gòu),底部是大堂、餐廳等,隔墻較少。而2層～5層是客房,填充墻很多,在1980年的地震時(shí),底部完全破壞,上部 4層落下來(lái)壓在底層上,損失很大。

震害情況之二:外墻柱子之間,有整開(kāi)間的窗臺(tái)墻,嵌砌在柱子之間,使柱子的凈高減少很多,形成了短柱。地震時(shí),墻以上的柱形成剪切裂縫。當(dāng)填充墻剛度較大時(shí),由于此墻會(huì)吸引較多地震作用能量,使墻兩端的柱子受力增大。

震害情況之三:在有些工程中,填充墻的布置,偏于平面的一側(cè),形成剛度偏心,地震時(shí)由于扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生構(gòu)件的附加內(nèi)力,而設(shè)計(jì)中并未考慮,因而造成破壞。

有關(guān)試驗(yàn)研究表明,當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的水平位移時(shí),即使采用輕質(zhì)填充墻,帶填充墻的框架的剛度也可以比純框架結(jié)構(gòu)的剛度大數(shù)倍。因此在遭遇地震(尤其是強(qiáng)烈地震)時(shí),如果不考慮這個(gè)由填充墻額外帶來(lái)的剛度,僅考慮框架自身的剛度,這會(huì)造成結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的地震作用大于計(jì)算值,使結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)趨于不安全。因此相關(guān)規(guī)定有:計(jì)算各振型地震影響系數(shù)所采用的結(jié)構(gòu)自振周期應(yīng)考慮非承重墻體的剛度影響予以折減。折減系數(shù)可以根據(jù)主體結(jié)構(gòu)形式及填充墻的多少,按表1取值,以此放大計(jì)算得到的地震作用,來(lái)減小或抵消這種不安全因素。但是,這個(gè)放大的地震作用全部賦予了框架結(jié)構(gòu)主體來(lái)承擔(dān),沒(méi)有考慮填充墻的抗側(cè)剛度以及承擔(dān)的作用力,這就使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于安全。

表1 周期折減系數(shù)

規(guī)范規(guī)定框架結(jié)構(gòu)的填充墻及隔墻宜選用輕質(zhì)墻體。抗震設(shè)計(jì)時(shí),框架結(jié)構(gòu)如采用砌體填充墻,應(yīng)符合下列要求:砌體填充墻在平面和豎向的布置宜均勻、對(duì)稱,減少抗側(cè)剛度偏心所造成的扭轉(zhuǎn),避免形成上下層剛度差異過(guò)大;填充墻的設(shè)置,要考慮到填充墻不滿砌時(shí),由于墻體的約束使框架柱有效長(zhǎng)度減小,可能出現(xiàn)短柱,造成剪切破壞;砌體砂漿強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于M5,墻頂應(yīng)與框架梁或樓板密切結(jié)合;砌體填充墻應(yīng)沿框架柱的高度每隔500 mm左右設(shè)置2φ6的拉筋,拉筋伸入填充墻內(nèi)的長(zhǎng)度:6度,7度時(shí)不應(yīng)小于墻長(zhǎng)的1/5,且不小于700 mm;8度,9度時(shí)宜沿墻全長(zhǎng)貫通;墻長(zhǎng)大于5 m,墻頂與梁(板)宜有鋼筋拉結(jié);墻長(zhǎng)超過(guò)層高2倍時(shí),宜設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱;墻高超過(guò)4 m時(shí),墻體半高處(或門窗洞口上皮)宜設(shè)置與柱連接且沿墻全長(zhǎng)貫通的鋼筋混凝土水平連系梁。

總之,對(duì)于砌體填充墻的布置應(yīng)予以充分注意,并對(duì)建筑的不利布置提出修改意見(jiàn)。如再有可能時(shí),將一部分砌體填充墻改為輕鋼龍骨石膏板墻;將黏土空心磚填充墻改為石膏空心板墻等。

5 結(jié)語(yǔ)

框架填充墻除了起到外圍護(hù)墻、內(nèi)隔墻及樓梯電梯間墻體作用外,從結(jié)構(gòu)角度來(lái)看,還由于框架填充墻承受了一定的支撐荷載,從而大大改善了框架結(jié)構(gòu)的受力及變形性能;當(dāng)鋼筋混凝土框架受水平力作用時(shí),它參與抵抗水平力,對(duì)主體結(jié)構(gòu)起到斜向支撐的作用。

事實(shí)上建筑物是一個(gè)高次超靜定的三維空間結(jié)構(gòu)體系,各種構(gòu)件以相當(dāng)復(fù)雜的方式共同工作,且都并非是脫離總的結(jié)構(gòu)體系的單獨(dú)構(gòu)件。目前,人們?cè)诰唧w的空間結(jié)構(gòu)體系整體研究上還有一定的局限性,在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了許多假定與簡(jiǎn)化。作為結(jié)構(gòu)工程師只有基于豐厚的專業(yè)知識(shí),只有針對(duì)具體的工程進(jìn)行細(xì)致的分析,建立符合實(shí)際情況正確的力學(xué)計(jì)算模型,恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置計(jì)算參數(shù),正確利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,并且對(duì)所有計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性判別,才能做出經(jīng)濟(jì)科學(xué)的建筑結(jié)構(gòu)體系。

[1] 郭 劍,張福明.填充墻框架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].山西建筑,2009,35(6):74-75.