填充墻對框架結(jié)構(gòu)剛度的影響因素

胡嫻敏，肖常安

（貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

填充墻框架結(jié)構(gòu)由于其空間布置靈活，在民用建筑中應(yīng)用廣泛，尤其是商住樓，因為在使用上它既能滿足底層營業(yè)的需要，也能滿足上部住宅的使用要求。同時從受力的角度來說框架結(jié)構(gòu)能承擔(dān)荷載和地震作用，而填充墻分隔房間，布置靈活，房間使用功能能夠得到滿足，造價也較為經(jīng)濟，地震作用下變形能力強，能較好的抵抗地震作用。

目前結(jié)構(gòu)設(shè)計師們在采用PKPM軟件對于填充墻框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算時往往僅考慮了框架的受力，只計入了框架部分的剛度，而填充墻只作為外荷載加在計算模型上。在地震等荷載作用下，考慮填充墻對框架結(jié)構(gòu)體系的剛度系數(shù)自震周期的影響，根據(jù)填充墻的數(shù)量，對框架結(jié)構(gòu)的自震周期進行折減，使框架獲得較大的力，但未考慮填充墻與框架的協(xié)調(diào)作用。

然而事實上，無論填充墻是磚墻還是輕質(zhì)隔墻，它對框架結(jié)構(gòu)的剛度影響都是存在的，且不容忽視。填充墻的存在及布置不合理使得建筑物在遇到地震時震害嚴重，而填充墻及內(nèi)部預(yù)埋管道的損壞使得震后修復(fù)工作量很大，維修費用高，因此對于填充墻對結(jié)構(gòu)剛度影響應(yīng)該予以重視。本文針對常見的框架填充墻結(jié)構(gòu)的破壞情況，總結(jié)了以下幾點影響框架填充墻整體剛度的因素。

1 不同材料的填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的影響

在填充墻框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，只考慮了填充墻的質(zhì)量，對結(jié)構(gòu)整體近似的采取一定的折減系數(shù)，而沒有考慮不同材料的填充墻對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響，在建筑隔墻中通常采用普通燒結(jié)磚、空心磚、加氣混凝土砌塊等材料，由于材料的選擇不同，隔墻自身的剛度不同，對框架結(jié)構(gòu)剛度的貢獻也會不同，一般情況下普通燒結(jié)磚的自身剛度較其它材料大，空心磚及加氣混凝土砌塊等由于空心部分的存在則自身剛度減弱，那么對整體剛度的貢獻也減弱。

2 不同形式布置的填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的影響

2.1 填充墻豎向布置不均勻引起薄弱層對框架剛度的影響

填充墻豎向布置不均勻會造成結(jié)構(gòu)豎向剛度不均勻從而形成薄弱層，隨薄弱層位置的不同分為以下幾種：底部薄弱層、頂部薄弱層、中部薄弱層、多個薄弱層見圖 1。由于建筑或使用功能不同，底層作為營業(yè)用房或活動用房不設(shè)置填充墻，而二樓及其以上作為住宅根據(jù)用戶的使用要求設(shè)置了隔墻，那么就會形成底部薄弱層，這種結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生頭重腳輕的結(jié)果，在水平地震作用下基底剪力完全由框架柱承擔(dān)，同時結(jié)構(gòu)底層承受的地震剪力又是最大的，底層會產(chǎn)生較大的層間位移，使得底部薄弱層結(jié)構(gòu)的底層柱很容易在地震作用下發(fā)生嚴重破壞。有些結(jié)構(gòu)的建筑填充墻從基層延續(xù)到上部，但是在建筑的頂層由于使用功能為會議室、練功房等寬敞的大房間而沒有設(shè)置填充墻，則往往形成頂部薄弱層。

圖1 填充墻沿建筑高度布置不均勻形成的薄弱層

薄弱層的存在使得結(jié)構(gòu)的變形在薄弱層部位突變，對結(jié)構(gòu)抗震非常不利，當(dāng)結(jié)構(gòu)的變形超過結(jié)構(gòu)的變形能力時就會在薄弱部位發(fā)生破壞。我國大多數(shù)臨街建筑都為商住樓，這種結(jié)構(gòu)往往形成底部薄弱層，地震發(fā)生時房屋結(jié)構(gòu)很容易破壞甚至倒塌。上部結(jié)構(gòu)由于填充墻的存在，使得結(jié)構(gòu)底部剛度遠遠小于上部結(jié)構(gòu)，在底部形成薄弱層，底部框架承受了較大的基底剪力的較大的集中層間位移，底層框架柱整體傾斜，柱頂、柱腳出現(xiàn)塑性鉸。

2.2 填充墻水平布置不當(dāng)引起扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對框架剛度的影響

在框架結(jié)構(gòu)的一般計算時，往往假定水平荷載合力的作用線通過結(jié)構(gòu)的剛度中心，因此結(jié)構(gòu)沒有繞豎軸的扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生。然而當(dāng)結(jié)構(gòu)的平面布置或剪力墻的設(shè)置較復(fù)雜且不對稱時上述假定就不成立。當(dāng)填充墻在結(jié)構(gòu)平面的布置不均勻使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心不一致時，在水平地震作用下結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)或者使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進一步增大。如圖2所示結(jié)構(gòu)平面布置，建筑物本身對稱，質(zhì)量均勻分布，在計算時如果不考慮填充墻，那么在水平荷載如風(fēng)荷載或地震荷載的合力作用下通過結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心O1，然而若考慮填充墻的作用，因填充墻對x軸，墻A不對稱布置，墻B對稱布置；對y軸，墻A不對稱布置，墻B對稱布置，結(jié)構(gòu)的剛度中心O2較質(zhì)量中心O1偏右，以ex表示；偏上，以ey表示。此時在水平力作用下，結(jié)構(gòu)不僅會發(fā)生橫向平移，同時還會繞剛度中心扭轉(zhuǎn)，從而造成框架結(jié)構(gòu)的破壞。

圖2 平面布置圖

3 開洞填充墻對框架剛度的影響

3.1 開洞填充墻造成短柱破壞對框架剛度的影響

框架結(jié)構(gòu)的建筑，就框架柱的受力狀態(tài)和破壞形態(tài)而言，一般情況下屬于中長柱，當(dāng)框架填充墻在相鄰柱間 樓梯間、通窗等時，由于窗下墻對框架柱的約束作用，縮短了框架柱的計算高度，使其變?yōu)榱硕讨?。短柱以剪切破壞為主，屬于脆性破壞，在?gòu)件破壞之前無明顯征兆，無法在事前采取有效措施，往往會造成很大的危害，嚴重危及人身和財產(chǎn)安全。從受力方面，短柱其線剛度（EI/l）相對較大，承擔(dān)更多荷載，會最先破壞。在規(guī)范中已有明確規(guī)定，要求加強框架柱的抗震構(gòu)造措施，通過設(shè)置復(fù)合箍或螺旋箍且全高加密來增加框架柱的延性。但是，大多數(shù)設(shè)計人員并未注意填充墻也會對框架梁形成影響。設(shè)計人員在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時一直遵循的原則之一就是“強柱弱梁”?？墒?，當(dāng)框架梁與其上部的填充墻共同作用時，近似于形成了墻梁的構(gòu)件，大大加大了梁的剛度，形成“強梁弱柱”的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)易在下層的柱頂部位發(fā)生破壞。

3.2 開洞填充墻造成短梁破壞對框架剛度的影響

在框架填充墻結(jié)構(gòu)中，由于建筑功能的要求需要在填充墻上開設(shè)門窗洞口，使原有框架梁的計算跨度發(fā)生了改變，梁的跨高比大大減小，形成短梁，在地震中產(chǎn)生交叉裂縫。這些裂縫發(fā)生的部位常常是門洞和窗洞處。通過試驗證明，短梁延性差，抗剪能力弱，容易形成剪切破壞。這樣，由于在實際的結(jié)構(gòu)計算模型中沒有考慮填充墻的作用，使得預(yù)期出現(xiàn)塑性鉸的位置并沒有出現(xiàn)塑性鉸。因此，計算模型中如果只把填充墻作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，將使原設(shè)計意圖發(fā)生嚴重的偏離。而短梁的脆性破壞使得短梁從開裂到破壞只消耗了為數(shù)不多的能量，意味著本應(yīng)該由延性梁消耗的大部分能量將不得不由，框架柱的破壞來消耗，這將增加結(jié)構(gòu)在地震中的危險性。

4 結(jié)束語

框架填充墻結(jié)構(gòu)既經(jīng)濟又使用，今后仍將是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式之一。填充墻作為一種重要的構(gòu)件，對主體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響不容忽視，因此不容忽視填充墻影響框架結(jié)構(gòu)剛度的因素。本文根據(jù)針對常見的框架填充墻結(jié)構(gòu)的破壞情況，總結(jié)出以下幾點常見的影響因素，希望能給以后的框架填充墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供一個參考的意見?？偨Y(jié)如下：①填充墻材料性質(zhì)會造成自身剛度的不同，隨填充墻自身剛度減小，對框架抗側(cè)剛度的貢獻減小，但即使采用低強度砌塊，填充墻剛度對框架結(jié)構(gòu)的影響也不可忽略；②填充墻沿平面布置不均勻時，隨隔墻數(shù)量增加，周期減小，結(jié)構(gòu)剛度變大，剛度突變越來越明顯，對結(jié)構(gòu)的承載力影響越大；③結(jié)構(gòu)錯層處、樓梯、窗下等部位，填充墻使框架長柱變成短柱，框架梁變成短梁，使梁的剛度增大，而柱的剛度相對減小，發(fā)生剪切破壞，結(jié)構(gòu)變形能力差。

[1]包世華，方鄂華.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3－2002）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]朱炳寅.影響強柱弱梁的主要因素及設(shè)計對策[J].建筑結(jié)構(gòu)—技術(shù)通訊，2008（07）：31－32

[4]朱志達，鄭玉倫，涂鳴，等.提高約束鋼筋混凝土短梁抗震性能的設(shè)計方法研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1997.

[5]中國建筑科學(xué)研究院.2008年汶川地震建筑震害圖片集[M].北京：中國建工業(yè)出版社，2008.

[6]劉玉姝，李國強.帶填充墻鋼框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能試驗及理論研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005.

[7]曹明星，張巖俊，高榮麗.淺析填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響[J].山西建筑，2007.