填充墻對混凝土框架結(jié)構(gòu)整體性能及抗震性能的影響分析

王冬

【摘 要】在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員把填充墻作為荷載附加到框架的對應(yīng)位置，對結(jié)構(gòu)模型作純框架處理。在框架結(jié)構(gòu)地震作用下的內(nèi)力和變形計(jì)算時(shí)完全忽略了填充墻的存在，使得計(jì)算所用的力學(xué)模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)有較大出入，造成了嚴(yán)重的抗震安全隱患。填充墻的存在或多或少的改變了框架結(jié)構(gòu)的各種性能指標(biāo)，結(jié)果導(dǎo)致由于填充墻的影響使得建筑物震害嚴(yán)重。同時(shí)，由于框架梁柱的存在，也對填充墻的性能造成了一系列的影響。本文就水平地震作用下填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響進(jìn)行分析、歸納，供抗震概念設(shè)計(jì)、計(jì)算分析參考。

【關(guān)鍵詞】混凝土；框架；填充墻；抗震

1、填充墻對框架結(jié)構(gòu)的整體影響

1.1填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的不利影響

1、填充墻增大了結(jié)構(gòu)地震作用

地震作用的大小與結(jié)構(gòu)的自振周期有關(guān)，由于填充墻的存在造成了結(jié)構(gòu)整體剛度明顯增大，結(jié)構(gòu)自振周期減小，地震影響系數(shù)會偏大，從而導(dǎo)致地震作用力增大。為此，我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中明確規(guī)定，當(dāng)非承重墻體為砌體墻時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算自振周期折減系數(shù)可取0.6～0.7。

2、填充墻造成框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生薄弱層

填充墻的剛度影響會使填充墻框架結(jié)構(gòu)豎向剛度分布不連續(xù)，從而產(chǎn)生薄弱樓層。為了滿足底部大空間多功能建筑需要，工程中往往采用在底部少布置填充墻，甚至是架空不布置填充墻，而上部填充墻的存在極大地增加了上部結(jié)構(gòu)的層間剛度，造成豎向剛度變化過大，底層處形成豎向剛度突變。在水平地震作用下，底層處內(nèi)力、位移容易發(fā)生突變，形成薄弱層，對抗震極為不利。如果頂層作為會議室，沒有隔墻會使頂層產(chǎn)生薄弱層。塑性變形會集中在項(xiàng)層，同時(shí)鞭端效應(yīng)也會進(jìn)一步增強(qiáng)，對結(jié)構(gòu)抗震十分不利。

3、填充墻導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞

在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)范要求剪力墻要布置滿足均勻?qū)ΨQ，盡量布置在結(jié)構(gòu)外圍。使平面內(nèi)剛心和質(zhì)心重合，增大結(jié)構(gòu)抗扭剛度，避免由于地震作用產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)破壞。在填充墻框架結(jié)構(gòu)墻體布置時(shí)也應(yīng)遵循這一原則，如果增加的填充墻在結(jié)構(gòu)中布置不當(dāng)，將會使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)進(jìn)一步加大。即使結(jié)構(gòu)平面墻體布置對稱均勻，剛心和質(zhì)心在平面內(nèi)重合。但是由于結(jié)構(gòu)不同樓層使用功能不同，平面的剛心在豎向不在同一直線上也會造成較嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)破壞。

4、填充墻剛度使結(jié)構(gòu)剛度不均。

由于填充墻具有較大的抗側(cè)移剛度，使得結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度增大，結(jié)構(gòu)自振周期變短。短周期結(jié)構(gòu)對應(yīng)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的地震影響系數(shù)偏大，從而使得整個(gè)建筑物受到的水平地震作用增大，增加的幅值可達(dá)30%-50%。在對結(jié)構(gòu)所受層間總剪力進(jìn)行分配時(shí)，每一個(gè)抗側(cè)力構(gòu)件所分配到的層間剪力與其抗側(cè)剛度成正比。對于框架結(jié)構(gòu)而言在內(nèi)力分析時(shí)水平剪力我們假定全部由柱子承擔(dān)，每根柱子所受剪力與其D值相關(guān)。從而使得有填充墻的框架與沒有填充墻的框架分配到的地震力是相等的，此結(jié)果顯然是不合理的。事實(shí)上，由于填充墻對剛度的影響，沒有填充墻的框架部分受到的水平力計(jì)算值偏大，而有填充墻的框架部分受到的水平力計(jì)算值偏小。

5、填充墻造成短柱破壞

框架柱的受力狀況和破壞形態(tài)一般情況下屬于長柱。然而，當(dāng)填充墻采用嵌磚砌墻時(shí)，由于每開間墻面上均開有較寬的窗洞，填充墻沒有砌筑到頂，并與框架柱緊密相接。此時(shí)填充墻（窗裙墻）對框架柱的剛性約束，減短了柱的有效長度，使它變成短柱。一方面由于該柱側(cè)向剛度增大，承擔(dān)的地震剪力增大，另一方面，短柱破壞屬于脆性剪切破壞，因而在地震作用下，該柱往往容易發(fā)生脆性的剪切破壞。

1.2填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的有利影響

1、填充墻提高了框架結(jié)構(gòu)承載能力

填充墻在構(gòu)造上是與框架聯(lián)系在一起的，兩者相互作用與共同工作，這樣，填充墻框架結(jié)構(gòu)是作為一種組合結(jié)構(gòu)體系，共同承受水平地震作用。填充墻改變了整個(gè)框架體系的抗側(cè)力，兩者相互作用，直至結(jié)構(gòu)倒塌破壞以前，填充墻始終能夠承擔(dān)一部分水平荷載作用。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)墻面無洞口時(shí)，其抗側(cè)力總承載能力可以提高25%以上。同時(shí)，由于框架對填充墻的約束作用，也提高了墻體的力學(xué)性能。因此，填充墻框架結(jié)構(gòu)的承載能力比純框架結(jié)構(gòu)有明顯的提高。

2、填充墻加強(qiáng)了框架結(jié)構(gòu)整體變形能力

由于填充墻與框架之間的相互作用，框架受到填充墻的支撐，提高了框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，限制了框架的變形，從而減小了整個(gè)結(jié)構(gòu)的地震側(cè)移幅值，即使采用輕質(zhì)填充墻，帶填充墻的框架結(jié)構(gòu)的剛度也可以比純框架結(jié)構(gòu)大5～10倍，填充墻在一定程度上起到了剪力墻的作用，提高了框架結(jié)構(gòu)的變形能力。

3、填充墻增強(qiáng)了框架結(jié)構(gòu)耗能能力

相對于框架而言，填充墻具有很大的初期剛度，建筑物遭受地震前幾個(gè)較大加速度脈沖時(shí)，填充墻承擔(dān)了大部分地震力，并用它自身的變形及墻體裂縫的出現(xiàn)和開展，大量吸收和消耗輸入建筑物的地震能量。充當(dāng)了第一道抗震防線的主要“耗能構(gòu)件”，使框架退居為第二道防線，減小了主體結(jié)構(gòu)的破壞程度，保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2、填充墻對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)整體性能的影響

2.1填充墻沿樓層高度布置形式的影響

大量震害及實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)表明，填充墻的存在增大了結(jié)構(gòu)的剛度，且填充墻越多，剛度增加越多。填充墻沿樓層高度方向布置不均勻時(shí)，框架填充墻結(jié)構(gòu)的受力更為復(fù)雜，沿樓層高度方向均勻布置填充墻時(shí)，結(jié)構(gòu)的耗能較低，但承載能力增大，且變形減小。

2.2層數(shù)的影響

層數(shù)不同框架填充墻結(jié)構(gòu)的變形情況也不相同。不同層數(shù)的兩跨框架填充墻結(jié)構(gòu)動力彈塑性試驗(yàn)說明較高的框架填充墻結(jié)構(gòu)的變形曲線不同于純框架結(jié)構(gòu)，而略呈“彎剪型”的復(fù)合變形特征；結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)樓層均發(fā)生在樓層中下部，高度越高的結(jié)構(gòu)，其最大層間位移角略有上移趨勢。

2.3開洞率的影響

根據(jù)歷次震害分析，隨著開洞率的增大，裂縫主要出現(xiàn)在與梁柱連接處的填充墻角部，容易引起主體框架的破壞；開洞較小時(shí)，裂縫主要出現(xiàn)在窗洞口附近的填充墻上，當(dāng)遇到較大地震時(shí)可作為第一道防線從而減緩結(jié)構(gòu)的破壞。所以在滿足建筑功能要求的前提下，開洞率不宜過大。

總之，填充墻的存在增加了結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力，但減小了結(jié)構(gòu)的屈服位移；填充墻沿樓層高度布置不合理易造成較大的剛度突變，形成薄弱層，對結(jié)構(gòu)的抗震性能不利；框架填充墻結(jié)構(gòu)越高，且其最大反應(yīng)樓層有上移的趨勢；填充墻開洞越大越不利，可能引起“短柱”現(xiàn)象，改變結(jié)構(gòu)的失效模式。

3、提高框架填充墻結(jié)構(gòu)抗震性能的構(gòu)造措施

3.1選擇合理布置形式

1、填充墻在平面內(nèi)的布置宜均勻、對稱地分布。

2、填充墻沿房屋豎向的分布宜上下連續(xù)、貫通。

3、填充墻的數(shù)量分布。

填充墻的數(shù)量多少，直接會影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體剛度。因此，為了使各層剛度能盡量接近，希望各層的填充墻數(shù)量大致相差不多，這樣重量和剛度都會比較均勻，分布也會比較勻稱。

3.2加強(qiáng)填充墻整體性及與框架協(xié)調(diào)性

構(gòu)造次框架是在普通框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，嵌入由一定數(shù)量構(gòu)造柱和構(gòu)造梁形成的次框架網(wǎng)格，填充墻砌筑于次框架網(wǎng)格中。次框架網(wǎng)格不僅加強(qiáng)了框架梁、柱的聯(lián)接，從而增強(qiáng)了主體框架的整體性，而且加強(qiáng)了對填充墻的約束，提高了墻體對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和承載力的貢獻(xiàn)。

3.3填充墻開縫

填充墻進(jìn)行開縫處理，從而達(dá)到削弱墻體剛度降低其承受的地震作用和提高墻體延性的目的。開縫填充墻開裂后，當(dāng)裂縫發(fā)展到開縫處，縫隙將隔斷裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，從而避免或者延遲貫通裂縫的產(chǎn)生。

3.4采用耗能砂漿

可以將一些性能良好的纖維砂漿應(yīng)用于抗震設(shè)防區(qū)比較重要的砌體結(jié)構(gòu)的墻體砌筑，以此來提高墻體的延性，從而提高建筑的抗震性能。

4、結(jié)束語

框架填充墻作為一種非結(jié)構(gòu)性的構(gòu)件既不受建筑師的重視，也不被結(jié)構(gòu)工程師所關(guān)注。但是歷次地震災(zāi)害警告我們，框架結(jié)構(gòu)中的填充墻開裂、破壞和倒塌的數(shù)量很多，造成財(cái)產(chǎn)損失巨大，特別是填充墻倒塌后造成人員的傷亡也不在少數(shù)。通過對本文對框架填充墻的分析總結(jié)，對于設(shè)計(jì)及施工方面能采取一定有效措施增強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)抗震性能，降低不利影響，使框架填充墻在地震時(shí)不再成為倒塌傷人的元兇。