輕質(zhì)填充墻對鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的影響

陳 燚 中國建筑一局(集團(tuán))有限公司，北京 100161

鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)是時(shí)下中國最廣泛運(yùn)用的建筑結(jié)構(gòu)之一，其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就是在框架間填充多種材料組成的輕質(zhì)填充墻。在現(xiàn)實(shí)的情況中，輕質(zhì)填充墻的設(shè)計(jì)與施工并沒有完全按照國家相關(guān)的規(guī)范要求，因此在地震等災(zāi)害的影響下，這種被視為非結(jié)構(gòu)部件的、比例欠協(xié)調(diào)的并且與規(guī)范要求不完全相符的輕質(zhì)填充墻受損情況十分嚴(yán)重。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)只有符合規(guī)范與計(jì)算要求，才能夠有效抵御無法預(yù)測的地震災(zāi)害。因此，除了對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的準(zhǔn)確計(jì)算和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員還必須要加強(qiáng)對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究和設(shè)計(jì)。

1 輕質(zhì)填充墻對鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的作用

輕質(zhì)填充墻對于鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力存在有利的作用，其作用主要有以下方面:

1.1 提升框架建筑結(jié)構(gòu)承載力

據(jù)相輕質(zhì)填充墻框架建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震分析表明，輕質(zhì)填充墻與框架建筑結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系，協(xié)同工作的。兩者作為組合的結(jié)構(gòu)，能夠一起承受地震的強(qiáng)烈作用。通過低周往復(fù)循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)中不難看出，在模擬崩裂、破壞等階段時(shí)，純框架與一定比例輕質(zhì)填充墻框架建筑結(jié)構(gòu)的承載力有較大差距:純框架測得水平承載能力不足200kN，然而1:2.5 比例輕質(zhì)填充墻在實(shí)驗(yàn)中所測得的水平承載能力接近300kN，輕質(zhì)填充墻框架建筑結(jié)構(gòu)的水平承載力明顯大于純框架。

1.2 增強(qiáng)框架建筑結(jié)構(gòu)的耗能能力

輕質(zhì)填充墻相較于純框架在一定程度上更能夠承擔(dān)地震前期的沖擊力。因?yàn)檩p質(zhì)填充墻的剛度較大，在地震時(shí)利用材料本身的變形以及相互之間的作用，能夠有效的吸取地震所釋放的部分能量。從這個(gè)角度來說，在地震時(shí)輕質(zhì)填充墻具有一定阻擋作用，使得框架在耗能上的作用退居“二線”。因此，輕質(zhì)填充墻通過增強(qiáng)框架建筑結(jié)構(gòu)的耗能能力，使得結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，減輕了地震作用對框架建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度。相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步指出，實(shí)體輕質(zhì)填充墻的耗能能力最強(qiáng)，是純框架建筑結(jié)構(gòu)兩倍有余。

1.3 強(qiáng)化框架建筑結(jié)構(gòu)的整體變形能力

輕質(zhì)填充墻與框架協(xié)同工作，兩者的緊密聯(lián)系提高了框架的穩(wěn)定性?？蚣茉谳p質(zhì)填充墻的支撐作用下，自身的剛度得到提升，自身的變形能力與側(cè)向位移有所降低。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究顯示，實(shí)體材料的輕質(zhì)填充墻框架建筑結(jié)構(gòu)的剛度至少是純框架建筑結(jié)構(gòu)的五倍，并且其位移角是純框架建筑結(jié)構(gòu)的百分之一。輕質(zhì)填充墻對框架建筑結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，進(jìn)一步強(qiáng)化框架建筑結(jié)構(gòu)的整體變形能力。

2 輕質(zhì)填充墻對鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的不利影響

2.1 導(dǎo)致框架建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱層

導(dǎo)致框架建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱層的直接原因就是施工方為使得底部的空間再變大，滿足相關(guān)功能建筑的需求，因此在施工的過程中對于底部的輕質(zhì)填充墻的設(shè)置缺乏規(guī)范性甚至忽視對于輕質(zhì)填充墻的設(shè)置。相反，上部空間的輕質(zhì)填充墻大量設(shè)置增大了上部結(jié)構(gòu)的豎向剛度，在地震作用下，剛度較小的底部空間易于變形、突變，造成薄弱層破壞。薄弱層的出現(xiàn)使得地層在地震中極易發(fā)生災(zāi)難性后果?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》明確要求應(yīng)避免上下層剛度差距過大的情況。但是在現(xiàn)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，僅僅把輕質(zhì)填充墻作為荷載輸入計(jì)算模型，而沒有在計(jì)算中引入輕質(zhì)填充墻的剛度影響，從而造成計(jì)算模型不能完全反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度變化。這就需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)調(diào)整計(jì)算模型，人為考慮輕質(zhì)填充墻的設(shè)置可能造成的剛度影響。

2.2 增大了結(jié)構(gòu)地震作用

輕質(zhì)填充墻的存在一定程度上增大了結(jié)構(gòu)地震作用。這是因?yàn)檩p質(zhì)填充墻使得整體的剛度加大，減小了結(jié)構(gòu)的自振周期，而結(jié)構(gòu)的自振周期與地震的作用力成反比關(guān)系，因此加大了地震的影響力。上文已經(jīng)辯證闡述，基于研究材料的匱乏，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》只是對于實(shí)心磚填的輕質(zhì)填充墻框架的自振周期有明確規(guī)定，但是如今各種輕質(zhì)的填充材料十分常見，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對此也只能夠籠統(tǒng)的概括，因此盡快的完善國家的相關(guān)規(guī)范規(guī)程對于輕質(zhì)填充墻框架建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)性。

2.3 造成短柱破壞

長柱的破壞狀況在框架柱中最為常見，但是由嵌磚砌墻而成輕質(zhì)填充墻因?yàn)槠浯岸摧^寬等因素致使其頂部沒有砌筑完全，因此在輕質(zhì)填充墻對框架柱的約束力的作用下，長柱的有效長度大大縮短，成為短柱。短柱自身的側(cè)向剛度比長柱要大得多，同時(shí)短柱在水平方向承受的地震作用力要比長柱大，并且短柱的變形量較長柱更大，致使其在地震的過程中的剪切破壞程度變大。在經(jīng)歷了汶川地震、玉樹地震等災(zāi)害的慘痛教訓(xùn)后，國家《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》明確的規(guī)定由砌體輕質(zhì)填充墻的框架建筑結(jié)構(gòu)要?jiǎng)?wù)必要避免其形成短柱，并且其剪跨比要小于等于2，柱高和橫截面的高度之比要小于等于4。

3 輕質(zhì)填充墻應(yīng)用的注意事項(xiàng)

本文通過輕質(zhì)填充墻對鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的作用以及對其不利影響的分析，總結(jié)了輕質(zhì)填充墻在應(yīng)用過程中相關(guān)的注意事項(xiàng)。

(1)輕質(zhì)填充墻對于鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的利弊影響還有待與進(jìn)一步的研究和完善。我國的相關(guān)規(guī)范規(guī)程應(yīng)該結(jié)合國內(nèi)外的研究資料具體明確的給出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與方法，從本質(zhì)上解決相關(guān)的設(shè)計(jì)人員的“無章循”“無理依”的難題。

(2)在實(shí)際情況中，為減少地震的破壞所帶來的損失，必須重視輕質(zhì)填充墻的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。必須改變在建設(shè)的過程中輕質(zhì)填充墻的設(shè)計(jì)圖紙容易被忽視的情況。因此，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)相應(yīng)規(guī)范規(guī)程與施工經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮施工及使用因素，避免因輕質(zhì)填充墻的不當(dāng)設(shè)置而造成結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)等不利情況。

(3)要通過正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得計(jì)算模型與實(shí)際情況中的輕質(zhì)填充墻的問題相一致。

(4)設(shè)計(jì)思路要切實(shí)可行。在輕質(zhì)填充墻框架的設(shè)計(jì)過程中要考慮其破壞程度的可控性以及維修的便利性。

(5)設(shè)計(jì)人員在的結(jié)構(gòu)動力、剛度控制等設(shè)計(jì)階段要充分考慮到輕質(zhì)填充墻剛度的影響。而當(dāng)輕質(zhì)填充墻通過柔性連接或其他的連接時(shí)，則考慮是否可以忽略其剛度的影響。

(6)輕質(zhì)填充墻要防止被任意拆遷，只有通過相關(guān)部門的允許，并制定規(guī)范的拆遷方案，才能夠?qū)嵤┹p質(zhì)填充墻的拆遷。

(7)施工方面的重要性亦不可忽視。施工方應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)范要求控制材料質(zhì)量，加強(qiáng)檢測，對輕質(zhì)填充墻與框架的連接處，保證施工質(zhì)量，進(jìn)而有效加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)性與抗震能力。

4 結(jié)語

輕質(zhì)填充墻對鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的影響有利有弊。我們不僅要充分認(rèn)識到輕質(zhì)填充墻對于提高鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性及地震耗能作用等方面的有利影響，而且要通過研究盡量減少由輕質(zhì)填充墻引起的薄弱層破壞、地震作用增大及框架柱的短柱破壞等不利影響。通過理論指導(dǎo)，逐步完善相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，提高施工技術(shù)，從而保證框架建筑結(jié)構(gòu)中輕質(zhì)填充墻充分發(fā)揮其有利作用，減少不利影響。

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