浅谈填充墙对框架结构抗震性能的影响

杜 林

(西南交通大学,四川 成都 610031)

框架结构是由梁和柱作为主要构件组成的承受竖向和水平作用的结构,一般多用于 10层以下的建筑。单纯的框架结构很少,为了围护或分隔房间,在柱间嵌筑砖或其他砌块等填充墙体而形成的一种复杂组合结构,即填充墙钢筋混凝土框架结构。

钢筋混凝土框架结构因其具有足够的强度、良好的延性和较强的整体性,目前广泛用于地震设防地区。钢筋混凝土框架结构本身具有良好的抗震性能,但填充墙的使用,改变了框架结构原来的性能。在汶川地震灾区应用较为广泛,有大量的填充墙框架结构在地震中发生了不同程度的破坏,因此有必要对填充墙对框架结构的影响作一定的分析。

在汶川地震过后,对《建筑抗震设计规范》中的关于围护墙和隔墙作了强制性规定:框架结构的围护墙和隔墙,应考虑其设置对结构抗震的不利影响,避免不合理设置而导致主体结构的破坏。而通常进行抗震设计时,一般采用考虑填充墙的影响对框架结构的自振周期进行折减。如用能量法计算结构基本周期时引入小于1的折减系数ψT:

式中:ψT为结构基本周期考虑非承重砖墙影响的折减系数;Gi为集中在各层楼面处的重力荷载代表值(kN);Δi为假想把集中在各层楼面处的重力荷载代表值Gi作为水平荷载而算得的结构各层楼面处的位移(m)。

框架填充墙作为一种组合结构体系,框架与填充墙在水平地震下共同承担地震作用。一般认为,填充墙和框架所分担的地震剪力可以按照两者的刚度进行分配。然而,由于两个组成部分的材料性能存在较大差异,砌体填充墙和混凝土框架满足同一个抗震性能水平的变形容许值相差甚远。砖填充墙属于脆性材料,在填充墙框架中,钢筋混凝土框架为延性材料,层间弹性位移角极限为 1/500;而砖填充墙属于脆性材料,层间弹性位移角在 1/5000～1/3000之间,比框架小得多。在地震作用下,砖填充墙势必要比钢筋混凝土框架过早地开裂,甚至倒塌。因而,在传统的抗震设计中,砖填充墙被当作一种非传力构件,认为它只起到隔离、保护的作用,对于抗震,只考虑到它的不利的一面,忽略了它对抗震有利的一面,即填充墙对框架结构有层间侧移刚度的贡献[2]。

1 填充墙框架结构体系受力分析

在填充墙框架中,填充墙与框架共同工作。砖填充墙既能承受部分地震剪力,又改变了钢筋混凝土框架的受力和变形性能。一方面是墙体受到框架的约束,另一方面是框架受到填充墙的支撑。因为填充墙的这种支撑作用,使结构的早期刚度大为增加,同时使框架构件中的内力分布与一般空框架颇为不同。

大量填充墙的震害调查和模型试验分析表明,填充墙和框架受力可分为以下四个阶段:

(1)填充墙与框架整体工作阶段:即弹性阶段,填充墙和框架均处于弹性状态两者共同作用,填充墙与框架周边相接触的地方产生界面裂缝。

(2)框架结构弹性工作阶段:随着水平荷载加大,周边裂缝也不断加大,墙面出现未贯通的斜裂缝。此时,框架仍处于弹性工作状态,填充墙成为抗侧力构件。

(3)框架结构弹塑性工作阶段:这个阶段中,除墙面陆续出现裂缝及不断扩展外,钢筋混凝土框架也逐渐出现裂缝并开展,结构的非线性性能颇为明显。此时,填充墙的抗侧能力达到极限值,整个结构呈弹塑性状态。

(4)框架结构塑流阶段:这个阶段前期,荷载增量主要由框架来负担,框架构件内的弯矩显著增加,于是在框架构件内陆续出现塑性铰,整个结构表现出明显的塑性特点。墙体由于与框架有拉接钢筋,墙体一般情况下仍未倒塌。

由填充墙和框架共同作用的原理可以看出,地震过程中,填充墙起到抵抗侧向力的作用主要发生在前两个阶段。多数地震(小震)下,填充墙分担了一部分抗侧力;在强震作用下,填充墙也可起到吸收地震能量的作用。但是遇到罕遇地震情况,填充墙即使与框架柱间设有可靠的连接也会出现破坏和倒塌。

2 填充墙的不利影响

在这次汶川地震中,因填充墙引起的柱破坏形态主要为两个方面:

(1)填充墙沿竖向布置不均形成软弱层,底层填充墙很少或没有。

对地震区的框架结构调查发现,为了提高建筑的经济效益,许多底层作商业用途或停车场、上部作为住宅。建筑物的底层很少·或者根本就没有填充墙,而上部因用于住宅而使用了较多的填充墙来分隔空间,导致下部刚度太小形成薄弱层。这种竖向的刚度突变对结构的抗震是很不利的。因此,在这次汶川地震中,这种结构都遭受了不同程度的破坏(图 1)。

图1 结构形成软弱层导致破坏

这种破坏最主要的表现就是底层柱顶发生破坏,如混凝土压碎崩落,柱内箍筋拉开,纵筋压曲成灯笼状,发生了平移或倾斜。当然这其中也包括施工方面的原因,如箍筋间距过大,或者根本没有放箍筋;也有因梁的交叉而布置箍筋困难,把箍筋全布置在了梁底;柱箍筋弯钩不是 135°,大部分为90°,导致了箍筋锚固差,对柱子混凝土约束能力很小。这些原因就导致了柱的破坏。

(2)窗下墙使框架长柱变成短柱。

由于窗台墙体对柱子的约束作用,使柱子的有效长度减小,形成了短柱。而短柱的刚度大于框架结构中的其他非短柱,地震作用下短柱会吸收更多的地震作用,而相比于同层其他非短柱,短柱的耗能能力相对较低,因此在地震作用下先发生破坏(图 2)。

图2 形成短柱而导致破坏

除了以上两种破坏形式以外,由于填充墙与框架的相互作用,填充墙还会对框架梁柱产生附加的内力,而导致一些特殊的破坏形态。

3 填充墙的有利影响

在这次地震中,我们发现一些严格按照规范设计和施工的填充墙,对整体结构的抗震性能有提高作用。在地震作用下,填充墙发生了破坏,而梁柱只发生了轻微的破坏。

填充墙的刚度效应是填充墙框架区别于空框架的主要特点之一。有了填充墙可增加结构的刚度,特别是早期甚为显著,因此在水平荷载作用下结构侧移小,对于提高正常工作阶段的建筑物的使用效果无疑是有好处的;另外在强震或烈风时,由于结构刚度增加,侧移减小,可以减小结构 P-■效应。

计算填充墙的刚度效应,常采用的是等效刚度法。其基本思想是,根据填充墙层间抗侧刚度等效的原则,将每一层的柱和填充墙的层间抗侧刚度求出后作为每一层框架总的抗侧刚度,或者将每一片填充墙转化为等效抗侧刚度的柱,然后,再用空间模型来分析[3]、[4]。等效框架柱的层间侧移刚度等于填充墙的层间侧移刚度 Kw与填充墙相连接的柱的层间侧移刚度 Kf之和。等效刚度法既考虑了填充墙对结构周期的影响,又考虑到了它对结构刚度的贡献,与实际较为相符。填充墙的抗侧刚度KW和柱的抗侧刚度Kf可按下式计算[5]:

式中:KW为填充墙层间侧移刚度;ψK为填充墙层间侧移刚度折减系数;EW为填充墙砌体弹性模量;为填充墙砌体水平截面面积和惯性矩;Hw为填充墙高度;ψm,ψv为洞口影响系数;Kf为与填充墙相接的柱的侧移刚度;Ic为柱的惯性矩;Hc为柱的高度;α为考虑梁转动的影响系数。

在以上公式中,填充墙层间侧移刚度折减系数 ψk是一个关键的参数,结构上、中、下部依次取 1.0、0.6、0.3[5]。当考虑填充墙的影响时,梁的转动很小,可忽略,即α=1.0。

除了整体刚度效应外,填充墙还会对主体结构的梁、柱和墙产生约束效应。在框架内有了填充墙后,结构的耗能能力大为增加,这主要来自填充墙中裂缝间的摩擦、材料内部的阻尼以及墙与框之间的滑移等。最后,由于填充墙的存在,大大减少了结构倒塌的可能性。

4 结论

综上所述,填充墙能够提高框架结构刚度、改善结构的抗震性能。但如果布置不合理,可能就会出现薄弱层和短柱效应。因此,在框架结构中设置填充墙时,应严格按照规范设计和施工,并应注意填充墙的布置应尽量考虑整体结构竖向刚度分布均匀,避免形成软弱层。而窗下的墙体则可以采取与柱分离的措施,避免墙体对柱产生约束作用而形成短柱。建筑平面上填充墙的布置应使结构刚度分布均匀对称,尽量使质量中心和刚度中心重合,以免结构发生扭转。为了避免小震和中震下填充墙倒塌,填充墙体和框架柱之间宜采取可靠的连接措施。

[1]GB 50011-2001建筑抗震设计规范[S]

[2]张雅君.填充墙对钢筋混凝土框架结构受力及变形性能的改善[J].工程建设与设计,2001(6):37-39

[3]张坚,王振雄.考虑砌体填充墙刚度的短肢剪力墙结构分析方法[J].结构工程师,2000(4):17-20

[4]林金逸,陈庆枝.砖填充墙钢筋混凝土框架计算[J].福建建筑,1997(增刊):36-37

[5]沈聚敏,周锡元.抗震工程学[M].北京:中国建筑工业出版社,2000

[6]王旋,李碧雄.汶川地震中填充墙钢筋混凝土框架结构抗震性能思考[J].工业建筑,2009(1):25-29