汶川地震填充墙对框架结构抗震性能的影响分析

王 娜,徐其功

(1.华南理工大学土木与交通学院,广东 广州 510640;2.广东省建筑科学研究院,广东 广州 510500)

汶川地震中,填充墙布置合理的框架结构整体抗震性能表现较好;而布置不合理的结构,如一些底层大开间,不仅填充墙破坏,梁柱与填充墙连接部位也破坏严重,导致房屋整体抗震性能变差。砌体填充墙作为一种非结构构件,其抗侧力性能的研究早已引起了国内外工程界的关注,在框架结构体系抗震分析中,结构的侧移刚度是一个重要的参数,直接影响到结构的自振周期、位移反应及内力分布。工程设计中应充分考虑填充墙的刚度影响,使框架结构在地震作用下的计算结果更符合实际,提高结构设计的安全性与经济性。

1 试验工程概况

本次试验和分析的典型钢筋混凝土框架结构房屋为某酒店综合楼,建筑总高 24m、5层,建筑面积 3640m2,竣工年份 1997年,建筑平面为矩形,规则,对称,竖向无突变。抗震设防类别为丙类,Ⅱ类场地,框架抗震等级为三级,安全等级为二级。

2 现场脉动试验

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脉动试验是在建筑物附近无规则振源的情况下,通过高灵敏度动力测试系统测定该建筑由风荷载、地脉动、随意敲打等随机荷载激振而引起结构的微幅振动响应,进而测得结构的自振频率、振型和阻尼比等动力学特征。本次脉动试验采用地震余震及人工敲击楼体的方式进行激振。

2.1 试验测点布置

试验测试点共有 3个,布设于第 2层 C1、第 4层 C2和顶层 C3的相同位置,在测试横向振动时则将传感器相应地水平转向 90°,具体测点布置见图 1。

2.2 试验结果

在传感器测得脉动响应数据后,通过模态辨识及理论分析计算,得到该大楼一阶横向、纵向模态频率和阻尼比,结果见表 1:

图1 测试点立面布置示意

3 软件计算

依据建筑施工图纸,对该酒店综合楼建模分析。

在现浇混凝土框架结构的抗震设计中,为了简化计算,通常将填充墙作为荷载作用在框架梁上,视填充墙布置的疏密程度选用 0.6～0.8周期折减系数来调整结构周期[1],以此加大地震作用下的结构内力。这种方法较简单,对结构分析软件的功能要求不高,特别是在结构较规整,对整体结构刚度影响较均匀时,也不失为一种可行的方法。但如果任何形式的框架结构以及各种布置的填充墙都使用这种计算模型,就有可能产生较大误差,造成结构抗震设计失效,危及建筑安全。

考虑到以上简化模型分析的可行性和误差性,采用 PKPM建立三种模型对比分析。

(1)A为纯框架模型:将填充墙作为线荷载,不考虑其对框架结构计算刚度影响,即目前设计通常采用的方法。

(2)B为等效填充墙模型:将填充墙按实际砖墙输入,直接考虑其对框架结构刚度的影响。

(3)C为等效斜撑模型:在线性分析程序中将填充墙视为有一定宽度(1/7～1/10填充墙对角线长度)和有轴向刚度的铰接对角受压斜撑杆[2],在填充墙开有洞口时取填充墙两对角和洞口角点之间的多个斜撑杆。

计算简图如下:

图2 各模型简图

4 填充墙对结构抗震影响分析

4.1 填充墙对结构抗震有利影响分析

4.1.1 扭转周期

结构扭转为主的第一自振周期 Tt与平动第一自振周期之比,A级高度高层建筑不应大于 0.9[3]。由以上结果,纯框架结构抗扭刚度不足,然而,按实际情况布置填充墙或者以斜撑模拟之后,抗扭刚度都有了极大地提高(表 2)。填充墙均匀合理布置,可以防止结构因扭转振动而使构件产生不均匀应力,提高结构的抗扭能力。

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4.1.2 楼层层间位移角

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对比层间位移角,B、C比 A要小得多(表 3)。填充墙的刚度作用控制了结构的地震位移反应。

4.1.3 上部结构柱水平剪力

首层柱在 X向地震作用下底部内力(局部)如下,软件对每个柱输出 5个数(Vx、Vy、N、Mx、My):分别为该柱局部坐标内 X和 Y方向的剪力、轴力、X和Y方向的弯矩(图 3)。

图3 各模型局部底部内力图

对比图3,模型B、C框架柱所承受的水平剪力比模型A小,二至五层柱剪力呈现出同样的规律。这是由于填充墙分担了部分地震剪力,在地震作用下,作为第一道抗震防线,填充墙承担剪力,消耗部分地震能量,对框架柱起到了一定的保护作用,在这一方面,对结构的整体抗震有利。这也恰好与实际情况下填充墙框架结构的破坏特征相符。

从以上分析结果可以看出,填充墙对结构整体的抗震性能影响在位移控制、耗能方面是有利的,模型 A把填充墙作为结构的附属构件,以线荷载输入,虽然考虑周期折减能增大地震作用,但这种方法对因填充墙的侧向和扭转刚度作用没有考虑,结构刚度未增加,使得结构的层间位移和整体位移偏大,有时难以满足现行规范的限值要求。模型B、C比较接近实际地模拟了填充墙的刚度,结构的周期,位移反应更符合实际情况,能够较好地反映填充墙和框架共同抗侧力的受力变形特点。

模型B模拟的填充墙与结构构件之间的连接是刚接的,而实际填充墙砂浆与构件连接并非如此,因此,填充墙的连接与实际情况还是有一定出入。对于斜撑模型 C,斜撑杆宽度的确定存在较多的困难;墙面有不同开洞情况时,缺乏刚度、强度等性能的简单实用公式;由于斜撑杆后期的力 -位移关系缺乏,在弹塑性阶段,分析有困难。

4.2 填充墙对结构抗震不利影响分析

4.2.1 平动周期

对比两模型的平动周期可以看出,B、C比A的自振周期小很多,这两种模型比较实际模拟了结构的刚度情况,周期与脉动实验实测值较接近。

4.2.2 基底剪力

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对比三种模型计算的水平剪力,模型B、C比 A要大,考虑了填充墙的实际刚度影响,地震作用下结构分配的地震力较纯框架增大,而地震力是由基础开始向上部结构传递,这样模型B基础与上部连接的柱子承担的地震剪力大,也就是说填充墙对基础柱抗震产生不利影响,导致对整个结构抗震不利。

4.2.3 底层大空间薄弱层

鉴定中发现汶川县城多栋房屋为了满足功能需要而采用了底层大空间结构,地震中,这类房屋破坏普遍较为严重。由此,我们以本建筑模型为基础,对房屋结构做了部分改动来模拟底层大空间,研究填充墙竖向分布不均对结构受力及抗震性能的影响。

结构修改:将模型 B首层内隔墙全部去除,形成新的模型 D(图 4),计算分析后得首层柱在 X向地震作用下底部内力简图如下图 5,计算结果中,每个柱输出 5个数(Vx、Vy、N、Mx、My):分别为该柱局部坐标内 X和 Y方向的剪力、轴力、X和 Y方向的弯矩。

图4 模型D简图

图5 模型 D首层柱在 X向地震作用下底部内力

模型 D首层框架柱所承受的水平剪力比模型A大,也就是说楼层大空间布置使该层刚度较其它层小,形成结构薄弱层。在地震作用下,底层剪力最大,如果因建筑功能要求使底层墙体少而刚度不足,就会产生较大的层间弹性位移,同时结构的倾覆力矩作用几乎全部由底层框架柱承担。因此,底层框架柱受力大,变形大,这样结构底层很容易在地震下产生错断,整个结构垮塌。

此外,填充墙的存在会使结构形成短柱、短梁。短柱变形能力差,短梁是一极具脆性的梁,而且梁柱本身所受的剪力也增加,在地震作用下极易发生脆性的剪切破坏。短梁的脆性破坏使其从开裂到破坏只消耗了为数不多的能量,本希望由延性梁消耗的大部分能量不得不由框架柱的破坏来消耗,增加了结构在地震中的危险性。结构平面墙体不均匀布置,也会使得结构刚心和质心平面内不重合,引起较严重的扭转破坏。

5 结束语

填充墙在位移控制和结构耗能方面有利于结构抗震,但由于填充墙的约束效应和刚度效应,使得填充墙结构在很多情况下存在安全隐患。2008抗震设计规范提出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。

(1)填充墙的刚度效应十分明显,实际震害和理论分析证明,填充墙布置不均导致结构的层间刚度、水平刚度不均匀,结构产生薄弱层、扭转破坏以及强梁弱柱的情况,设计中应考虑填充墙的刚度效应。

(2)填充墙的约束效应使框架柱由长柱变为短柱,框架梁变为短梁,并使这些构件的延性降低,这对结构构件的抗震有很不利的影响。

(3)结构在地震作用下的振动,使填充墙可能产生平面外破坏,应重视填充墙的设计,适当提高填充墙块体和砂浆的强度。

(4)填充墙与框架之间连接不好,使得填充墙破坏严重,汶川地震中,填充墙的局部或全部倒塌的情况大量存在,给人民造成了极大的生命威胁和财产损失,设计中应重视加强填充墙的连接措施。 框架填充墙对结构抗震性能的影响有利有弊,设计人员应充分理解填充墙作用的机理,抗震设计中权衡利弊,采取合理的设计方法。在对框架填充墙结构进行设计时,不能简单地简化为纯框架结构进行设计,应充分考虑填充墙对结构抗震性能的影响,通过补充计算和构造加强措施使计算模型与实际结构的受力状态趋于一致。参考文献

[1]GB 50011-2001建筑抗震设计规范[S]

[2]Mainstone RJ.On the stiffness and strenghs of infilled frames A.Proc.Institution of Civil Engineers C,1971

[3]JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[S]