填充墙在框架结构体系中的影响作用

耿 莉 王天一

1 概述

随着我国经济的飞速发展,城市化进程的加快,城市人口密度越来越大,而人均土地占有量却越来越少,这种状况导致了建筑向高层方向的发展。由梁、柱构件通过节点连接构成的承受竖向荷载与水平各种作用的框架结构就是一种比较常见的多高层建筑形式,具有建筑平面布置灵活、立面富于变化、容易满足各种工业与民用建筑的使用要求的优点,在建筑层数不超过15层和建筑高度不超过70 m的多高层建筑中得到了广泛的应用。但总体而言,框架结构抗侧移刚度小,水平位移大,因此不适宜建造太高的建筑。一般对于框架结构常见的结构受力分析为:钢筋混凝土框架承担全部的竖向荷载和水平荷载,填充墙构件不作为主体的一部分,不参加工作,并且采取一定的措施避免荷载传递到填充墙上。

有关研究文献中指出,在多遇地震作用下刚性连接的嵌砌填充墙对结构抗震性能有以下几点影响:

1)使结构抗推刚度增大,自振周期减短,从而使作用于整个建筑上的水平地震作用增大,增加的幅度可达30%～50%。

2)改变了结构的地震剪力分布状况。由于砌体填充墙参与抗震,分担了很大一部分水平地震作用,反而使框架所承担的楼层地震剪力减小。

3)由于砌体填充墙具有较大的抗侧刚度,限制了框架的变形,从而减少了整个结构的地震侧移幅值。

4)提高了建筑物的吸收和耗散地震能量的能力,从而提高了整个建筑的抗震能力。

2 多高层框架填充墙结构的动力计算模型

对于多高层框架填充墙结构而言,一般每层楼面及屋面都可以作为一个质点,而楼面与楼面(屋面)之间的墙柱的质量则分别向下向上集结到楼面及屋面质点处,这种多自由度的层间模型就是多高层框架填充墙结构动力分析的力学模型。

建筑结构的动力特性往往通过一些有关参数来表征,这些特性参数包括结构的自振周期(频率)、阻尼和振型。它们是结构本身的固有参数,固有周期(频率)和相应振型可由力学原理计算得到,阻尼系数能通过试验确定。

3 框架填充墙结构的受力分析及破坏形态

实际上框架结构是一种很复杂的受力系统,所受荷载也是很复杂的,并且是不确定的,因此要对它做精确的受力分析和设计是十分困难的。首先是外力的作用方向,实际风荷载和地震作用都是随意不定的,但在结构分析中常假设水平力作用于结构的主轴方向,对互相正交的两个主轴 x方向和y方向,分别进行内力分析。其次是平面结构假定,一片框架可以抵抗在本身平面内的侧向力,而平面外刚度很小,可以忽略,各平面抗侧结构间通过楼板互相联系协同工作。

填充墙在初始弹性阶段对结构层刚度贡献很大,与框架在初始阶段能较好地协同工作,水平地震作用下,由于填充墙的存在,框架柱产生附加轴力和附加剪力,框架梁端产生附加剪力和弯矩。填充墙与框架的作用是相互的,地震作用由框架传给填充墙,一部分通过横梁作用在墙的顶面,一部分通过柱子作用于墙的侧面,通过柱子传给墙的水平力主要集中在墙的顶部附近。由于填充墙的抗拉强度低,所以填充墙首先在以主拉应力方向为法向的平面上开裂。

从一些实际的工程案例中总结可以得知框架填充墙体的破坏形式一般有三种:第一种破坏形式是剪切破坏。由于砌体墙缝中的水平剪应力作用,裂缝沿水平缝产生并突然向下逐层延伸,最终形成阶梯形裂缝。第二种破坏形式是斜拉破坏。在垂直于墙体主对角线的拉应力作用下,墙体斜裂缝沿着与主对角线平行的一条或多条发展并贯穿墙体。此垂直拉应力与主应力迹线相垂直,在墙体中间区域附近扩散;斜裂缝在墙体中间形成并向外发展,因此,中间的拉应力最大。在压力角附近裂缝几乎不再发展,该处的拉应力与压应力平衡抵消。第三种破坏形式是斜压破坏。由于斜压杆端墙角处压应力过大,从而使墙角沿着框架被压碎。

4 设计时应注意的问题

框架结构填充墙的设计,特别是填充墙的平面及竖向布置,是框架结构设计中一个不可忽视的问题。国内外皆有多次由于填充墙布置不当而造成震害的例子:

震害情况之一:框架结构上部若干层的填充墙布置较多,而底部墙体较少,因而形成上下刚度突变。意大利有一栋旅馆,是5层框架结构,底部是大堂、餐厅等,隔墙较少。而2层～5层是客房,填充墙很多,在1980年的地震时,底部完全破坏,上部 4层落下来压在底层上,损失很大。

震害情况之二:外墙柱子之间,有整开间的窗台墙,嵌砌在柱子之间,使柱子的净高减少很多,形成了短柱。地震时,墙以上的柱形成剪切裂缝。当填充墙刚度较大时,由于此墙会吸引较多地震作用能量,使墙两端的柱子受力增大。

震害情况之三:在有些工程中,填充墙的布置,偏于平面的一侧,形成刚度偏心,地震时由于扭转而产生构件的附加内力,而设计中并未考虑,因而造成破坏。

有关试验研究表明,当结构发生较大的水平位移时,即使采用轻质填充墙,带填充墙的框架的刚度也可以比纯框架结构的刚度大数倍。因此在遭遇地震(尤其是强烈地震)时,如果不考虑这个由填充墙额外带来的刚度,仅考虑框架自身的刚度,这会造成结构实际承受的地震作用大于计算值,使结构抗震设计趋于不安全。因此相关规定有:计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减。折减系数可以根据主体结构形式及填充墙的多少,按表1取值,以此放大计算得到的地震作用,来减小或抵消这种不安全因素。但是,这个放大的地震作用全部赋予了框架结构主体来承担,没有考虑填充墙的抗侧刚度以及承担的作用力,这就使结构设计偏于安全。

表1 周期折减系数

规范规定框架结构的填充墙及隔墙宜选用轻质墙体。抗震设计时,框架结构如采用砌体填充墙,应符合下列要求:砌体填充墙在平面和竖向的布置宜均匀、对称,减少抗侧刚度偏心所造成的扭转,避免形成上下层刚度差异过大;填充墙的设置,要考虑到填充墙不满砌时,由于墙体的约束使框架柱有效长度减小,可能出现短柱,造成剪切破坏;砌体砂浆强度等级不应低于M5,墙顶应与框架梁或楼板密切结合;砌体填充墙应沿框架柱的高度每隔500 mm左右设置2φ6的拉筋,拉筋伸入填充墙内的长度:6度,7度时不应小于墙长的1/5,且不小于700 mm;8度,9度时宜沿墙全长贯通;墙长大于5 m,墙顶与梁(板)宜有钢筋拉结;墙长超过层高2倍时,宜设置钢筋混凝土构造柱;墙高超过4 m时,墙体半高处(或门窗洞口上皮)宜设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平连系梁。

总之,对于砌体填充墙的布置应予以充分注意,并对建筑的不利布置提出修改意见。如再有可能时,将一部分砌体填充墙改为轻钢龙骨石膏板墙;将黏土空心砖填充墙改为石膏空心板墙等。

5 结语

框架填充墙除了起到外围护墙、内隔墙及楼梯电梯间墙体作用外,从结构角度来看,还由于框架填充墙承受了一定的支撑荷载,从而大大改善了框架结构的受力及变形性能;当钢筋混凝土框架受水平力作用时,它参与抵抗水平力,对主体结构起到斜向支撑的作用。

事实上建筑物是一个高次超静定的三维空间结构体系,各种构件以相当复杂的方式共同工作,且都并非是脱离总的结构体系的单独构件。目前,人们在具体的空间结构体系整体研究上还有一定的局限性,在设计过程中采用了许多假定与简化。作为结构工程师只有基于丰厚的专业知识,只有针对具体的工程进行细致的分析,建立符合实际情况正确的力学计算模型,恰当的设置计算参数,正确利用计算机进行结构计算,并且对所有计算结果进行合理性判别,才能做出经济科学的建筑结构体系。

[1] 郭 剑,张福明.填充墙框架结构力学性能的试验研究[J].山西建筑,2009,35(6):74-75.