填充墙对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响

郭 华

(太原理工大学建筑设计研究院，山西 太原 030024)

0 引言

钢筋混凝土框架结构平面布置灵活，可随意分隔空间，且可以满足建筑立面的变化，因此被广泛地应用于学校、医院、办公、商业以及住宅等各类型建筑的结构设计中。目前国内在对于该类型结构的抗震设计中，填充墙作为非结构构件一般不参与整体结构的受力分析，而只是将其作为荷载加在主体结构上，另外根据规范要求对框架结构的自振周期进行了适当的折减。然而，历次震害以及现有研究资料表明，在地震作用下，填充墙与框架作为协同受力构件共同参与了抗震，而且填充墙的布置对于框架结构中主体构件的内力以及整体抗震性能都有一定的影响。因此，上述的设计方法存在一定的不足，很有必要对该类型结构的整体抗震性能进行深入研究，并且在实际设计中予以改进。

1 填充墙和框架在地震中的受力特性

在地震作用下，填充墙和框架的受力特性大致经历了以下三个阶段:

1)弹性阶段:在地震作用初期，填充墙和框架均处于弹性阶段，二者协同受力，并且在接触的界面产生了初始裂缝。随着水平地震力的增加，界面裂缝也不断加大，在二者接触的对角部分有破碎现象，填充墙未出现贯通斜裂缝。此时，框架仍处于弹性工作阶段，填充墙成为主要的抗侧力构件。

2)弹塑性阶段:随着水平地震力的继续加大，墙面的裂缝不断增加并最终扩展为贯通斜裂缝，框架也逐渐出现裂缝并不断发展。此时，填充墙的抗侧力达到了极限，整个结构呈现出弹塑性受力的特性。

3)塑性阶段:填充墙吸收一定地震力并破坏后，全部水平地震力均由框架承担。随着内力及变形的增加，结构的承载能力下降并达到了极限，于是在框架构件内部陆续出现了塑性铰，整个结构受力呈现出明显的塑性特点。

2 填充墙对于框架结构抗震性能的影响

1)填充墙对框架结构刚度、变形和自振周期的影响。

大量研究分析表明，填充墙框架结构在地震作用下框架对墙体有约束作用，同时墙体也对框架有支撑作用，这种支撑作用增大了结构的刚度，同时也增加了结构的抗侧移能力，减小了结构的变形，这应该是有利的影响。同时也应该看到，填充墙竖向刚度的分布不均匀会导致结构薄弱层的出现，而平面分布的不对称则可能使结构的刚心与质心偏差较大，增加了结构的扭转效应，从而对结构产生不利的影响。例如，某些公共建筑底部为大空间的商场，而上部为小开间的写字楼或宾馆，这种结构由于底部刚度较小上部刚度较大而产生刚度突变，对于结构的抗震性能非常不利。

填充墙的设置减小了框架结构的自振周期，对此我国现行规范采用了周期折减方法来考虑这一影响，具体的折减系数与结构体型以及填充墙的类型和数量均有关系。对于钢筋混凝土框架结构，该折减系数一般取0.6～0.7比较合理。

2)填充墙对框架结构承载能力的影响。

在地震作用下，填充墙与框架两者形成整体共同作用互相约束，提高了结构的承载能力。通过大量的震害研究以及模型试验，得出了填充墙钢筋混凝土框架结构在整体上比纯钢筋混凝土框架结构的抗震性能更加优越。填充墙钢筋混凝土框架结构具有很强的抗侧力水平，二者共同工作时的抗侧力能力比填充墙和框架单独工作时的抗侧力能力之和要大。

3)填充墙对框架结构中构件内力的影响。

由于填充墙的存在，使得主体结构构件的变形受到一定的限制，并有可能减小框架柱的计算长度而使其形成短柱。这种短柱结构的变形能力和延性都较差，在地震作用下分担的剪力增加，而极易发生脆性的剪切破坏，同时也有可能改变框架柱的受力模式，使得上下柱端承受明显的附加剪力。另外，填充墙的约束作用还会增加框架梁的刚度，减小其弯曲变形，使得框架柱早于框架梁出现塑性铰，违背了抗震设计中“强柱弱梁”的设计理念。

3 结论与建议

从以上分析中我们可以看到，填充墙的设置对于钢筋混凝土框架结构的整体抗震性能既有有利的一面，也有不利的一面，这就要求每个结构设计师在实际工程设计中对结构整体以及各个构件的抗震性能进行认真分析，并采取合理的措施避免由于填充墙的设置而对主体结构造成的不利影响。对于上述提到的填充墙对于框架结构抗震性能各个方面的影响，现行规范并未给出明确的计算方法，因此在实际工程中应加强概念设计，主要做到以下几个方面:

1)填充墙的布置应尽量满足平面对称均匀，竖向刚度连续不突变，以避免结构在地震作用下产生扭转以及薄弱层的破坏。如果由于建筑功能的要求而不能满足时，可采用调整墙体材料，局部加强刚度等方法来实现。

2)避免由于填充墙(如窗下墙等)的设置而使框架柱形成短柱，如果由于建筑要求的填充墙洞口而无法避免时，应对该短柱按照规范相应要求采取加强措施，如箍筋全高加密等。

3)在框架梁的抗震设计中，应通过构造加强措施增加其抗剪刚度，减少剪切破坏。

4)按照规范要求，合理设置拉结筋，加强填充墙与框架结构的连接，增强协同工作能力，提高结构的整体抗震性能。

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