填充墙在框架结构抗震性能方面的影响研究

毛 锐，李兆惠，李 可

(1.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳621010;2.四川省建筑设计院，四川成都610036)

2008年5月12日发生在汶川的8.0级大地震造成了巨大的生命和财产损失，也带给了人们沉痛的经验和教训。通过对汶川大地震震害的分析，发现了很多框架结构中由于填充墙的原因而造成破坏。目前的框架结构设计通常只考虑填充墙的重力以及填充墙对结构周期的影响。然而，在侧向力作用下，填充墙的“刚度效应”和“约束效应”会对结构的抗震性能造成影响。填充墙在竖向分布不均匀会导致结构存在薄弱层;填充墙在水平面内分布不均匀可能造成“扭转效应”;窗下填充墙对附近框架柱的约束作用导致“短柱效应”［1］。因此，在设计中若忽略填充墙刚度贡献则存在较大的安全隐患。本文运用大型有限元分析软件ANSYS对框架结构进行分析计算，通过计算结果的对比，分析了填充墙在框架结构抗震性能方面的影响［2］。

1 计算模型的建立

1.1 计算模型平面布置

计算模型选取某六层框架结构房屋，第一层层高为5 m，以上各层均为3 m，抗震设防类别为乙类，框架柱截面尺寸为500 mm×500 mm，框架梁为250 mm×500 mm，楼板厚度为120 mm。结构中钢筋均采用Ⅱ级钢筋，混凝土剪力墙墙体纵、横向配筋率均为0.5%。各种计算模型平面示意图如图1。

图1 计算模型平面示意图

1.2 计算单元参数

本文三维实体模型中墙体采用Shell63单元，框架柱和框架梁采用Beam188单元。文中的混凝土构件根据《建筑结构荷载规范》［3］、［4］中关于材料属性的规定，钢筋混凝土构件采用刚度EI等效的整体式模型［5］。其具体参数如表1。

计算模型采用三维有限元模型，采用的方法为由低图元向高图元建模。在网格划分中，本文划分成的单元均为四面体。图2～图5为整体模型单元划分以及边界条件示意图。

表1 各构件的单元选用及相关参数

1.3 计算模型的选取

1.3.1 传统框架模型

模型只建框架柱、框架梁和楼板，填充墙视为线荷载加在梁上，不考虑填充墙的刚度，模型如图2。

1.3.2 等效单杆模型

等效单杆模型是将填充墙视为与墙材性相同的杆单元，对角斜撑杆铰接于框架平面，与填充墙厚度相同，有效宽度取对角线长的1/10。此斜杆只承受压力不承受拉力，形成斜撑杆与框架共同工作的抗侧力体系。等效单杆模型简图如图3。

1.3.3 等效三杆模型

等效三杆模型模拟实际的框架填充墙结构，可以反映框架梁、柱的刚度、变形和内力分布特点，以及填充墙约束框架侧向变形时所发挥的对角支撑作用。等效三杆模型如图4，支撑面积计算公式如式(1):

图2 传统框架模型

图3 等效单杆模型

图4 等效三杆模型

1.3.4 填充墙元模型

填充墙元模型是用有限元的方法对框架结构中的填充墙进行模拟。这种计算模型除能较好地反应整体的结构性能，这种方法需要进行大量的计算和时间，由于仿真条件的限制，此种方法的计算也无法完全反映实际的结果。填充墙元模型简图如图5。

1.4 模态分析

本文运用ANSYS中的子空间法，对上述4种有限元分析模型进行模态分析，得到了各种模型的前6阶阵型的周期，见表2。

2 结论

图5 填充墙墙元模型

表2 各模型不同振型周期对比

(1)通过对四种模型的计算，填充墙等代成斜支撑后刚度减小，而周期也随之增大。

(2)将填充墙等代为斜杆支撑后，等效单杆模型与传统框架模型的周期比值为0.7左右;等效三杆模型与传统框架模型的周期比值为0.6左右;填充墙元模型与传统框架模型的周期比值为0.4左右。故对传统计算方法中周期折减系数在本算例中应取0.4～0.7。

(3)在设计中忽略填充墙刚度贡献会存在较大的安全隐患;而在设计中考虑的周期折减系数应该由框架结构中的填充墙具体数量具体分析，不应概而论之。

［1］淡浩，张瀑，鲁兆红.填充墙刚度对框架结构抗震性能影响的定量分析初探［J］.四川建筑科学研究，2010(5)

［2］童岳生，钱国芳.砖填充墙钢筋混凝土框架房屋实用抗震计算方法［J］.建筑结构学报，1987(1)

［3］GBJ11－89建筑抗震设计规范［S］

［4］GB50009－2001建筑结构荷载规范［S］

［5］吕西林，金国芳，吴晓涵.钢筋混凝上结构非线性有限元理论与应用［M］.同济大学出版社，1997:72