填充墙及其布置方式对框架结构抗震性能的影响

崔秀丽，赵桂峰*，马玉宏，谭 平

(1．广州大学土木工程学院，广州 510006；2．广州大学工程抗震研究中心 广州大学减震控制与结构安全重点实验室，广州 510405)

填充墙及其布置方式对框架结构抗震性能的影响

崔秀丽1，赵桂峰1*，马玉宏2，谭 平2

(1．广州大学土木工程学院，广州 510006；
2．广州大学工程抗震研究中心 广州大学减震控制与结构安全重点实验室，广州 510405)

针对填充墙框架结构在地震作用下的受力特点,分析了填充墙对于钢筋混凝土框架结构抗震性能的主要影响。首先，结合国内外框架填充墙结构理论和试验研究成果，总结分析了填充墙的受力特点，然后选取合适的填充墙应力-应变本构模型，并利用PERFORM-3D软件就填充墙布置方式对框架体系结构的整体抗震能力的影响进行研究，最后基于以上分析研究，指出填充墙的布置方式对于整个填充墙框架结构体系的抗震性能的影响，应尽量对称布置，以减免不必要的地震破坏；同时指出应深入研究填充墙厚度、开洞及材料性能等对整体抗震性能的影响。

填充墙；布置方式；本构模型；填充墙框架结构；抗震性能

0 引言

一直以来，对于填充墙框架结构抗震性能的研究主要集中于主体结构抗震性能的研究，而对填充墙等非结构构件及其影响研究相对较少。由于填充墙本构模型选取的不确定性、墙与框架相互作用的复杂性等，使得结构整体的抗震分析极其复杂，大多采取把填充墙框架结构简化为空框架结构来进行抗震分析,填充墙的影响通常简化为荷载来考虑。但2008年汶川地震灾害表明：由于学校等建筑使用大空间跨度，外纵墙开窗多强度降低使得“强柱弱梁”大部分没有得到实现,结构中填充墙的破坏很普遍，相关学者研究分析表明：填充墙能够增加结构的整体承载能力,增加结构抗侧刚度,提高结构整体的变形能力；但填充墙刚度效应在地震作用下容易引起薄弱层破坏和扭转破坏,填充墙的约束效应产生短柱破坏,使结构严重受损甚至出现倒塌。由于填充墙多为脆性材料,一般要先于结构构件发生破坏,从而吸收地震能量,建议以填充墙作为第一道防线开展结构整体抗震设计[1]。PERFORM-3D程序是专门针对建筑结构非线性分析的程序，它进一步完善了非线性程序中的一些功能，自身还有强大的性能评估分析功能[2]。因此,本文主要通过Perform-3D软件就填充墙布置方式对填充墙框架结构的整体抗震能力的影响进行研究。

1 填充墙的计算单元模型

填充墙的宏观模型主要是以楼层为研究对象的层模型，但是其缺点是无法反映结构在每一个构件方面的反应。1995年，曹万林就杆系模型和层模型提出了填充墙和框架并联模型，即：把框架和填充墙分开考虑，这种模型忽略了二者的相互作用，并假定地震作用完全由框架承担，在工程设计中偏于较安全。之后，Polykaov[3]基于对角线方向加载试件破坏机理的分析，首先提出将斜向传递荷载的填充墙等效为铰接于框架平面内的斜杆，此斜杆与周边框架形成斜撑-框架共同抗侧力体系。等效斜撑的概念强调框架与填充墙之间的相互作用只在填充墙受压区边界互相传递，所以填充墙的作用更像桁架系统的对角杆。该模型简单实用，参数较少，具有相对较高的精度，所以被广泛应用于填充墙的分析研究。隔震结构的主振型是一阶平动，上部结构以剪切为主，故选用填充墙剪切本构模型。本文主要采用等效斜撑墙元模型来进行对填充墙相关性能的分析，以下对该填充墙本构模型及其参数予以确定。

1.1 等效斜撑墙元模型

当填充墙与框架分离后，填充墙的作用相当于支撑在受压端的压杆。因此，Perform-3D 软件简化计算时将填充墙等效成两根与墙等厚、具有相当宽度的压杆，并通过四边形单元结点与周围梁柱节点连接，其实质是等效斜撑模型[4]。

图1 等效斜撑墙元模型 图2 斜撑本构模型

1.2 模型参数确定

(1)斜撑面积[5]

Ae=wet

(1)

(2)斜撑宽度

we=0.175(λh)-0.4w′

(2)

(3)

式中：Ei为框架材料的弹性模量；Ef为填充墙材料的弹性模量；Ic为柱正交荷载方向的惯性矩；t为填充墙和等效斜撑的厚度；h、h′分别为上、下层梁轴线间的柱高、填充墙的高度；l为填充墙的宽度；w′为填充墙的对角线长度；θ为斜撑与水平梁的夹角，θ=tan-1(h/l)。

(3)斜撑本构模型参数确定

通过对比分析大量国内外相关文献后，本文采用已经被大多专家学者认可的三折线本构模型来近似描述砌体应力-应变曲线(图2)，模型中各参数由以下公式确定[6]。

(4)

(5)

(6)

本文α取0.1。以上式中：Vm、Vy分别为极限荷载、屈服荷载；um、uy分别为极限荷载对应的位移、屈服荷载对应的位移；K0为初始刚度；fm′为砌体轴心抗压强度平均值，由2011年的砌体规范可查得；εm为与fm′相对应的应变；τs为填充墙的抗剪强度；l′、Ld分别为填充墙的长度和填充墙的对角线长度。

2 填充墙的不利布置对于结构抗震的影响

地震作用下,填充墙与框架共同工作，一方面墙体受到框架的约束，另一方面框架受到填充墙所提供的支撑作用。由于填充墙早期的刚度相对较大，以至于吸收了较大的地震作用，但其强度相对较低，从而填充墙的震害要大于框架受到的震害影响。试验研究表明[7]，填充墙在地震作用下，砌体填充墙混凝土框架的平面内破坏形式可以归纳为如下5种：①弯曲破坏；②填充墙体水平灰缝开裂破坏；③填充墙体对角开裂；④水平灰缝剪切滑移破坏；⑤填充墙体角部压碎。当填充墙布置不合理时，填充墙的刚度会使结构产生较严重的破坏，因此，本文主要探讨填充墙的不利布置对于整体结构抗震性能的影响。

2.1 填充墙的不当开洞引起短柱破坏

当沿柱高方向填充墙某处开洞时，框架柱会受到填充墙的约束作用在开洞处形成短柱，使其刚度有很大提高，而变形能力却大大降低。在地震作用下，短柱很容易发生脆性的剪切破坏，很多地震均发生过由于短柱破坏而造成的楼层垮塌现象。

2.2填充墙沿高度不均匀布置造成结构的薄弱层破坏

由于建筑本身使用功能的需要，近年来出现大量的底部大开间商混建筑，底部是大开间的公用场所，上部往往开发为普通住宅或办公室，这直接使结构沿竖向形成了薄弱层。在地震作用下，由于底层的刚度较小，从而结构的变形集中于底部框架柱，当底层延性无法满足变形需求时,结构会出现底层垮塌或整个结构的倒塌。

2.3填充墙沿平面不均匀布置产生的结构扭转效应[8]

填充墙平面布置不均匀的隔震建筑，减小结构某一方向或两个方向的侧向刚度，对整个地震响应有很大的影响。严重时还会影响到整个建筑结构质心和刚心的偏离。因此，隔震设计时，一定要对填充墙的平面布局慎重考虑，避免对抗震不利的因素的出现。

3 算例分析

为了解释填充墙的不利布置对于整体抗震性能的影响，以下面一个8层的钢筋混凝土框架结构进行抗震能力分析，抗震结构依据规范GB50011-2010，设防烈度为8度，设计基本地震加速度采用0.20 g，II类场地，设计地震分为3组，采用烧结普通砖砌筑的墙体，墙厚取240 mm,其中砖强度是MU20，砂浆强度是M10，混凝土级别为C30，纵向钢筋HRB335，箍筋HRB335。采用PERFORM-3D建立3个对比分析的结构模型，分别是水平纵横向及竖向布满填充墙模型M1、填充墙竖向不均匀布置模型M2和填充墙平面不均匀布置模型M3，并采用适合II类场地类型的EL-Centro地震波、TAFT地震波和一条人工地震波来进行相应的地震反应分析。构件模型截面尺寸及配筋如下表：

表1 模型截面尺寸及配筋

a 模型M1 b 模型M2 c 模型M3

表2 不同填充墙布置方式对结构周期的影响

由以上几种小模型的周期振型对比分析(表2)，我们可以得出以下结论：由于M1、M2、M3三种形式布置填充墙方式和墙片数量的改变致使整体质量改变，同时结构整体刚度也发生相应的变化，所以周期也会发生变化。M2相对M1结构周期变大，而M3与M1周期极为接近，因此可得：填充墙沿高度不均匀布置对周期影响较为显著，容易形成薄弱层，而沿平面不均匀布置相对影响较小。

表3 设防烈度下模型M1、M2、M3顶层加速度、顶层位移最大值

同样，由表3知：M2、M3模型在地震波作用下产生的顶层最大加速度和顶层最大位移相对M1模型都有变大的趋势，由此可知：填充墙沿高度不均匀布置会使刚度分布不均匀，底层刚度过小，从而顶层加速度和位移将会变大，并对整体结构的抗震性能都有很不利的影响；沿平面不均匀布置会使结构刚心质心无法完全重合，而容易使结构发生严重的扭曲破坏，此类型也会使顶层加速度和位移变大。

图4 层间位移角对比

由图4中结构各层在2个方向的层间位移角的对比可看出：沿纵向没有均匀布置填充墙的楼层层间位移角明显加大，并会引起临近楼层的层间位移角加大，但沿平面没有均匀布置填充墙的楼层层间位移角的变化相对较小。同时，对于该楼层M1、M2、M3三种模型的层倾覆力矩和层间剪力分别进行分析，都得出了与层间位移角极为相似的结论，故以上两方向的填充墙不均匀布置都会对结构产生很大的不利影响，尤其是填充墙沿纵向不均匀布置的情况。

4 结论与建议

填充墙框架结构具有很好的经济性和适应性，今后仍将是建筑结构设计中广泛采用的结构形式。同时，填充墙作为在地震作用下对建筑物整体影响最大的非结构构件。本文主要做了以下工作：

(1)本文对填充墙所采用的本构模型进行介绍，并对框架填充墙结构的现状及发展给予总结，并选用合理的斜撑模型来进行建模分析。

(2)考虑填充墙的布置方式对框架填充墙抗震性能的影响并对周期、顶层最大加速度和最大位移以及三种模型下分别对应地震波的两个方向下层间位移角进行分析，还对层倾覆力矩和层间剪力进行分析对比，并得出结论。

由于填充墙的多样性和与框架结构相互作用的复杂性，建议进一步开展深入的研究，深入了解填充墙和框架结构共同作用的机理，为以后更加规范、严谨地考虑填充墙的影响奠定理论基础。同时，以后的设计工作中，应尽量做到：(1)要准确选择合适的填充墙单元计算模型；(2)布置填充墙时，应尽量考虑整体结构刚度分布均匀,避免构成软弱层;(3)尽量避免形成窗间墙短柱。还应深入研究填充墙厚度、开洞及材料性能等对整体抗震性能的影响。

[1]杨伟，侯爽, 欧进萍.从汶川地震分析填充墙对结构整体抗震能力影响[J].大连理工大学学报,2009,9(5):770-775.

[2]韩富平.填充墙对弹塑性RC框架抗震结构设计及抗震性能的影响[D].广州大学，2012.

[3]Polyakov S.V. On the intereaction between masonry filler walls and enclosing frame when loaded in plane of the wall[J].Translations in Earthquake Engineering, 1960:36-42.

[4]石宏彬.框架结构填充墙影响及强梁弱柱成因研究[D].中国地震局工程力学研究所，2012.

[5]Diptesh Das, C.V.R. Murty. Brick masonry infills in seismic design of RC frame buildings: Part1-Cost implications [J]. The Indian Concrete Journal, 2004,78(4):39-44.

[6]Diptesh Das, C.V.R. Murty. Brick masonry infills in seismic design of RC frame buildings: Part2-Behaviour [J].The Indian Concrete Journal,2004,78(4):31-38.

[7]Shing P.B.and Mehrabi A.B..Behavior and analysis of masonry-infilled frames[J].Prog.Struct.Engng,Mater.,2002(4):320-331.

[8]刘建毅.填充墙框架结构基于性能的抗震评估研究[D]西安建筑科技大学，2008.

Effect of Infilled Wall and Its Arrangement on Seismic Performance of Frame Structure

CUI Xiu-li1, ZHAO Gui-feng1*, MA Yu-hong2, TAN Ping2

(1. College of Civil Engineering of Guangzhou University, Guangzhou 510006, China;
2. Earthquake Engineering Research & Test Center, Key Laboratory of Seismic Control and
Structural Safety of Guangdong University, Guangzhou 510405, China)

According to force condition of infilled frame structure under earthquake action, this paper analyzes the main influence of filling wall on the seismic performance of reinforced concrete frame structures. First, combined with domestic and foreign infilled frame structure theory and test research results, the stress characteristics of the infilled wall frame structure are summarized and analyzed. Then, with selecting filling wall stress strain constitutive model, using the PERFORM-3D software, the effect of the arrangement of the infilled wall to the anti-seismic capacity of the whole filled wall frame structure is studied. The result shows that the arrangement of infill walls have a great influence on the seismic performance of the whole filled wall frame structure, and should be symmetrical arrangement to avoid unnecessary earthquake destruction. At the same time, further study of the effect of wall thickness, opening and filling properties materials on the overall seismic performance is necessary.

filled wall; arrangement; constitutive model; infilled frame structure; seismic performance

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.03.002

2014-05-19

国家科技支撑计划项目(项目编号：2012BAJ07B02)；国家重点基础研究发展计划973项目(项目编号：2012CB723304)；教育部创新团队项目(项目编号：IRT13057)；国家基金重大研究计划集成项目(项目编号：91315301)

崔秀丽(1989—)女，研究生，主要从事填充墙抗震灾害方面的研究.E-mail：982730806@qq.com

*通讯作者：赵桂峰(1972—)男，博士，副教授，主要从事工程隔震、地震灾害预测等方面的研究.E-mail: 1766674920@qq.com

TU4

A

1003-1375(2014)03-0005-05