砌体填充墙对RC 框架结构影响的研究

金焕，于松

（广东石油化工学院，广东 茂名 525000）

1 引言

砌体填充墙是RC 框架结构中不可缺少的结构构件，具有使框架结构满足绝热、隔声、围护及分隔等建筑功能要求。在结构设计过程中，RC 框架结构通常按纯框架进行设计，填充墙作为非结构构件，其自重通过梁间荷载的方式施加到梁板上，其对结构刚度的影响引入周期折减系数，整个设计过程不考虑填充墙与RC 框架梁柱的相互作用。通过实际震害及大量研究表明【1，2】，填充墙与 RC 框架间存在复杂的相互作用，容易引起框架结构超出预期的破坏机制，甚至倒塌，故仅考虑周期折减系数远远不够。

2 国外研究现状

自20 世纪50 年代，国内外学者针对填充墙对 RC 框架结构的影响开展了一系列的研究工作，历经从单层到多层、从单跨到多跨、从平面到空间、从缩尺到足尺、从静力到动力、从试验到数值模拟等。

国外的研究开展较早，进行了大量的填充墙RC 框架结构的静力及动力试验研究，分析了砌体填充墙对RC 框架结构的强度、刚度、耗能及破坏机制等抗震性能的影响。通过研究表明，填充墙与框架间存在复杂的相互作用，填充墙的存在可以改变结构的受力机制，平面内水平承载力并非填充墙与纯框架 2 部分的简单叠加。其中，Mehrabi【3】等进行了 14 个 1/2 缩尺的单层单跨RC 框架单元的水平加载试验，考虑了空心砌块和实心砖2 种砌筑材料，研究各种参数对结构抗震性能的影响，得出填充墙显著提高RC 框架结构的强度、刚度的结论，并总结出填充墙框架结构的3 种破坏机制。Stavridis【4】进行了大比例模型的低周反复和振动台试验，考虑填充墙材料及开洞的影响，提出了非线性有限元分析方法和简化评估工具。

3 国内研究现状

我国对填充墙RC 框架结构的研究，始于20 世纪80 年代，从黏土砖填充墙对框架结构的影响研究，到砌块填充墙RC 框架结构的研究，主要侧重于填充墙的材料、布置及开洞对框架结构的强度、刚度、耗能等抗震性能指标的影响。其中，李建辉、薛彦涛等【5】等进行了10 个足尺蒸压加气混凝土砌块填充墙RC 框架模型在低周反复荷载下的抗震性能试验，探讨墙体与框架连接构造、墙体本身构造措施等因素对框架整体抗震特性的影响。黄思凝和郭迅【6】进行了轻质填充墙框架结构抗震性能的振动台试验研究，研究了填充墙对结构频率衰减、刚度退化情况及层间位移角、各层放大倍数变化规律，并分析了填充墙和框架协同工作的过程。林超、郭子雄【7】进行了足尺砌体填充墙框架结构的抗震性能试验研究，对比了不同砌筑材料的影响，并提出了砌体填充墙框架结构不同抗震性能水平的层间位移角限值。

在试验研究的基础上，学者们对评估填充墙RC 框架结构抗震性能的方法进行了诸多研究，Polyakov（1956）首先提出了等效斜压杆模型简化分析方法，并进一步提出经典等效对角斜撑模型，该模型能较好地反映填充墙与框架之间的相互作用，在以后的研究过程中，大量学者开展了对此模型的研究，并为填充墙RC 框架结构的研究奠定了基础。斜压杆模型被广泛地应用，然而，该模型不能准确评估填充墙框架结构的破坏机制。目前，能体现结构破坏机制的最强大的分析方法是非线性有限元方法，包括宏观和微观有限元模型，Lourenco【8】、Al-Chaar 和Mehrabi【9】等采用连续化的宏观模型，用界面单元模拟砖和砂浆的接触面的开裂和破坏，成功地实现了填充墙框架结构的非线性性能的评估。

基于国外的填充墙简化计算模型和有限元分析方法，我国也开展了较多研究和应用，孔 璟常等【10】建立一种能够较好地模拟其平面内抗震性能的分离式有限元模型，有效地模拟出砌体填充墙的开裂模式和框架结构的失效模式。金焕【11】进行了典型双跨填充墙RC 框架单元拟静力试验，并提出了砌体填充墙微观有限元模型，定量研究了填充墙对RC 框架结构破坏机制的影响规律。孟庆利【12】提出考虑平面内和平面外相互作用的改进填充墙模型，并基于OpenSees 有限元软件，进行罕遇地震作用下纯框架和填充墙框架三维非线性数值模拟，深入研究了填充墙在框架填充墙结构中的作用及原因分析。贾明明、吕大刚【13】结合弥散裂缝和离散裂缝模型，建立了砌体填充墙RC 框架的精细化微观有限元模型，研究了填充墙与RC 框架的相互作用机制，以及填充墙RC 框架的失效模式和抗震性能。

4 规范规定

在地震过程中，填充墙的存在对框架结构具有显著的影响，各国结构设计规范不同程度地考虑填充墙的作用，但普遍将填充墙作为非结构构件进行设计。

4.1 国内规范

JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，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，当非承重墙体为砌体墙时，框架结构的周期折减系数可取0.6～0.7。

GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》规定，框架结构的围护墙和隔墙，应估计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；砌体填充墙的布置应避免使结构形成强度和刚度分布上的突变，当围护墙非对称均匀布置时，应考虑质量和刚度的差异对主体结构抗震不利的影响；填充墙在平面和竖向的布置宜均匀对称，宜避免形成薄弱层或短柱；填充墙与框架间尽量采用柔性连接或彼此脱离开，尽量采取措施减少对主体结构的不利影响。

综上，我国规范设计中忽视填充墙的作用，按照纯框架结构进行设计计算，抗震验算时通过引入周期折减系数来考虑填充墙对RC 框架结构整体刚度的影响。

4.2 国外规范

在RC 框架结构动力分析中，砌体填充墙的质量和刚度的影响是不容忽视的，国外一些规范提出了填充墙框架结构的自振周期的经验公式，来考虑填充墙的刚度影响，如希腊（1988）和法国（1990）的规范。欧洲（2003）、哥斯达黎加（1986）及以色列等规范提出采用更精确的自振周期计算公式，考虑了填充墙的竖向和水平的布置影响，对填充墙的不规则布置引起的薄弱层做了详细的规定。

砌体填充墙不但影响结构的刚度，同时，对结构的强度也存在不可忽视的作用。研究表明，填充墙与RC 框架的相对强度直接影响结构的破坏模式，填充墙的斜压杆作用容易造成框架柱的剪切破坏。因此，国外一些规范采用填充墙斜撑杆简化计算模型，考虑了不同砌体填充墙承担的地震剪力，如Eurocode8（2003）和FEMA-306 规范，提出应该考虑填充墙与周边框架相互作用，通过斜压杆计算填充墙对柱内力的影响，斜压杆宽度考虑了填充墙的尺寸及开洞等方面的影响。

5 结语

通过上述已有研究和规范分析可见，国内外关于砌体填充墙对框架结构的影响开展了大量的研究工作，取得了许多有价值的成果，填充墙对RC 框架结构的影响不容置疑，也不容忽视，研究尚存在一些问题和不足。

1）目前，填充墙对结构影响的研究侧重于相关抗震指标方面，如强度、刚度等，对受力性能和破坏机制的研究已开展但尚不深入，尤其缺少包括不同砌筑材料、开洞情况、跨间尺寸及墙-框连接方法等全面的、系统的定量研究。

2）开展砌体填充墙的定量研究，关键是建立有效可行的计算模型，既要实现计算，又要反映受力性能，目前尚未实现砌体填充墙计算模型的突破。

3）我国规范仅从整体上考虑了砌体填充墙对RC 框架结构有利的贡献，对于如何避免填充墙的不利影响做了定性的规定，但并未给出具体的、可实施的措施。