砌体填充墙对RC框架结构抗震性能影响的研究★

孙 冰 杨 鑫,2 王劲松 曾 晟 王永海

(1.南华大学土木工程学院，湖南 衡阳 421001； 2.南华大学长三角(诸暨)研究院，浙江 绍兴 311800；3.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001； 4.中国建筑科学研究院，北京 100013)

0 引言

随着社会经济的稳步增长和城市化进程的快速推进，高层建筑的大规模出现在一定程度上解决了城市人口居住问题，但也引发了人们对该类建筑能否抵御地震灾害以及能否保障人类生命财产安全的担忧。砌体填充墙RC框架作为在建筑工程中广泛应用的常见结构形式，其抗震性能的优劣直接关系着建筑工程抵抗地震破坏能力的强弱。从近年的地震震害调查[1]可以看出，砌体填充墙构件是影响框架结构受力性能的关键因素之一。目前国内外科研学者通过大量研究提出了等效压杆模型、等效平面框架模型、墙框并联模型和有限元模型等多种砌体填充墙框架结构计算模型，形成了利用自振周期折减系数来定性考虑非承重砌体填充墙影响的抗震设计方法，研究了墙体布置方式、墙体平面尺寸以及墙框连接方式等因素对砌体填充墙RC框架结构抗震性能的影响。

上述研究极大地推动了现浇框架式建筑和装配式建筑的发展与进步，使框架结构向着更有利于人类生活居住的方向改变。但由于墙框结构本身的复杂性以及在材料、尺寸和连接等方面的差异，对砌体填充墙RC框架结构受载过程的研究不够透彻，对砌体填充墙施加给框架结构抗震性能的影响探索有待深入。因此本文围绕砌体填充墙RC框架在地震作用下的变化，对结构的受力过程和破坏模式展开介绍，然后从水平承载力、刚度效应和变形能力三个方面论述砌体填充墙对RC框架结构抗震性能的影响，最后根据当前研究成果和现状对此类结构未来的发展趋势进行展望。

1 砌体填充墙RC框架结构受力过程

砌体填充墙RC框架在地震运动中的受力过程一定程度上反映了墙框组合结构的协同工作关系。地震持续发生时，砌体填充墙和RC框架发挥的作用虽有所侧重，但二者实际是在相互作用影响下协同消耗地震能量、共同抵抗水平侧向力。据此将砌体填充墙RC框架结构从受载到破坏的整个受力过程划分成四个阶段：整体阶段发生在地震作用初期，该阶段砌体墙与梁柱受水平地震分量影响产生摩擦，侧向作用力的增大不仅引发砌体角部的应力集中，还使得砌体中部处于受拉状态[2]。弹性阶段的填充墙是承受侧向作用力的主要构件，该阶段砌体与RC框架之间发生不协调变形，砌体角部受压碎裂并与框架在一定程度上脱开，同时墙面出现双弧线应力分布，导致产生沿对角方向延伸的未贯穿裂缝[3]。框架结构进入弹塑性阶段，RC框架在砌体墙无法承受侧向作用力后成为主要承载构件，此时砌体墙刚度显著降低，墙面裂缝持续发展直至形成贯穿裂缝，梁柱上出现裂缝并保持发育，荷载短时间内达到峰值[4]。框架结构在承载力出现峰值后进入塑性阶段，该阶段的墙框构件彻底脱开且砌体以破碎垮塌的形式退出工作，梁柱构件陆续出现塑性铰，结构整体处于破坏状态。

2 砌体填充墙RC框架结构破坏模式及成因

砌体填充墙RC框架结构的破坏行为极其复杂，常在地震运动中呈现出多种破坏模式。本节内容根据框架结构的典型震害特点对其破坏行为进行归纳并总结形成原因。

2.1 柱铰破坏

框架柱历来是框架结构抵抗地震破坏的关键构件，其足够的承载能力和必要的延性是保证结构具有良好抗震性能的前提。柱铰现象的出现不仅表明结构无法实现强柱弱梁的延性破坏预期，还会导致底层出铰破坏、角柱剪切破坏甚至柱端屈服整体倾斜等严重震害的产生。调查研究表明[5]，造成柱铰破坏的根本原因是柱端抗弯剪能力小于梁端实际抗弯剪能力总和，在工程中具体表现为：砌体填充墙及现浇楼板增大框架梁的承载力和刚度、框架梁截面尺寸偏大或梁两端出现超配筋以及框架柱受砌体填充墙约束作用后其有效高度减小。

2.2 薄弱层破坏

薄弱层破坏是指竖向布置不规则的建筑受地震作用影响，其抗侧力构件发生刚度和承载力的突变，导致出现塑性变形后屈服的破坏现象。研究表明[6]，薄弱层破坏对砌体填充墙RC框架的安全性能十分不利，薄弱层的产生与砌体填充墙的布置有很大关系。砌体填充墙对框架结构的刚度、变形能力和破坏模式有着不可忽视的影响，当墙体沿竖直方向不连续不均匀布置时会使结构层间刚度过大从而造成薄弱层破坏。所以我国行业规范《建筑抗震设计规范》对如何避免薄弱层出现作了明确规定。

2.3 短柱破坏

短柱破坏的发生源于砌体填充墙对框架柱产生的约束效应，这不仅限制了柱体的变形位移，还减少了柱体的计算高度使之易于形成短柱。框架柱形成短柱后其受力机制发生改变，变形能力下降，延性大幅降低，最终导致柱体脆性剪切破坏。从安全性角度来讲，短柱破坏既不符合规范明确的“强剪弱弯”设计原则，也难以使建筑达到“大震不倒”的设防目标。填充墙作为造成短柱破坏的主要因素，无论是对填充墙约束作用的考虑不足还是砌体上门窗洞口的布置不合理，都会降低框架结构的整体延性和变形能力[7]。

2.4 填充墙破坏

砌体填充墙作为框架结构的首道抗震防线，常因耗能缓震作用先于RC框架破坏。受砂浆强度、几何尺寸以及布置方式等因素的影响，砌体填充墙有弯曲破坏、剪切破坏、对角开裂破坏、局部压碎破坏和平面外倒塌等不同破坏形式[8]。工程中的砌体墙与RC框架有着复杂的相互作用关系，砌体破坏改变了构件的受力性能，进而对框架结构的承载能力、抗侧刚度和变形能力产生显著影响。现阶段我国规范对砌体填充墙的抗震措施做了明确规定，但囿于作用机制的复杂性和研究手段的落后，针对墙体的破坏及控制指标尚未出台相应条文。

3 砌体填充墙对RC框架结构抗震性能的影响

由上述框架结构的受力过程和破坏现象可知，砌体填充墙的设置改变了RC框架结构的抗震性能。因此本文从水平承载力、刚度效应和变形能力三个方面对国内外研究现状进行归纳总结。

3.1 水平承载力

砌体填充墙对框架结构的影响之一体现在对水平承载力的改变上。砌体墙与RC框架形成的复杂相互作用改变了各构件的受力机制，使结构整体的水平承载力大于各构件的水平承载力之和，且较纯框架有明显提升。熊立红[9]在对砌体填充墙RC框架开展拟静力试验后发现，砌体填充墙RC框架的不同阶段水平承载力对比纯框架均有不同幅度的提升；周晓洁[10]得到的低周反复荷载试验结果表明，砌体填充墙RC框架的水平承载力是纯框架的3/2倍；Trapani[11]利用OpenSees软件对框架结构在地震作用下的力学响应进行了数值模拟，其分析结果成功对上述结论予以证明。

此外，科研人员还对影响框架结构水平承载力的因素进行了分析调查。相关研究表明，不同材质砌体墙对框架结构水平承载力有着不同的提升效果，其中传统粘土砖的提升幅度相对较低，轻质砌块带来的综合效果更佳[12]；填充墙的强度与刚度是影响框架结构水平承载力的一大重要因素，强填充墙框架在承载力方面比弱填充墙框架表现更好[13]；门窗洞口的大小、形状以及位置对框架结构的受力性能和破坏形态有着巨大影响，能不同程度的减小框架结构的水平承载力[14]；Schneider[15]从砌体填充墙的截面尺寸入手，通过试验研究发现减小填充墙高宽比或增大填充墙厚度都能提高结构水平承载能力。

目前结构抗震领域已经形成砌体填充墙能提高框架结构水平承载力的结论，也对影响结构承载力的因素开展了大量研究，但仍有许多细节需要继续进行探索。如按经验法设计的开洞填充墙对结构整体承载能力影响如何，如何避免因应力集中引起的墙体垮塌，除经验法外还有何种理论依据能指导门窗开洞设计。

3.2 刚度效应

砌体填充墙在框架结构中产生的刚度效应，是造成砌体填充墙RC框架刚度区别于纯框架的主要原因。从已有研究分析可知，砌体填充墙对框架结构抗侧刚度的提高具有积极影响。AL-Chaar[16]对砌体填充墙RC框架开展的振动试验表明，砌体填充墙使框架结构的刚度较纯框架有很大提高；Chaker[17]通过框架结构的对比试验发现，砌体填充墙对结构刚度的提升效果是纯框架的5倍～10倍；随后Siddiqui[18]通过试验研究和理论分析指出轻质墙材更有利于提高结构整体刚度，Han[19]则从数值模拟角度入手，利用有限元法成功对砌体填充墙能提高框架结构抗侧刚度的观点进行了证明。

研究人员通过震害调查和试验研究发现在框架中设置填充墙并不一定都有利于抗震。填充墙合理布置时其产生的额外刚度正常参与地震剪力分配，对结构整体抗震能起到积极作用，当墙体布置不规则不合理，刚度效应带来的将是加速框架结构破坏的负作用[20]。如填充墙在竖向的不均匀分布会使结构层间刚度过大从而出现薄弱层破坏，又如填充墙沿竖直方向和水平方向布置不当时，刚度效应引起的抗扭刚度不对称往往会导致扭转破坏。

3.3 变形能力

砌体填充墙对框架结构变形能力的影响十分显著，具体表现在层间位移角和延性指标的变化上。童岳生等[21]对砌体填充墙RC框架结构在不同破坏状态下的层间位移角和墙体开裂后的层间位移进行了对比分析，得出填充墙对框架结构的变形性能有明显改善效果的结论；曹万林[22]通过开展填充墙框架模型试验，发现砌体填充墙的设置使得框架结构的屈服层间位移角由1/150变为1/275；廖桥[23]在分析框架结构抗震试验结果后认为，不同受力阶段特征点对应的层间位移角大或试件位移延性系数大时，结构表现出的延性性能更好，墙框协同工作能力和变形能力更优。

事实上，虽然砌体填充墙自身以脆性为主，但对RC框架起到了良好的支撑作用，砌体墙与RC框架的组合结构不仅增加了结构的延性，还减小了结构的层间位移角，使得梁柱构件在地震中的损伤大为减轻。然而并非所有砌体墙都能使框架结构的变形能力增强，一旦砌体墙体对RC框架的约束作用过强，框架柱有效长度或框架梁有效跨度因故减小，结构的抗剪能力和延性将会大大降低，最终易因变形能力不足引发结构剪切破坏。

4 结论与展望

目前业界对砌体填充墙RC框架结构的研究取得了极大地进展，本文所述的四个阶段的受力过程、多种破坏模式和成因以及设置砌体填充墙对RC框架结构抗震性能的影响仅是少数代表性成果。基于上述研究成果和事实，本文认为可从以下几个方向开展未来的工作：

1)对现阶段的研究进行补充完善，尤其是砌体填充墙RC框架结构的抗震设计优化问题；

2)通过作动器和振动台等不同形式的加载，对砌体填充墙钢框架、轻质条板填充墙RC框架和轻质条板填充墙钢框架等结构进行抗震试验，探索更经济更可靠的组合结构，为未来的建筑提供更具潜力的结构形式；

3)针对以上研究开展精细化数值模拟，分析各墙框组合的协同工作机理，比较不同结构在地震荷载下的受力过程、破坏模式和抗震性能，为后续的科学研究和工程应用提供参考。