砌体填充墙对RC 框架结构抗震性能影响的研究

彭梦龙

砌体填充墙RC 结构在我国项目建筑工程中被广泛使用，砌体填充墙在抗震功能方面表现良好，其直接决定建筑工程的抵抗地震破坏效果。现阶段，国外和国内研究人员积累和沉淀大量的模型资料，以此合理评估砌体填充墙框架结构的模型数据，例如等效压杆模型、墙框并联模型、有限元模型等。通过总结砌体填充墙RC 结构的自振周期折减系数，判断结构对填充墙产生影响，以此制定科学的抗震设计方案。

1.砌体填充墙RC 框架结构受力过程

砌体填充墙与RC 框架客观展示墙框组合结构的协同影响关系，随着地震灾害的持续发展，砌体填充墙与RC 框架在功能发挥上有明显的偏向性，但是砌体填充墙与RC 框架在相互影响下，容易呈现消耗地震能量的作用。所以，在分析砌体填充墙RC 框架结构时，需要总结四个阶段：地震作用力初期影响，本阶段砌体墙、柱受水平地震将伴随着摩擦力的产生，将导致砌体角部承担摩擦应力的影响，同时结构砌体中部也持续产生受拉限制。在弹性阶段下，填充墙成为侧向作用力的主要部件，砌体与RC 框架因为不协调关系，导致变形进一步加剧，砌体角部在受压碎裂影响下，保持框架的分离和独立。此外，导致结构墙面发生双弧线应力的影响，使沿对角方向延伸出现裂缝。框架结构在弹塑性阶段中RC 框架由于砌体墙侧向作用力的影响，将发展成为承受构建的主要部分，所以对应的墙体刚度进一步削弱，在持续恶化下容易产生贯穿裂缝，梁柱内发生裂缝现象，在裂缝持续发育作用下，荷载短期内建立峰值水平，框架结构通过承载力作用，将重新进入塑性阶段，本阶段墙框构件将摆脱砌体，进而产生破碎垮塌，随后在外部作用力的影响下，梁柱构件将逐步形成塑性铰，使用结构整体趋向破坏[1]。

2.砌体填充墙RC 框架结构破坏模式及成因

2.1 柱铰破坏

框架柱作为框架结构在地震破坏作用下的关键部件，通过保持良好的承载力功能，具备较强的抗震效果。柱铰问题发生，表明结构难以符合强柱弱梁延性的逾期标准，将影响底层出铰的完整性，甚至使柱端屈服整体倾斜产生严重的损害。调查结果显示，造成柱铰破坏成因是柱端抗弯剪能力与实际抗弯剪能力相比要更高。从工程活动角度分析，砌体填充墙、现浇楼板将大幅提升框架梁承载力影响，避免因为框架梁截面尺寸的偏差，导致后续填充墙约束力的降低。

2.2 薄弱层破坏

薄弱层破坏是指因为竖向布置的不合理，导致建筑承担地震作用力的影响和限制，在抗侧力构件部分，形成刚度和承载力的变动，进而发生塑性变形，使建筑结构产生破坏的情况。实验结果显示：薄弱层破坏作用将使砌体填充墙RC 框架安全性大受影响，显然薄弱层的作用力将对砌体填充墙布置产生直接限制。砌体填充墙在变形能力处理、结构刚度处理、破坏模式管理等方面发挥重要的功能，若墙体沿竖直方向出现不均匀分布问题，则结构层间刚度的提升将使薄弱层发生破坏和影响，因此应结合国内行业规范和标准明确界定薄弱层的标准和要求。

2.3 短柱破坏

短柱破坏功能的出现，主要是在砌体填充墙、框架柱作用力下所产生，并不局限在柱体变形位移，以此有效规避柱体计算高度问题，将其作为短柱结构。框架柱在变化成短柱后，对应的受力机制发生巨大的变动，对应的变形功能有所下降，使延性有所下降，柱体脆性剪切面临破坏的影响和威胁。就安全性的角度分析，短柱破坏与强剪弱弯设计原则和标准并不匹配，更难以满足建筑“大震不倒”标准和要求。填充墙更是短柱破坏的重点成因，不管是因为填充约束考虑不周全，还是砌体门窗洞口设计不合理，都会对框架结构延性、变形产生直接影响。

2.4 填充墙破坏

砌体填充墙能为框架结构建设提供抗震防线和保护，但是由于缓震作用的影响，往往会使RC 框架破坏效果有所递增，同时受制于布置方法、几何尺寸等因素的限制，并且需要面临对角开裂、剪切、弯曲、局部压碎等多层次的破坏和影响。从工程本身分析，砌体墙与RC框架有显著的影响关系，在砌体的破坏作用和影响下，将形成较高的受力性能，导致框架结构在形变能力、抗侧刚度等方面发生巨大的变动。目前而言，国内的规范性文件针对填充墙抗震措施有更多的要求和规定，但是因为建筑本身作用结构相对复杂，我国落后的研究手段显然与建筑发展并不匹配，导致我国并未制定关于墙体破坏、控制的相关指标。

3.砌体填充墙对RC 框架结构抗震性能的影响

3.1 水平承载力

砌体填充墙与框架结构相互影响关系最直接的表现是水平承载力的变动，砌体墙通过保持与RC 框架的相互作用力，使构件受力情况发生变动和影响，结构整体的水平承载力需要汇总不同水平承载力的总和，同时与纯框架相比有较显著的提高。通过研究和分析砌体填充墙RC 框架数据，结合拟静力试验表明，砌体填充墙RC 框架在多个阶段，对应的水平承载力与比纯框架相比有显著的提高；在组织开展低周反复荷载试验时，具体结果显示：砌体填充墙RC 框架承载力保持在纯框架66.7%；Trapani 通过选用OpenSees 软件，分析地震作用与力与框架结构的影响情况，并开展有效的模拟测试分析，最终结果有效认证相关结论。

除此之外，研究人员还客观分析和判断框架结构水平承载力的影响因素，结合调查结果表明：由于材质的差异，所以框架结构水平承载力将产生明显的变化，对应黏土砖的提升幅度相对较少，整体而言轻质砌块产生的效果更为理想；填充墙强度、填充墙刚度是造成框架结构水平承载力产生变动的主要成因，通过强填充墙框架，承载力功能更为显著；门窗洞口规模、外形、位置等，将使框架结构的破坏形态、受力性能产生显著的改变，同时进一步降低框架结构承载力水平。

3.2 刚度效应

砌体填充墙从框架结构内部出现刚度效应和影响，显然也是导致砌体填充墙RC 框架刚度产生差异的根本原因，结合当前分析结果表明，砌体填充墙有利于提升框架结构抗侧刚度，AL-Chaar 与砌体填充墙RC 框架进行振动实验，结果表明：砌体填充墙能进一步提升纯框架；Han 以数据模拟的方向进行分析，通过应用有限元法，分析砌体填充墙与框架结构抗侧刚度的相互影响关系。

研究人员利用震害调查和实验，框架内设置填充墙与抗震不一定产生直接联系，通过合理布置填充墙，能实现额外刚度、地震剪力的有效配置，以此促进结构整体抗震能力的提升。如果墙体布置不科学、不合理，刚度效应所产生的是加速框架结构破坏的消极效应。若填充墙在竖直方向无法保持均匀分布，则会因为结构层间刚度的提升，导致薄弱层发生破坏作用和影响，如果填充墙沿竖直、水平方向缺乏科学合理的布置，在刚度效应影响下，将使其扭转导致进一步破坏。

3.3 变形能力

砌体填充墙在框架结构变形处理方面效果显著，可以从层间位移角、延性指标变动两个方面分析。以填充墙框架模型试验为基础，结果显示砌体填充墙的出现，能让框架结构屈服层间位移角实现1/150 与1/275 的改变；通过深度分析后认为，由于受力阶段的不同，如果层间位移角较大时，对应的结构表面将保持较好的延性性能，能让墙框保持协同效应，整体变形能力更为明显。

实际而言，尽管砌体填充墙本身脆性良好，而通过应用RC 框架，将有利于提升支撑质量和效果。通过RC 框架与砌体墙的搭配使用，能进一步提升结构的延展性功能，有效控制结构层间位移角，以此确保梁柱构件在地震影响下有效控制损伤程度，但是并非全部砌体墙都能强化框架结构的变形效果，砌体墙体与RC 框架将保持良好的约束功能，框架柱的长度标准，框架梁有效跨度将因此而降低，结构抗剪能力也会有所下降，最后因为形变能力的限制，所以结构剪切产生破坏作用。

4.结论与展望

从建筑行业发展情况分析，国内研究人员在填充墙RC 框架结构研究中有重要的突破，本文认为砌体填充墙RC框架结构在国内有四个不同发展阶段，包括：受力管理阶段、多种破坏模式、设置砌体填充墙等。结合客观研究成果进行分析，笔者认为在未来可以从如下几个方面进行深入探索：（1）深化和补充本文的研究成果，针对砌体填充墙RC 框架结构抗震功能设计进行改善；（2）作动器、振动台的结合，提供多种加载模式，进而抗震试验砌体填充墙钢框架、轻质条板填充墙钢框架等相关结构和内容，积极探索更经济、更稳定、更安全的组合结构设计模式，为后续建筑的发展提供基础；（3）针对相关研究，组织开展精细化数值模拟活动，客观判断和分析墙框组合协同效应，研究在多个结构作用力影响下，地震荷载受力状况、抗震性能等指标，为后期的研究工作提供数据支持。