带填充墙RC框架结构抗震性能分析

蒲秀娟

填充墙框架结构是目前在民用住宅和商业建筑中广泛采用的结构形式,填充墙起到围护和分割空间的作用,通常在设计中,将其考虑为附属结构。现行规范规定,在设计中,将填充墙考虑成荷载施加到框架主体结构中计算,并且考虑了填充墙对结构周期的影响,对结构的自振周期乘以折减系数来考虑填充墙的不利因素。根据近年来的震害分析和诸多学者关于填充墙框架结构的研究,这样考虑填充墙是不完善的,与填充墙框架结构的实际受力和变形模式有较大差异,应该进一步分析。

1 结构破坏形式

由于结构竖向刚度不均匀或产生突变,易形成薄弱层。如:现在很多建筑物在地下几层设置停车场或商场,这都需要大空间,则在这几层大量减少了填充墙的布置,造成这几层刚度减小,因此薄弱层的层位移远大于相邻层,甚至超过规范规定的最大层位移,发生因层位移过大或层转角过大而结构破坏的情况。又因为水平荷载作用下,结构受到的剪力是随高度增大而减小,因此底层薄弱层现象最明显。经ANSYS建模分析,输入Taft波,峰值0.8g,底层薄弱层结构的位移远大于其他层位移,当顶层还未达到强的非线性变形,底层已进入强的非线性变形。

措施:在薄弱层增加柱子截面尺寸或增加墙体厚度,以补给因减少墙体数量而减少的刚度。

1.1 平面不规则产生的扭转破坏

这是由于平面构件布置不对称、均匀,以至于结构的质量中心和几何中心不重合,在水平力作用下产生扭转效应。

措施:平面布置尽量均匀,构件沿周边分布越多,则增大了结构扭矩抵抗矩的力臂,结构的抗扭刚度和抗扭强度越大。

1.2 短柱破坏

现在建筑中为满足美观的要求,开窗面积越来越大,开通窗的情况更是普遍,然而这种结构形式改变了结构的受力和变形模式,与计算所采用的纯框架模型有很大的差异。在做结构设计时,为满足抗震设防的要求,构件都要满足延性的要求,框架柱一般都设计为长柱,如果开通窗,窗上下部的墙体约束了柱的变形,使柱的计算长度变短,成为短柱,短柱的刚度较大,分配到的剪力较多,且短柱在地震作用下两端易形成塑性铰,使柱由原来的弯曲延性破坏变成了剪切脆性破坏(见图1),这种破坏没有征兆,且柱的破坏给结构带来的影响严重,不满足抗震的三水准设防要求。

措施:沿柱设置加密箍筋,并单独分析是否满足承载力要求。

1.3 短梁破坏

这种破坏主要发生在门窗洞口上部,洞口两边的墙体和梁共同工作,给梁以支撑的作用,限制了变形,减小了梁的计算长度,洞口上部的墙和梁共同工作,增加了梁的计算高度,成为深梁,这种梁也易发生剪切脆性破坏(见图2)。

措施:按照规范设置洞口位置和开洞面积,不要过大,如果设计中遇到了短梁短柱应再次验算,以防发生这种脆性破坏。

1.4 墙身破坏

在震害分析中,填充墙压碎或墙体平面外倒塌也是比较普遍的(见图3),虽然这种破坏不会使主体破坏或产生结构倒塌的严重事故,但是,墙体破坏所带来的人员伤亡和财产损失也是很严重的,而且对震后维修影响较大。

措施:按照规范要求:墙长大于5 m时,墙顶与梁宜有拉结;墙长超过层高2倍时,宜设置钢筋混凝土构造柱;墙高超过4 m时,墙体半高宜设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平系梁;墙体和框架设置拉结钢筋、剪力键,增强其整体工作性能,改变传力机理和破坏模式。

2 填充墙对结构抗震性能的影响

2.1 填充墙对结构刚度的影响

经过大量学者的理论和实验证实,填充墙能增大结构的侧移刚度。水平荷载作用下,结构的变形分为弯曲型变形和剪切型变形,通过两种情况下力和位移的关系,可总结出比较合理的侧移刚度公式:

其中,β为墙面变形模量的降低因素,β≤1,当为弹性时取号等;H和Hw分别为框架和填充墙的高度;k为填充墙的剪切系数,取k=1.2;Ae,Ie分别为填充墙水平截面的有效截面面积和有效截面惯性矩;αc为框架对侧移刚度贡献的大小系数。

由此式可看出填充墙框架结构的刚度是由填充墙和框架两部分刚度组成的,填充墙早期刚度较大,能吸收较大的地震能量,但是其本身强度不高,先于柱破坏,随着墙体的开裂,墙体对结构的刚度贡献减小,因此,在考虑填充墙刚度时要乘以折减系数,规范推荐采用:

2.2 填充墙对结构周期的影响

由于填充墙和框架结构共同工作,减小了结构的侧向位移,增大了结构的抗侧刚度,放大了结构的地震作用,使结构自振周期缩短。实际计算填充墙框架的周期是可以按照能量法推导出的公式(4)来考虑:

2.3 承载力的影响

1)洞口的影响:当无开洞口的整面墙体和框架共同工作时,承载力可提高40%,随着洞口开洞面积越大,承载力贡献就越小。Benjamin和Williams将洞口设置在填充墙中心,洞口高度为1/3层高,跨度为1/3跨度时,承载力减少50%(见图 4)。

本文建立单层单跨模型进行ANSYS有限元非线性分析(见图5),模型采用分别考虑不同的开洞形式和开洞率对结构极限承载力的影响。结果表明随着洞口面积的增大,结构的极限承载力越低;同样开洞率情况下,开门洞比开窗洞承载力更高(见图6)。

2)墙体材料也会影响到承载力:Parducci和Mezzi通过对不同种类填充墙材料的结构承载力影响分析,表明实心砌块的承载力高于空心砌块的承载力。Dawe通过试验表明,在降低混凝土空心砌块强度18%后承载力降低15%,降低砂浆强度后,结构的开裂荷载下降43%,极限荷载下降26%。

3)竖向荷载可提高结构的承载力,Stafford Smith在试验中将竖向均布荷载作用在单层单跨钢梁上,发现竖向荷载不超过填充墙竖向承载力的40%～60%时,结构水平承载力明显提高,若竖向力过大,结构水平承载力反而降低。Valiasis和Stylianidis也通过实验得到近似的结论。

4)墙体的配筋率对结构承载力有影响:Jurnia通过实验分析得到,当砌体竖向与水平向配筋率分别为0.24%和0.054%时,结构承载力提高0.47倍。

5)梁柱线刚度比和墙体厚度对结构承载力影响不大。

3 结语

1)设计中要综合考虑填充墙的有利和不利因素。2)在结构布置时,要满足抗震要求,在平面和竖向都要均匀布置。3)设计中避免形成短梁短柱,如果不可避免要单独分析。4)加强墙体和框架的连接,设置构造柱,水平系梁,加强共同工作性能,防止在小震和中震时墙体破坏和平面外破坏。5)适当增加墙体的配筋率。6)改变传力路径,适当增大结构竖向力,有利于结构抗侧力。

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