抗震设计中填充墙对框架结构的影响

2014-04-09于子金

建筑与预算 2014年3期

于子金

（辽宁北方建筑设计院有限责任公司，辽宁沈阳 110014）

0 引言

填充墙框架结构是建筑工程中广泛应用的一种结构体系，由填充材料砌筑而成的填充墙，起围护或分隔作用。对大量的震害调查、理论分析和模型实验表明，在水平荷载作用下填充墙和外围框架是共同工作的，填充墙对结构的强度和刚度均有影响。

在实际工程设计中，一般把计算所得的全部层间地震剪力按照框架柱的层间侧移刚度在所有框架柱间进行分配，而不考虑填充墙分担的地震剪力。这种把地震剪力全部由框架柱承担的设计计算方法似乎偏于安全，而实际上，由于填充墙在楼层平面布置的不均匀性，将造成框架的设计地震剪力减小，从而使结构存在安全隐患。如果把考虑填充墙刚度分配到的填充墙框架剪力全部由框架承担，又会带来因内力过大而存在配筋构造复杂和不经济等一系列问题。因此，进一步研究填充墙框架的剪力分配规律、不利内力取值和设计计算方法，对完善填充墙框架的设计计算理论具有重要的工程实践意义。

1 填充墙对框架结构抗震性能的影响

根据规范的相关要求，填充墙体与主体结构之间应有充分的拉结，这种非柔性连接使得填充墙对结构刚度贡献不容忽略，仅按现行规范对结构周期进行折减是不够或不够全面。非柔性连接填充墙不仅提供了刚度，还改变了结构构件的约束条件，其对结构的影响主要体现在：

(1)减小结构周期，从而在一定程度上增大地震力。

(2)由于布置的不均匀性从而改变了结构刚度分布，平面刚度分布的不对称可能加剧结构扭转效应，竖向刚度分布的不均匀可能导致薄弱层的发生。

(3)特殊情况下，非均匀分布填充墙甚至可能改变结构的薄弱部位和破坏模式，使设计预期的破坏模式不能实现。

(4)改变了所连接竖向抗侧力构件的约束条件，从而改变了其非线性性能，层高范围内局部设置填充墙(如门窗洞口)造成短柱破坏即为典型实例。

2 填充墙框架结构破坏形式

填充墙框架结构的破坏包括框架构件的破坏和墙面破坏。当侧向荷载较小时，框架与填充墙之间就会出现界面裂缝，并且随着侧向荷载的增加逐渐在一定范围内形成一系列裂缝。框架结构构件的破坏主要是框架柱沿柱高出现裂缝或产生塑性铰，墙面及框架构件的破坏与结构的相对刚度和相对强度有关，并且砂浆的强度也是一个重要的影响因素。具体包括以下几种破坏模式：

(l)弯曲破坏填充墙框架结构发生这种破坏模式时，填充砌体与框架之间的工作性能如同组合梁，在受拉框架柱与填充墙的底部张拉开裂，这种破坏一般发生在当结构高宽比较大且底层柱配筋率较低时。

(2)填充墙体水平灰缝开裂破坏在地震发生时，在填充墙体半高处形成沿水平灰缝的滑移裂缝是这种破坏模式的主要特征。随着水平灰缝的不断发展，灰缝上部的墙体基本丧失抵抗侧向力的能力，但是下部墙体尚能抵抗侧向力，从而引起框架柱在水平灰缝高度处发生短柱破坏。

(3)填充墙体对角开裂这种破坏发生时，砌体会沿着墙体的对角线方向出现斜向开裂，有时斜向裂缝会与半高位置处的水平灰缝相交，形成填充砌体斜压杆传力机制，最终导致角区砌块压碎及水平灰缝开裂高度处框架柱的剪切破坏。

(4)水平灰缝剪切滑移破坏发生这种破坏的主要原因是砌体砂浆强度较低，其主要特征是沿水平灰缝多处出现剪切滑移。

(5)填充墙体角部压碎发生这种破坏时，其主要表现为沿对角线方向出现两条斜向裂缝，砌体压碎大多发生在角部，另外在砌体中心部位也有时出现。

概括以上破坏模式，填充墙钢筋混凝土框架在整个破坏过程中有七个特征点，按出现的先后顺序如下:

（1）墙框间界面裂隙出现：在此之前，由于拉结钢筋等的作用填充墙与框架粘着为一个整体结构，此后可认为是由两部份组成的并联结构；

（2）墙面初裂：在此之前，填充墙面及框架均无裂缝，结构处于整体工作阶段；

（3）柱子初裂：墙面裂缝在受压对角线区域开始扩展，由于结构侧向变形的不断增大，框架柱开始出现裂缝；

（4）墙面裂缝贯通：墙面裂缝沿整个墙宽基本上连续而贯通，此后结构侧移增长加快；

（5）框架柱出现塑性铰：墙面裂缝贯通后，水平荷载增量主要由框架承担，沿受压对角线方向，框架柱上出现塑性铰；

（6）达屈服荷载：结构侧移显著增加，水平荷载值略有增加；

（7）极限变形：结构侧移达一定水平后，荷载开始明显下降，可将结构此时的侧移称为极限变形特征点。

3 填充墙框架结构抗震性能的量化指标

基于性能的抗震评估的前提是结构的性能指标的确定，性能指标确定后，通过对结构进行非线性静力分析，就可以根据结构的反应与性能指标确定结构的性能水平。填充墙框架结构在水平荷载的作用下，侧移形状通常为剪切型，故用顶点位移作为结构性能水平的评价指标是不够的，还需有关位移沿高度分布的更多信息［5］。层间侧移角可不受本层层高的影响能真正反映楼层的变形程度，这就与结构的损伤程度有了量化的对应关系，故以层间位移角作为结构的性能评价指标。具体划分：

(1)墙面初裂前，钢筋混凝土框架一般不会出现裂缝，结构处于弹性工作阶段，可将墙面初裂时的层间位移角作为性能水平为基本完好时的评价指标。

(2)当墙缝连贯时，墙面及柱子虽己出现裂缝，但地震过后基本上会恢复至震前状态，墙面裂缝稍加修复及可满足正常使用要求，此时框架部分工作正常，不需修复和加固，故可将此时的层间位移角作为性能水平为轻微破坏的评价指标。

(3)当结构进入屈服阶段达到最大荷载时，由于结构在最高荷载点附近，刚度会发生骤退，结构变形将迅速加大。当达此状态时，框架构件和填充墙均出现明显损伤，结构只有经过修复才可保证其功能上的连续性和完整性。修复从经济上和人的能力上是可以接受的，故以最高荷载点时的层间位移角限值作为性能水平为中等破坏时的评价指标。

(4)当结构达极限变形时，水平承载能力迅速下降，结构侧移增加较快，建筑物的结构体系已发生较大的损伤，但与倒塌仍留有一定的余地，其修复在经济上和人的能力上是不可接受的，建筑物只能拆除，故以结构极限变形时的层间位移角限值作为性能水平为严重破坏时的评价指标。