框架填充墙破坏机理研究及其耗能设计

郑 智，古 松，雷 挺，文 霓，常晓蕾

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川省绵阳 621000)

5.12汶川大地震震害表明［1］，多数框架结构破坏中，主体结构震害较轻，作为围护结构的填充墙破坏非常严重。而现代地震新特点表明，非结构构件在大震中的倒塌破坏威胁人民生命安全，破坏建筑物内部设施，其地震中的损失比例，有超过主体结构的趋势。框架填充墙结构的抗震设计研究由来已久，工程界常采用设置构造柱或水平系梁增加填充墙整体稳定性，提高其刚度、强度及耗能能力，使填充墙成为抗震中第一道防线。但其巨大的刚度效应及布置的随意性使主体结构在大震中因为刚度突变发生破坏，这与大震下允许非结构构件合理破坏以保护主体构件的抗震理念相悖。因此，研究者试图研究出抗震性能更好，其刚度也可控制的填充墙。这需要全面掌握框架填充墙的破坏形态和影响因素，通过分析其应力分布情况，提出合理的构造措施来实现墙体刚度可调和破坏可控制。

1 填充墙破坏机制的影响因素

1.1 填充墙与框架连接方式

目前，填充墙与框架柱的连接方式分为刚性连接和柔性连接两种，柔性连接即是对填充墙与框架进行脱空处理，墙柱间缝隙用软材料填满［2］，这样处理可以基本消除填充墙的刚度效应，但也存在以下缺点:(1)稳定性差。研究表明［3］，采用柔性连接的框架填充墙构造形式，即使采用钢筋拉结也容易在强震下发生平面外倒塌。(2)柔性连接使填充墙防水、保温、隔热、隔音的性能下降，也不能运用于外墙围护结构。(3)柔性连接施工工艺复杂，技术含量高，推广性较差。因此，目前国内常采用墙与柱刚性连接，用钢筋拉结，墙顶斜砌砌块与梁连接，保证填充墙不改变梁的受力分布。刚性连接的填充墙势必增大填充墙的结构刚度，在地震作用下对框架起到支撑作用，增大了结构的承载力和整体性，抗震性能较好［3］。但地震作用下，填充墙瞬间破坏，剧烈的刚度退化引起框架较大的内力重分布，改变了结构受力设计意图，产生的次应力使框架发生预料之外的破坏［2］。两种连接方式各有利弊，鉴于施工简单，造价较低，刚性连接还是主流连接方式。

1.2 砌体材料

随着我国墙改政策的推进，在填充墙砌体材料的使用上传统黏土砖正逐步被诸如加气混凝土砌块、混凝土空心砌块等新型砌体材料取代。国内对于框架填充墙抗震性能的研究普遍选用黏土砖，而新型砌体相比黏土砖在外形和性能上有很大的不同，有必要对新型填充墙砌体的抗震性能做出研究。

填充墙的抗震性能与砌体的强度、形状以及砂浆强度息息相关。在保证砂浆强度和受力状态相同的情况下，文献［4］通过对不同砌体材料的一榀框架填充墙结构，在刚性连接、满布填充墙以及高宽比相同的情况下进行低周反复加载试验，得出如表1所示相对于空框架抗震性能的试验数据。

表1 不同砌体材料框架填充墙抗震性能参数对比Table 1 The seism ic capacity of infilled wall structures w ith differentmasonry materials

表1中P1，P2，P3分别表示采用普通黏土砖、混凝土空心砖和加气混凝土砖为填充墙材料时框架填充墙结构相对于空框架的抗震性能参数比值(延性系数除外)。从表1可以看出，不同砌体材料的框架填充墙结构在刚度、强度、延性性能等方面有显著差异，且传统黏土砖填充墙抗震性能优于轻质新型砌体框架填充墙结构。而现行关于框架填充墙的设计规定主要以20世纪80年代开展的黏土砖框架填充墙的研究成果为基础，在填充墙使用轻质砌体后使其设计偏于不安全。如震害中，大量运用空心砖的框架填充墙结构在地震作用下发生局部压碎、脱落，破坏较为严重［5］。

1.3 填充墙高宽比

在地震作用下，填充墙的裂缝沿着对角方向通过灰缝滑移形成，高宽比的不同，其裂缝发展形势有所不同，与框架之间的耦合作用也不尽相同。因此，高宽比的不同直接影响框架填充墙结构的承载能力，裂缝的发展状态也制约了刚度的退化。

相对于空框架，框架填充墙结构的刚度随着高宽比的减小缓慢减小，当高宽比超过1.5之后，刚度影响更小［6］。而对于高宽比不同的框架填充墙结构，其抗震性能也有所变化，具体试验数据如表2［4］。

表2 不同高宽比框架填充墙抗震性能参数Table 1 The seism ic capacity of infilled wall structures w ith different aspect ratios

表2中K1，K2分别表示混凝土空心砖和加气混凝土砖填充墙在高宽比1:1.5与1:2时，抗震性能各项参数比值。可见，当高宽比减小，框架填充墙结构承载力、屈服荷载、初始刚度、耗能能力都有所增大。同时，试验表明，随着高宽比的减小，位移延性系数降低，用高宽比1:1.5与1:2的混凝土空心砖、加气混凝土砖框架填充墙结构进行比较，得出延性系数分别减少了31.1%和7.7%。

影响框架填充墙破坏行为的因素除了以上3种外，还包括填充墙开洞情况和构造措施，而为了得到这些因素对填充墙更精确的影响，需要研究者做出更详细全面的理论和实验分析。

2 框架填充墙应力分布情况

在明确影响框架填充墙破坏机制因素后，需要分析填充墙在地震作用下应力分布情况，找到填充墙内应力集中部位。通过设置耗能器或者改变结构构造形式，达到人为控制填充墙破坏形态，在提高填充墙抗震性能的同时，控制填充墙刚度的突变，避免刚度效应带给结构的破坏。

文献［7］表明，一榀框架在水平地震作用下受力破坏大体可以分为4个阶段:(1)作用初期，填充墙与框架间出现微裂缝，此时，结构刚度最大。(2)填充墙与框架间形成裂缝，填充墙上一般未出现裂缝，填充墙和框架都处于弹性阶段。(3)墙面出现裂缝直至对角贯通，框架柱也开始发生裂纹。(4)荷载的继续增加主要由框架承担，填充墙裂缝滑移加剧，直至框架出现塑性铰，结构破坏。

通过有限元软件模拟在框架的顶端施加侧向力时［8］，空框架结构应力分别先后集中在柱端和梁端。在加入填充墙后，结构的应力分布图发生了改变，梁上的应力迅速减小，应力主要集中在填充墙的对角区域以及与这块区域接触的柱顶和柱底一定高度范围，填充墙承担了大部分侧向力，其主要的受力部分类似一个具有一定宽度的对角等效压杆，其示意图如图1。

图1 空框架及框架填充墙水平荷载下应力分布图Fig.1 The stress distribution of frames and with infilled walls under horizontal load

3 填充墙耗能设计趋势

为了提高作为脆性材料的填充墙抗震性能，我国《建筑抗震设计规范》［9］采用加入水平系梁或构造柱的方法，使填充墙的强度、延性大为提升，并且也增强了填充墙框架结构的整体稳定性。以上构造的填充墙滞回曲线较为饱满，耗能能力增强，开裂荷载、极限荷载都有较大提高。但是我们也意识到，此构造形式，使填充墙刚度激增。因此，在填充墙竖向、水平布置不合理的时候，会因为刚度突变形成薄弱层和扭转效应。因此，学界开始对填充墙新型耗能技术进行研究，并取得了一系列成果。

3.1 耗能器减震技术

耗能器减震技术是通过在结构物中的支撑、剪力墙以及结构物的节点或连接处设置耗能器，这些部位往往需要承受更大的应力，在小震作用下，耗能器处于弹性状态，当在强烈地震作用下，耗能器率先进入非弹性状态，结构产生较大阻尼，耗散大量的地震能量，使主体结构避免进入明显非弹性状态，从而避免主体结构在强震中大幅度损坏。

早在20世纪90年代，瞿伟廉等［10］就在填充墙顶部设置软钢耗能器和摩擦耗能器，组成耗能横缝，其填充墙与框架设为脱空连接。在小烈度地震下，耗能横缝不耗能，填充墙具有很大的刚度，而大震作用下软钢耗能器进入弹塑性滞回循环，摩擦耗能器钢板与摩阻材料间产生滑动，消耗大量能量，保护了主体结构和填充墙，具体构造形式如图2。

图2 耗能器减震设计示意图Fig.2 The aseismic design for different energy dissipators

耗能器减震技术运用在填充墙框架中，既提高了结构抗震性能，又让其对框架的刚度约束效应降到了最低。但是，该方法造价高，构造复杂，施工工艺繁琐，加大了框架填充墙建造成本。因此，该技术一般运用于要求填充墙在大震作用下不发生破坏的重要建筑中。

3.2 构造耗能技术

由于耗能器的昂贵，不可能将耗能器减震技术完全运用到民用建筑中来，为此，研究者试图通过对填充墙构造的改进，如预设滑动层、预设能起到保险丝作用的耗能构造，使得墙体如同安装了耗能器，达到“刚度可调整、破坏可控制”。

田志昌［11］等把填充墙竖直方向分为几段，每段设置一种缺口，并用牛皮纸作为隔断的水平滑移缝，如图3，当框架受地震作用时，这种填充墙主要受水平力的作用，避免了斜向的受压破坏，只造成墙体的均匀水平裂缝。实验证明这种填充墙对框架刚度贡献小，具有较稳定的滞回环，可以产生耗能减震的效果。但是这使填充墙的稳定性能下降，并且对框架的承载力的贡献也下降不少。

图3 田志昌耗能填充墙设计示意图Fig.3 The infilled wall designed by TIAN Zhi－ chang

周云［12］指出，在填充墙内设置竖向缝隙能使填充墙墙体被划分为若干墙板柱，其破坏形态会从剪切破坏型向弯剪破坏型过渡，延性将有所提高。当裂缝发展到竖向缝隙时，缝隙将隔断裂缝的进一步发展，从而避免或者延迟贯通裂缝的产生。设置横向缝隙使填充墙在水平作用下按照预设的水平缝隙发展裂缝，通过加入的耗能材料增大砌块间的摩擦和填充墙耗能能力，保护了主体结构。因此，周云提出一种满布砌体和带窗口的阻尼减震墙，见图4。

图4 阻尼减震墙设计示意图Fig.4 The design sketch of damping suspension wall

如图4所示，分别把填充墙分成若干层，砌体层之间加入黏弹性材料以增大摩擦耗能，并且每一层砌体与框架柱之间交错留缝，填充软砂浆和黏弹性材料。在结构受到地震作用时，发生层间变形，不同位置的砌体单元产生相对位移，使得黏弹性材料层发生剪切变形，从而吸收和耗散地震能量，减少或避免墙体产生破坏。但对于此结构稳定性能的评定，还需要通过试验进行进一步研究。

4 结束语

目前对构造耗能型填充墙的研究才刚刚起步，缺少对其抗震性能试验和经验验证，也没有统一的设计标准。本文通过对框架填充墙结构在地震作用下破坏机理和受力分析的归纳研究，总结了目前关于构造耗能填充墙设计的一些方案，得出以下结论:(1)柔性连接较刚性连接对框架产生的刚度效应较小，但稳定性较差。(2)普通黏土砖、混凝土空心砖和加气混凝土砖框架填充墙结构的水平承载力、耗能能力依次降低，其中空心砖初始刚度最大，延性系数最低。(3)随着框架填充墙结构高宽比的减小，其承载力、屈服荷载、初始刚度、耗能能力都有所增大，延性系数降低。(4)相比普通填充墙，通过构造耗能技术设计的填充墙抗震性能不但提高，且由于与框架柔性连接，在大震下刚度效应明显降低，加之较耗能器减震技术更廉价，值得在填充墙抗震设计中推广。

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