填充墙对框架结构影响的若干分析

王立波，赵 军，陈自凯

（安阳工学院，河南 安阳 455000）

1 填充墙在建筑工程中的应用

随着社会的发展和人类生活需求，对建筑空间的分割的灵活性逐渐增强。具有空间分割灵活特点的框架结构在建筑市场上被广泛应用，特别是需求大空间的商业楼房以及底部用于商业而上部用于住宅的建筑大都采用了这一结构，在框架结构的基础上采用填充墙来分割。

2 填充墙与框架协同作用分析

通过对大量框架结构的震害调查以及试验分析，填充墙与框架之间的协同作用可以分为以下4个阶段。①弹性阶段，两者在接触面之间形成周边的初始裂缝；②周边裂缝随着侧力增加而逐渐增大，在两者对角的接触部位发生局部碎裂，墙面也开始逐渐出现斜裂缝，但此裂缝还未形成贯通，此时的框架处于弹性阶段，而填充墙则成为抗侧力构件；③随着侧力的逐渐加大，墙面出现的微小裂缝逐渐开展，形成贯通的斜裂缝，框架柱逐渐开裂并继续发展。此时的填充墙达到其最大承侧力，框架成为其体系的主要抗侧力构件，结构处于弹塑性阶段；④结构体系达到极限状态，框架梁与柱之间出明显的塑性铰，但墙体与框架之间由于存在拉筋，一般仍不会出现倒塌。

基于填充墙同框架协同作用的机理，可以看出：在地震力作用下，填充墙在前两个阶段可以作为抗侧力构件并发挥其作用。在多遇地震情况下填充墙能起到一定的抗侧力作用，同时在罕遇地震下，也能够吸收一定的地震能量。

3 填充墙在框架结构抗震中的优势

从填充墙对框架结构的影响来看，填充墙同框架的协同作用，在结构体系破坏之前，填充墙可以作为抗侧力构件承担一定份量的水平力，带有填充墙的框架结构体系与纯框架相比，其承载力有明显的提高。从1996年朱荣华等人所做的1:2.5比例的填充墙框架结构模型的拟动力地震反应试验可以看出：砖填充墙的框架结构模型在拟动力的试验中测出无洞口时的水平承载力大小为294kN，而同比例的纯框架模型在低周的反复荷载的作用下的水平承载能力却是191kN，通过计算分析，与纯框架相比，带有填充墙的框架承载能力明显的提高了54%。

从框架结构在填充墙作用下的变形来看，鉴于填充墙与框架之间的协同作用，使得该结构体系在一定程度上具有较好的变形能力。从体系一开始加载直到破坏的过程来看，受力和变形相对来说都比较平缓，具有一定的延性。从文献［2］得出，填充墙框架结构在整体屈服时的层间位移角均值为1/275，而框架本身在明显屈服的时候位移角却为1/150左右，可见填充墙的存在对体系变形性能有很大的改善。

4 填充墙在框架结构抗震中的劣势

（1）填充墙存在可能致使结构体系的层间刚度不均匀。结构中由于加入了填充墙导致整体刚度增大，因此结构所受的水平地震力也会增加；同时因不同结构层中分布填充墙的数量及布置方式不同，必然会导致上下楼层的墙体不连续，从而引起相邻层间的刚度发生突变，这种情况对抗震来说是十分不利的。

（2）填充墙对框架柱产生附加作用。填充墙在同一结构层内，采用不同的布置方式(如填充墙的横墙、纵墙之分以及框架柱之间是否存在填充墙等)，会使水平地震力在分配上有所不同，这样会使同一结构层内的框架柱所承受的水平力有所不同。

（3）在填充墙上开洞可能会使框架柱产生“短柱”效应。因填充墙的存在使框架柱的计算高度减少，发生“短柱”效应，在地震力作用下，极其可能发生剪切破坏。

（4）结构中加入填充墙可能会使其体系发生扭转。结构的刚度中心因填充墙的加入发生偏移，从而在地震力作用下结构体系发生偏移。总之，带有填充墙的框架结构体系在地震中存在一定程度上不可忽视的震害。

5 填充墙对框架结构自振周期的影响

框架结构因填充墙的加入而致使体系自振周期发生变化，因此规范中提到在计算自振周期，应适当考虑体系中填充墙的影响，对其进行折减。例如，带有填充墙的框架结构按经验公式计算其自振周期为：

式中：H、B分别为房屋的总高度、总宽度（Lin J and Mahin SA.1985）。目前的设计往往采用的是一种物理概念比较明确，而又能够反映其体系的主要参数，并且计算方法相对简单，比如能量法以及顶点位移法。其中能量法见公式2：

式中，Gi是第i层重力荷载代表值（KN）；Δi是在各水平荷载值为作用下的第i层水平位移（m）。

式中：VFi是所分析第i层的层间总剪力；m是第i层总柱数；Kiw是所分析第i层填充墙刚度；Kiw是所分析第i层、第K根柱的侧移刚度。

从式子（2）、（3）的参数中可以看出，填充墙的刚度是否被考虑对该自振周期有一定程度上的影响。这一影响在我国规范中有所体现，结构体系的层刚度被看作是框架与填充墙的侧移刚度之和，其中《建筑抗震设计规范（GBJ11-89）》附录三给出了填充墙的侧移刚度计算公式（式4、式5）。

式中：ψik是第i层填充墙开裂程度的刚度折减系数；

Eiw是第i层填充墙砌体弹性模量；

Hiw是第i层填充墙的高度；

ψim、ψiv第i层墙洞口影响系数，无洞时取值为1；

式中：TW为填充墙柜架结构的自振周期；Tf为不考虑填充墙的柜架自振周期；α为墙框架刚度比，α=KW/Kf；KW填充墙的计入刚度，Kf是框架结构的计入刚度。

从上述阐述中可以看出框架中加入填充墙后体系的自振周期有所减小，填充墙与框架之间的刚度比决定了周期变化的大小。例如，2001年韩西对开滦煤矿的唐山矿选厂的主洗车间（结构体系为砖填充墙的多层框架结构）进行了第一振型下的自振周期计算，并与实际测定值进行了比较，如表1所示。

表1 自振周期的对比

结合计算周期公式（2），（3），框架体系考虑填充墙影响下的自振周期为：

6 结语

本文概述了填充墙在建筑工程中的应用，以及在地震作用下填充墙同框架之间如何发挥协同作用；阐述了填充墙在框架结构中的优势和劣势所在。在阅读大量文献的基础上，从理论上分析了填充墙对框架结构体系自振周期的影响，总结了框架结构在考虑填充墙影响下的自振周期计算方法，可见填充墙对框架的影响不容忽视，值得进一步研究。

［1］朱荣华，沈聚敏.砖填充墙钢筋混凝土框架拟动力地震反应试验及理论分析［J］.建筑结构学报，1996，17（4）:27-34.

［2］曹万林，庞国新.轻质填充墙异型柱边框架抗震性能研究阴［J］.地震工程与工程震动，1997，15（2）:106-11.

［3］韩西，钟厉，李博.有限元分析在结构分析和计算机仿真中的应用［J］.重庆交通学院学报，2001，（11）.

［4］王立波.考虑填充墙对钢筋混凝土框架结构影响的抗震分析［D］.太原:太原理工大学，2012.