填充墙对混凝土框架结构整体性能及抗震性能的影响分析

王冬

【摘 要】在框架结构设计时，设计人员把填充墙作为荷载附加到框架的对应位置，对结构模型作纯框架处理。在框架结构地震作用下的内力和变形计算时完全忽略了填充墙的存在，使得计算所用的力学模型与实际结构有较大出入，造成了严重的抗震安全隐患。填充墙的存在或多或少的改变了框架结构的各种性能指标，结果导致由于填充墙的影响使得建筑物震害严重。同时，由于框架梁柱的存在，也对填充墙的性能造成了一系列的影响。本文就水平地震作用下填充墙对框架结构抗震性能的影響进行分析、归纳，供抗震概念设计、计算分析参考。

【关键词】混凝土；框架；填充墙；抗震

1、填充墙对框架结构的整体影响

1.1填充墙对框架结构抗震性能的不利影响

1、填充墙增大了结构地震作用

地震作用的大小与结构的自振周期有关，由于填充墙的存在造成了结构整体刚度明显增大，结构自振周期减小，地震影响系数会偏大，从而导致地震作用力增大。为此，我国《高层建筑混凝土结构技术规程》中明确规定，当非承重墙体为砌体墙时，框架结构的计算自振周期折减系数可取0.6～0.7。

2、填充墙造成框架结构产生薄弱层

填充墙的刚度影响会使填充墙框架结构竖向刚度分布不连续，从而产生薄弱楼层。为了满足底部大空间多功能建筑需要，工程中往往采用在底部少布置填充墙，甚至是架空不布置填充墙，而上部填充墙的存在极大地增加了上部结构的层间刚度，造成竖向刚度变化过大，底层处形成竖向刚度突变。在水平地震作用下，底层处内力、位移容易发生突变，形成薄弱层，对抗震极为不利。如果顶层作为会议室，没有隔墙会使顶层产生薄弱层。塑性变形会集中在项层，同时鞭端效应也会进一步增强，对结构抗震十分不利。

3、填充墙导致框架结构发生扭转破坏

在结构概念设计时规范要求剪力墙要布置满足均匀对称，尽量布置在结构外围。使平面内刚心和质心重合，增大结构抗扭刚度，避免由于地震作用产生扭转破坏。在填充墙框架结构墙体布置时也应遵循这一原则，如果增加的填充墙在结构中布置不当，将会使结构的扭转反应进一步加大。即使结构平面墙体布置对称均匀，刚心和质心在平面内重合。但是由于结构不同楼层使用功能不同，平面的刚心在竖向不在同一直线上也会造成较严重的扭转破坏。

4、填充墙刚度使结构刚度不均。

由于填充墙具有较大的抗侧移刚度，使得结构抗侧移刚度增大，结构自振周期变短。短周期结构对应设计反应谱的地震影响系数偏大，从而使得整个建筑物受到的水平地震作用增大，增加的幅值可达30%-50%。在对结构所受层间总剪力进行分配时，每一个抗侧力构件所分配到的层间剪力与其抗侧刚度成正比。对于框架结构而言在内力分析时水平剪力我们假定全部由柱子承担，每根柱子所受剪力与其D值相关。从而使得有填充墙的框架与没有填充墙的框架分配到的地震力是相等的，此结果显然是不合理的。事实上，由于填充墙对刚度的影响，没有填充墙的框架部分受到的水平力计算值偏大，而有填充墙的框架部分受到的水平力计算值偏小。

5、填充墙造成短柱破坏

框架柱的受力状况和破坏形态一般情况下属于长柱。然而，当填充墙采用嵌砖砌墙时，由于每开间墙面上均开有较宽的窗洞，填充墙没有砌筑到顶，并与框架柱紧密相接。此时填充墙（窗裙墙）对框架柱的刚性约束，减短了柱的有效长度，使它变成短柱。一方面由于该柱侧向刚度增大，承担的地震剪力增大，另一方面，短柱破坏属于脆性剪切破坏，因而在地震作用下，该柱往往容易发生脆性的剪切破坏。

1.2填充墙对框架结构抗震性能的有利影响

1、填充墙提高了框架结构承载能力

填充墙在构造上是与框架联系在一起的，两者相互作用与共同工作，这样，填充墙框架结构是作为一种组合结构体系，共同承受水平地震作用。填充墙改变了整个框架体系的抗侧力，两者相互作用，直至结构倒塌破坏以前，填充墙始终能够承担一部分水平荷载作用。实验表明，当墙面无洞口时，其抗侧力总承载能力可以提高25%以上。同时，由于框架对填充墙的约束作用，也提高了墙体的力学性能。因此，填充墙框架结构的承载能力比纯框架结构有明显的提高。

2、填充墙加强了框架结构整体变形能力

由于填充墙与框架之间的相互作用，框架受到填充墙的支撑，提高了框架结构的抗侧移刚度，限制了框架的变形，从而减小了整个结构的地震侧移幅值，即使采用轻质填充墙，带填充墙的框架结构的刚度也可以比纯框架结构大5～10倍，填充墙在一定程度上起到了剪力墙的作用，提高了框架结构的变形能力。

3、填充墙增强了框架结构耗能能力

相对于框架而言，填充墙具有很大的初期刚度，建筑物遭受地震前几个较大加速度脉冲时，填充墙承担了大部分地震力，并用它自身的变形及墙体裂缝的出现和开展，大量吸收和消耗输入建筑物的地震能量。充当了第一道抗震防线的主要“耗能构件”，使框架退居为第二道防线，减小了主体结构的破坏程度，保护了主体结构的稳定。

2、填充墙对钢筋混凝土框架结构整体性能的影响

2.1填充墙沿楼层高度布置形式的影响

大量震害及实验室数据表明，填充墙的存在增大了结构的刚度，且填充墙越多，刚度增加越多。填充墙沿楼层高度方向布置不均匀时，框架填充墙结构的受力更为复杂，沿楼层高度方向均匀布置填充墙时，结构的耗能较低，但承载能力增大，且变形减小。

2.2层数的影响

层数不同框架填充墙结构的变形情况也不相同。不同层数的两跨框架填充墙结构动力弹塑性试验说明较高的框架填充墙结构的变形曲线不同于纯框架结构，而略呈“弯剪型”的复合变形特征；结构最大反应楼层均发生在楼层中下部，高度越高的结构，其最大层间位移角略有上移趋势。

2.3开洞率的影响

根据历次震害分析，随着开洞率的增大，裂缝主要出现在与梁柱连接处的填充墙角部，容易引起主体框架的破坏；开洞较小时，裂缝主要出现在窗洞口附近的填充墙上，当遇到较大地震时可作为第一道防线从而减缓结构的破坏。所以在满足建筑功能要求的前提下，开洞率不宜过大。

总之，填充墙的存在增加了结构的整体刚度和承载能力，但减小了结构的屈服位移；填充墙沿楼层高度布置不合理易造成较大的刚度突变，形成薄弱层，对结构的抗震性能不利；框架填充墙结构越高，且其最大反应楼层有上移的趋势；填充墙开洞越大越不利，可能引起“短柱”现象，改变结构的失效模式。

3、提高框架填充墙结构抗震性能的构造措施

3.1选择合理布置形式

1、填充墙在平面内的布置宜均匀、对称地分布。

2、填充墙沿房屋竖向的分布宜上下连续、贯通。

3、填充墙的数量分布。

填充墙的数量多少，直接会影响整个结构的整体刚度。因此，为了使各层刚度能尽量接近，希望各层的填充墙数量大致相差不多，这样重量和刚度都会比较均匀，分布也会比较匀称。

3.2加强填充墙整体性及与框架协调性

构造次框架是在普通框架结构的基础上，嵌入由一定数量构造柱和构造梁形成的次框架网格，填充墙砌筑于次框架网格中。次框架网格不仅加强了框架梁、柱的联接，从而增强了主体框架的整体性，而且加强了对填充墙的约束，提高了墙体对结构抗侧刚度和承载力的贡献。

3.3填充墙开缝

填充墙进行开缝处理，从而达到削弱墙体刚度降低其承受的地震作用和提高墙体延性的目的。开缝填充墙开裂后，当裂缝发展到开缝处，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。

3.4采用耗能砂浆

可以将一些性能良好的纤维砂浆应用于抗震设防区比较重要的砌体结构的墙体砌筑，以此来提高墙体的延性，从而提高建筑的抗震性能。

4、结束语

框架填充墙作为一种非结构性的构件既不受建筑师的重视，也不被结构工程师所关注。但是历次地震灾害警告我们，框架结构中的填充墙开裂、破坏和倒塌的数量很多，造成财产损失巨大，特别是填充墙倒塌后造成人员的伤亡也不在少数。通过对本文对框架填充墙的分析总结，对于设计及施工方面能采取一定有效措施增强框架结构抗震性能，降低不利影响，使框架填充墙在地震时不再成为倒塌伤人的元凶。