RC 框架结构中砌体填充墙的利弊分析及建议

金焕，于松

（广东石油化工学院，广东 茂名 525000）

1 引言

砌体填充墙在建筑结构中具有隔热、保温、分隔及围护等功能，是RC 框架结构中不可替代的结构构件。目前，在RC 框架结构设计过程中，我国规范按照纯框架结构进行设计计算，砌体填充墙作为非结构构件考虑，抗震验算时通过引入周期折减系数来考虑填充墙对结构刚度的贡献，而忽视地震作用下填充墙对框架梁柱受力性能的影响。通过实际震害及大量研究表明【1～3】，砌体填充墙与RC 框架柱间存在复杂的相互作用，有利有弊，仅考虑周期折减系数是远远不够的。

目前，国内外对RC 框架结构砌体填充墙开展了大量的研究工作，从试验到理论，从框架单元到空间框架，取得了许多成果。研究成果表明，砌体填充墙四面受RC 框架约束，二者之间存在复杂的相互作用，一方面，可以显著提高框架结构的抗侧刚度、水平承载力及耗能能力；另一方面，填充墙的刚度效应及约束效应改变了结构的破坏机理，易引起结构产生超出预期的破坏机制，甚至倒塌。

2 砌体填充墙有利的影响

填充墙砌筑材料具有隔声、绝热、防水及经济等方面的优势，被广泛应用于实际工程中，对结构起围护、保温和分隔等作用。砌体填充墙通常由混凝土砌块、加气砌块、空心砖等块材砌筑而成，是RC 框架结构不可替代的结构组成部分，对建筑结构的抗震性能具有一定的贡献。

1）砌体填充墙可以显著提高框架结构的刚度，约束框架结构的水平变形，减小结构整体水平地震侧移。林超与郭子雄【4】进行了4 榀单层单跨足尺填充墙框架水平低周往复荷载试验，得到了纯框架及不同砌筑材料的填充墙框架单元的骨架曲线，通过分析表明，砌体填充墙显著提高了框架结构的刚度和水平承载力，不同类型砌体填充墙使纯框架单元的初始刚度提高 2.45～2.90 倍，水平承载提高 1.1 倍左右。金焕【5】进行了4 个1/2 缩尺的单层两不等跨填充墙框架伪静力试验，同样验证了砌体填充墙对RC 框架结构刚度和水平承载力具有明显的贡献。

2）在地震作用下，由于砌体填充墙为RC 框架结构提供了较大的侧移刚度，能够承担一定的水平地震剪力，因此，填充墙参与了整体结构的抗震。由于填充墙一定程度上分担了主体结构的地震作用，从而改变了结构的层间剪力分配状况，减小了框架部分承担的地震剪力，提高了框架结构在地震作用下的安全性和结构的抗震承载力。

3）砌体填充墙作为框架结构抗震的第一道设防，首先承受地震作用而开裂破坏。砌体填充墙由于具有较大的初始刚度，加载初期承担了大部分的水平地震剪力，由于填充墙的强度较弱，首先出现开裂和破坏，消耗了地震能量，如图1所示。当砌体填充墙开裂破坏后，地震作用主要由框架来承担。因此，填充墙是第一道抗震防线，而框架为第二道抗震防线。2008 年汶川地震震害分析表明【6】，部分未倒塌的RC框架结构，正是由于布置了砌体填充墙，增强了整体结构的抗震承载能力，从而未出现结构倒塌，如图2 所示。因此，合理布置填充墙不仅可以显著提高框架结构的抗震能力，还可以作为结构抗震的第一道防线，使RC 框架结构形成具有2道抗震防线的结构体系。

图1 砌体填充墙的震害情况

图2 砌体填充墙RC 框架结构的震害情况

3 砌体填充墙有利的影响

2008 年5·12 汶川大地震中，RC 框架结构突出地表现出“强梁弱柱”“薄弱层”及“短柱失效”等一系列超出预期的填充墙关联失效破坏机制，甚至引起结构倒塌。大量震害分析和试验研究表明，其中主要根源之一是填充墙的不合理设置，忽视了砌体填充墙与RC 框架间的相互作用。

1）砌体填充墙对框架柱产生了刚度效应，当填充墙竖向布置不均匀时，易引起结构抗侧力构件的刚度和承载力不连续或不均匀，形成薄弱层或扭转。研究表明，填充墙可以显著提高RC 框架结构的侧移刚度和水平承载力，提高了结构的抗震性能，但当填充墙布置不合理时，易引起局部刚度或承载力突变。如图3 所示，底层薄弱，形成上刚下柔的结构体系，对结构的抗震十分不利，导致典型的“薄弱层”破坏机制。如图4 所示，某住宅楼结构底部2 层为实现大开间未设填充墙，导致底部两层刚度和承载力较上面各层小很多，结构的侧移集中于底层，形成薄弱层，上部结构下坐垮塌，5 层的建筑变成3 层。

图3 上刚下柔

图4 “薄弱层”破坏

2）砌体填充墙对框架柱产生了斜压杆效应，当填充墙满跨布置时，填充墙与框架受压对角区域内，形成了填充墙斜向受压区，如图5 所示。框架柱顶由于受满布填充墙的斜撑作用，墙柱接触节点处内力重新分配，框架柱顶产生较大的剪应力。框架柱顶在压应力及剪应力的共同作用下，产生了剪切斜裂缝，从而导致框架“柱顶”剪切破坏，形成非常不利的“柱铰”破坏机制，如图6 所示。

3）砌体填充墙对框架柱产生了约束效应，当填充墙局部设置时，框架柱下段由于受到填充墙的约束，降低了上部自由段框架柱的计算高度，形成了典型的约束短柱效应，如图7 所示。框架柱由于受到下部填充墙的约束，侧向变形能力减弱，柱中内力重新分布，框架柱顶受到较大的剪力，降低了框架柱的剪跨比，从而导致框架柱产生“短柱”剪切破坏，如图8 所示。

图5 斜压杆效应

图6 “柱铰”破坏

图7 约束效应

图8 “短柱”破坏

4 抗震建议

由上述分析可见，砌体填充墙是RC 框架结构中无法替代的结构构件，对框架结构的影响有利有弊。填充墙引起框架结构产生超出预期的破坏机制，关键是结构设计过程中，将填充墙作为非结构构件，我国规范尚未建立填充墙合理有效的计算模型。因此，探索如何避免填充墙对RC 框架结构不利影响的抗震措施是十分必要的。

GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》13.3.4 条明确规定【7】：我国钢筋混凝土结构中的砌体填充墙，尚应符合下列要求：填充墙在平面和竖向的布置，宜均匀对称，宜避免形成薄弱层或短柱。由此可见，我国规范仅从宏观上对该问题做了定性的规定，如建议填充墙宜优先采用轻质砌块材料，应采取措施减少对主体结构的不利影响，但并未对“如何避免”提出具体措施，令设计工作者束手无策，对填充墙的考虑无依据可循。

4.1 “薄弱层”破坏机制

“薄弱层”破坏机制产生的主要原因是填充墙引起刚度不均匀，而在框架结构设计过程中，填充墙作为非承重构件，不参与结构设计计算，仅考虑填充墙的自重。GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》对于薄弱层的规定已经非常完善，因此，填充墙引起薄弱层的问题可以按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的规定，通过刚度验算来避免填充墙的影响，详见3.4 条建筑形体及其构件布置的规则性及5.5 条抗震变形验算。

4.2 “柱铰”破坏机制

填充墙与框架的连接方式主要有2 种，一种是柔性连接，填充墙与框架柱脱开一定的缝隙，墙与柱间无接触面，不传递挤压力、剪力；另一种是刚性连接，填充墙与框架柱不脱开，填充墙与框架柱的接触面上存在相互挤压力及剪力，填充墙类似于斜压杆的作用，属于刚性连接。GB 5003—2011《砌体结构设计规范》【8】6.3 条对框架填充墙与框架柱之间的2 种连接方式的构造要求做了详细规定，并建议当有抗震设防要求时宜采用填充墙与框架脱开的方法，而GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》仅对刚性连接做了规定。通过调查分析表明，实际工程中填充墙与框架间普遍采用刚性连接。

填充墙引起框架“柱铰”破坏机制的主要原因是填充墙与框架柱不脱开，紧密接触，当水平荷载作用时，二者间存在复杂的相互作用。当填充墙的强度越大，填充墙斜向受压区传递给框架柱顶的剪力越大，当框架柱顶抗剪承载力不够时就引起框架柱顶的剪切破坏。通过分析表明，为避免“柱铰”破坏，一方面可以采取填充墙与框架柱完全脱开的抗震措施，同时选用轻质砌块填充墙，避免填充墙对框架柱产生不利的影响；另一方面可以提高框架柱的抗剪承载力，如柱端箍筋加密、碳纤维加固等。

4.3 “短柱”破坏机制

“短柱”破坏机制产生的主要原因是填充墙对框架柱产生约束效应，因此，为了避免填充墙与框架柱的相互作用，同样可以采取填充墙与框架柱完全脱开的抗震措施，墙-柱相接处以伸缩缝预留空隙隔离，使柱子维持原正常设计高度，以符合原设计考虑。目前，在结构设计过程中，软件设计还不完善，在进行电算时，无法自动判别是否为短柱。通过研究表明，对于开通窗或窗间墙宽度较小，容易引起框架短柱破坏的情况，建议设计人员按照短柱进行设计，将框架短柱部分的箍筋加密，提高抗剪承载力，避免短柱效应。

5 结语

本文基于填充墙对RC 框架结构影响方面的研究成果，通过深入分析，得出以下结论：

1）砌体填充墙对框架结构的影响有利有弊，是RC 框架结构中无法替代的结构构件，将填充墙作为非结构构件进行设计显然不合理，填充墙的作用不可忽视。

2）填充墙对框架结构不但产生了刚度效应，而且产生了斜压杆效应及约束效应，从而改变了结构的破坏机理，引起“薄弱层”破坏、“柱铰”破坏及“短柱”破坏机制，甚至引起结构倒塌。

3）结构设计过程中，RC 框架结构可采取相关抗震措施，如采用轻质砌块、刚度验算、墙-框柔性连接及提高抗剪承载力等，来规避填充墙对框架结构的不利影响，避免引起框架结构产生超出预期的破坏机制。

4）我国填充墙的计算模型尚不完善，规范中并未做出相关规定，因此，需要进一步开展填充墙简化计算模型的研究以及填充墙影响的定量研究，充分发挥填充墙的优势，减少填充墙的弊端。