含预制内嵌外围护墙装配式剪力墙结构抗震性能计算分析*

赵德鹏，周 剑，田春雨，潘冰洪，刘 嵘

(1 华润置地有限公司， 深圳 518057； 2 中国建筑科学研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

目前，我国正大力推广装配式建筑，其中住宅建筑常采用装配式剪力墙结构体系。实际工程中该体系外墙一般存在一定数量的非承重围护墙，且一般为预制混凝土内嵌形式。当围护墙与剪力墙分别独立预制时称为独立式内嵌外围护墙，当二者整体预制时称为一体式内嵌外围护墙，具体构造详见文献[1]。

预制内嵌外围护墙刚度大且与主体结构连接较强，目前设计时未能合理考虑其对主体结构的影响，导致结构可能存在安全隐患。从已有对非承重墙的研究来看，砌体填充墙应用最为广泛，其对主体结构抗震性能的影响成为研究热点[2]。国内外学者一方面通过拟静力、拟动力及振动台试验就其对主体结构抗震性能的影响进行研究[3-5]；另一方面对整体结构进行模拟计算并结合理论分析，研究填充墙的影响并提出结构设计方法及构造措施[6-8]。文献[9-11]对装配式剪力墙结构中非承重墙进行了研究，但墙体形式单一且研究内容不够全面。

图3 7度区项目标准层平面布置图

笔者针对预制内嵌外围护墙，提出了优化构造，并通过对包含内嵌外围护墙的剪力墙试件进行拟静力试验，研究了围护墙对主体结构构件抗震性能的影响[1]。为全面研究预制内嵌外围护墙对结构抗震性能的影响及为采用此类外围护墙的结构设计提供依据，本文在试验研究的基础上，选取典型的含有此类围护墙的工程项目作为案例，通过对整体结构进行弹性分析和弹塑性分析，研究围护墙对整体结构抗震性能的影响，并提出设计建议。

通过对实际工程调查发现，工程中围护墙的典型形式包括窗下墙、窗侧墙、窗间墙及结构洞墙(图1)。 由于装配式剪力墙结构底部加强部位一般采用现浇形式，因此这些部位的非承重外围护墙一般仍采用传统做法。此外，本文所研究的装配式剪力墙住宅结构中，内部非承重填充墙相对外墙而言数量较少，一般也采用传统做法。对传统做法的非承重墙，由于其对主体结构的影响相比混凝土墙而言要小很多，因此本文计算分析中未考虑。

图1 内嵌外围护墙典型形式

根据文献[1]研究结果可知，一体式内嵌外围护墙和独立式内嵌外围护墙对主体结构的影响和破坏模式基本一致，故本文仅以独立式为例进行介绍。

1 计算分析方案

1.1 项目信息

针对独立式构造内嵌外围护墙，按抗震设防烈度7度和8度，选取1个8度区项目和2个不同高度的7度区项目，项目标准层平面布置见图2，3，虚线圈处为采用内嵌外围护墙的部位，对7度区项目1和8度区项目，图中仅给出对称平面的一半。其中7度区项目1地上26层，层高3m，结构高度约80m，相对较高；7度区项目2地上16层，层高3m，结构高度约50m，相对较低；8度区项目地上18层，层高2.8m，结构高度约50m。各项目均为装配式剪力墙结构住宅项目，建筑结构安全等级均为二级，结构设计使用年限均为50年，抗震设防类别均为丙类。各项目主要设计参数见表1。

图2 8度区项目标准层平面布置图

各项目主要设计参数 表1

1.2 计算软件及流程

首先，采用PKPM软件中的SATWE模块建立不含围护墙的模型并进行弹性计算和配筋；然后在不含围护墙模型中加入未优化的围护墙形成含未优化围护墙的模型，加入采用优化构造的围护墙形成含优化围护墙的模型，具体操作在ETABS软件中进行，并采用该软件对各模型进行弹性分析。最后利用SAUSAGE软件将3种弹性模型转换为弹塑性模型，并对各模型进行弹塑性时程分析。以8度区项目为例，各项目采用不同软件建立的计算模型如图4所示。

图4 项目计算模型

基于含未优化围护墙的模型，按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[12](简称《抗规》)选取地震波，共选取2组天然波和1组人工波，波长均为20s，每组地震波包含主向波和次向波。以7度区项目1为例，所选3组地震波的主向波反应谱与规范反应谱对比如图5所示。

图5 地震波反应谱对比

1.3 围护墙模拟方法

在计算模型中，围护墙均采用壳单元模拟，壳单元的厚度根据围护墙实际厚度确定。对于填充聚苯板范围内的围护墙，其厚度取聚苯板两侧混凝土的厚度之和，对于无聚苯板的部位，围护墙厚度同结构墙厚度。模型中假定预制和后浇混凝土协调变形，不考虑二者接缝的影响。

对优化构造围护墙，其与主体结构相接处墙厚仅为40mm，计算模型中相接处的壳单元厚度即取40mm。弹塑性分析模型中，对模拟围护墙的壳单元按其实际配筋构造输入相应的配筋率，以模拟围护墙内钢筋的作用。不同软件中的围护墙模型见图6。

图6 不同软件中围护墙模型

2 弹性分析

2.1 模态

采用ETABS软件计算的整体结构前3阶周期T1～T3及振型见表2，表中各项目均同时计算了不含围护墙的模型(简称模型A)、含未优化围护墙的模型(简称模型B)和含优化围护墙的模型(简称模型C)。

结构周期及振型 表2

对各项目，由表2可知：1)与模型A相比，模型B以X向平动为主振型的扭转分量增加，周期减小为模型A的0.66～0.82倍，同时扭转振型的X向平动分量增加。这是由于结构中X向围护墙数量一般较多，且南、北侧布置一般不均匀。2)与模型A相比，模型B的Y向平动振型一般不变，周期减小为模型A的0.75～0.96倍。这是由于结构中Y向围护墙数量一般很少或没有，且一般对称布置。3)与模型B相比，模型C的周期略有增大，说明采用优化构造后围护墙对结构的刚度影响略有减小。

2.2 层间位移角

在ETABS软件中，采用反应谱法(按单向地震)计算的对应于水平地震作用标准值的结构层间位移角分布如图7所示，其中模型A考虑周期折减，周期折减系数详见表1。

对各项目，由图7可知：1)与模型A相比，模型B的X向层间位移角整体减小，最大层间位移角减小幅度为20%～30%；同时在围护墙起始层部位(7度区项目1为5层，7度区项目2和8度区项目均为3层)的层间位移角一般存在突变现象，这是由于起始层以下模型中无围护墙，起始层及以上楼层围护墙数量较多，导致结构侧向刚度在此部位发生突变；2)与模型A相比，模型B的Y向层间位移角也整体减小，最大层间位移角减小幅度为9%～36%；由于Y向围护墙很少，因此无层间位移角突变现象；3)与模型B相比，模型C的层间位移角略有增大。

图7 结构层间位移角

2.3 层剪力

采用ETABS软件计算的对应于水平地震作用标准值的层剪力如图8所示，计算原则与计算层间位移角时相同。

对各项目，由图8可知：1)与模型A相比，模型B的X向层剪力整体增大，结构底部剪力增大幅度为6%～70%，相对较大，这是由于X向围护墙数量较多，对结构刚度贡献较大；2)与模型A相比，模型B的Y向层剪力整体增大，结构底部剪力增大幅度最大为15%，相对较小；这是由于Y向围护墙数量较少；3)与模型B相比，模型C的层剪力略有减小。

图8 结构层剪力

2.4 侧向刚度

由前述层间位移角计算结果可知，含围护墙的模型B和模型C在围护墙起始层部位存在层间位移角突变现象，因此有必要分析围护墙对结构楼层侧向刚度的影响，判断结构薄弱层。

根据ETABS软件结果按两种方式计算结构内嵌围护墙下一层与起始层的侧向刚度比，计算结果见表3。第一种方式为按地震剪力及位移计算，即按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[13](简称《高规》)第3.5.2条第2款计算；第二种方式为按等效剪切刚度计算，即将围护墙下一层视为转换层，按《高规》附录E对转换层结构的规定计算。

综合《高规》第3.5.2条第2款和附录E，要求计算得到的侧向刚度比需满足以下条件：1)围护墙起始层为第2层或第3层时，按地震剪力及位移计算的结果不宜小于0.9且不应小于0.5，按等效剪切刚度计算的结果不应小于0.5；2)围护墙起始层为第4层及以上时，可仅按地震剪力及位移计算，结果不宜小于0.9，不应小于0.6。

结构围护墙下一层与起始层侧向刚度比 表3

对各项目，由表3可知：1)对模型A均能满足《高规》的要求；2)对模型B和模型C，Y向侧向刚度比均能同时满足《高规》要求，但X向侧向刚度比按地震剪力及位移计算时可能小于0.9，不满足结构薄弱层验算的要求，当不满足时设计时应对地震剪力进行放大；3)与模型B相比，模型C的侧向刚度比有所增大，刚度突变问题有所改善。

3 弹塑性分析

对各项目模型进行罕遇地震作用和设防地震作用下的弹塑性时程分析。分析时对每组地震波的主向波和次向波按1∶0.85的比例输入，主方向取X，Y向两种情况。3个项目中模型A、模型B、模型C的主体结构构件尺寸及配筋完全相同，仅围护墙部分不同，且计算采用相同的地震波。

3.1 层间位移角

对各项目，计算的模型B在罕遇地震作用下的最大层间位移角统计见表4。

以天然波1为例，各项目模型的层间位移角沿楼层的包络曲线对比如图9所示，图例“模型A-X”代表模型A以X向为主向的工况，其余类推。各项目模型的最大层间位移角对比见表5。

罕遇地震作用下模型B最大层间位移角 表4

罕遇地震作用下结构最大层间位移角对比 表5

对各项目，由表4、图9及表5可知：1)罕遇地震作用下各模型B的最大层间位移角为1/283～1/170，均满足《抗规》的限值要求；2)与模型A相比，模型B和模型C的层间位移角均有所减小，其中模型B的最大层间位移角减小幅度为16%～43%；3)与模型B相比，模型C的结果总体有所增大，最大层间位移角增大幅度最大约为20%，增大幅度大于多遇地震弹性分析结果；4)与模型B相比，模型C的X向位移角突变问题有所改善，计算结果总体更接近于模型A。

图9 罕遇地震作用下层间位移角对比

3.2 层剪力

对各项目，以天然波1为例，罕遇地震作用下各模型的结构层剪力沿楼层的包络曲线对比如图10所示，结构底部剪力对比见表6。由图10及表6可知：1)与模型A相比，模型B和模型C的地震剪力一般均增大，其中模型B增大更明显，结构底部剪力增大幅度为9%～42%；2)与模型B相比，模型C地震剪力一般均减小，结构底部剪力减小幅度最大约为20%，减小幅度总体大于弹性分析；3)模型C的底部剪力总体与模型A更接近。

罕遇地震作用下结构底部剪力/kN 表6

图10 罕遇地震作用下层剪力对比

3.3 整体破坏情况

以7度区项目1和8度区项目为例介绍罕遇地震及设防地震作用下结构的整体破坏情况。为便于评价构件的破坏程度，采用SAUSAGE软件提供的构件单元性能水平标准(包括无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、重度损坏、严重损坏共6级)，对构件破坏程度进行评定。

参考《高规》中D级性能目标对应的性能水准，本文对罕遇地震和设防地震作用下的构件破坏程度目标设定见表7。

构件破坏程度目标 表7

3.3.1 罕遇地震作用分析

整体结构在罕遇地震(天然波1)作用下构件的破坏程度如图11所示，图中仅给出X主向工况的结果，其余工况结果与其大致相同，每个模型同时给出东南视角图(左图)和西北视角图(右图)。

图11 罕遇地震作用下结构整体破坏情况

对7度区项目1和8度区项目，由图12可知：1)结构中部分连梁、围护墙发生重度及严重损坏；2)结构底部一些墙肢由于本身较薄弱或刚度过大发生中度及重度损坏，模型B中这些部位的损伤比模型A更大；3)结合层间位移角及侧向刚度比，建议对围护墙起始层以下的结构底部墙肢进行设计加强处理。

3.3.2 设防地震作用分析

整体结构在设防地震(天然波1)作用下构件的破坏程度如图12所示，图中仅给出X主向工况的结果，其余工况结果与其大致相同，每个模型同时给出东南视角图(左图)和西北视角图(右图)。

对7度区项目1和8度区项目，由图12可知：1)结构中较多的连梁发生中度及重度损坏，非底部加强部位外墙局部发生轻微及轻度损坏，底部加强部位外墙主要发生轻微或轻度损坏；2)模型B和模型A破坏情况大体相当，模型B中楼梯间外墙破坏范围更大，围护墙发生重度损坏；3)各模型结果基本符合预设的破坏程度目标。

图12 设防地震作用下结构整体破坏情况

3.4 局部破坏情况

以罕遇地震作用下各模型围护墙及相关部位的混凝土受压损伤来考察结构的局部破坏情况，计算结果如图13所示，图中按围护墙形式给出典型计算结果。

图13 罕遇地震作用下局部混凝土受压损伤

对7度区项目1和8度区项目，由图13可知：1)模型B中窗下墙与连梁共同受力破坏，但对墙肢影响较小；模型C中二者独立受力；2)模型B中窗侧墙与结构墙共同受力，窗下墙与连梁共同受力破坏；采用优化构造后，连梁和窗下墙独立受力，窗侧墙与结构墙独立受力；3)模型B中连梁受窗间墙影响，由单跨变为两跨受力，破坏集中于洞口范围内，且围护墙起始层的墙肢损伤相比模型A有所增大；采用优化构造后，连梁和窗下墙及窗间墙独立受力；4)模型B中结构洞墙与结构墙共同受力，导致相邻结构墙肢损伤很大，可能使围护墙起始层成为结构薄弱部位；采用优化构造后，接缝处首先破坏，围护墙与结构墙独立受力。5)总体上，采用优化构造的模型C基本实现了围护墙与结构构件的独立受力，避免了围护墙对结构构件破坏模式带来的不利影响，破坏情况接近于模型A。

4 结论与建议

本文对采用内嵌外围护墙的装配式剪力墙结构进行了整体计算分析，包括弹性分析和弹塑性分析，从结构模态、层间位移角、地震剪力、整体及局部破坏情况等角度，详细分析了内嵌外围护墙对主体结构抗震性能的影响，可形成如下主要结论与建议。

4.1 结论

(1)与不含围护墙模型相比，含未优化围护墙模型和含优化围护墙模型中围护墙对主体结构的刚度贡献显著，由于X向围护墙数量一般较多且南、北侧布置一般不均匀，Y向围护墙数量很少且一般对称布置，导致以X向平动为主振型的扭转分量增加，周期减小为不含围护墙模型的0.66～0.82倍；Y向平动振型一般不变，周期减小为不含围护墙模型的0.75～0.96倍。

(2)对弹性分析，与不含围护墙模型对比，含未优化围护墙模型和含优化围护墙模型的层间位移角整体减小，其中X向在围护墙起始层存在层间位移角突变现象；地震层剪力整体增大，其中X向增大较多，而Y向增大相对较少；围护墙下一层与起始层的侧向刚度比可能不满足结构薄弱层验算要求。

(3)对3个典型项目，按传统周期折减法进行结构弹性计算和配筋，加入围护墙后进行弹塑性时程分析，得到罕遇地震作用下含未优化围护墙模型的最大层间位移角为1/283～1/170，满足规范限值要求；对相同地震波，与不含围护墙模型相比，含未优化围护墙模型和含优化围护墙模型的层间位移角均减小，其中含未优化围护墙模型减小更明显，含优化围护墙模型的X向层间位移角突变问题相比未优化时有所改善，计算结果总体更接近于不含围护墙模型；含未优化围护墙模型和含优化围护墙模型的地震剪力一般均增大，其中含未优化围护墙模型增大更明显，含优化围护墙模型的底部剪力总体与不含围护墙模型更接近。

(4)从含未优化围护墙模型整体来看：罕遇地震作用下部分连梁、围护墙发生重度及严重损坏；结构底部一些墙肢由于本身较薄弱或刚度过大发生中度及重度损坏，含未优化围护墙模型中对应部位的损伤比不含围护墙模型更大。

(5)从围护墙对局部结构构件破坏的影响来看：窗下墙、窗间墙主要与连梁共同受力破坏，其中受窗间墙影响，连梁由单跨变为两跨受力，破坏集中于洞口范围内；窗侧墙、结构洞墙主要与墙肢共同受力，其中结构洞墙相邻墙肢损坏严重，使围护墙起始层成为结构薄弱部位；含优化围护墙模型中连梁与窗下墙、窗间墙独立受力，窗侧墙、结构洞墙与墙肢独立受力，避免了围护墙的不利影响，破坏模式接近于不含围护墙模型。

4.2 建议

(1)外围护墙在结构平面中宜均匀对称布置，避免不对称布置造成结构扭转反应加大，同时不宜采用结构洞形式的内嵌外围护墙。

(2)应采取填充聚苯块或设置空腔等措施减小内嵌外围护墙的自重及刚度，且宜在其与主体结构构件之间采取有效的隔离措施，如设置隔离聚苯板条，以减小不利影响。

(3)应参考《高规》相关规定对围护墙下层与起始层的侧向刚度比进行验算，当不满足要求时应调整结构布置使其满足要求或对围护墙下层对应于地震作用标准值的剪力乘以1.25的增大系数。

(4)当围护墙与主体结构之间采取有效隔离措施时，可按不包含围护墙的模型计算整体指标和构件配筋，周期折减系数可取0.7～0.9。

(5)当围护墙与主体结构之间未采取有效隔离措施时，建议根据工程情况，在弹性分析的基础上建立包含围护墙的准确模型，补充进行罕遇地震作用下的弹塑性分析，同时应针对不同形式的围护墙及相邻结构构件采取相应的配筋加强措施。