不同厚度填充墙体对框架结构抗震性能分析★

阿布都热依木江·库尔班，米尔夏提·买买提热夏提，孟远元

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

1 概述

目前在多层和高层框架结构抗震分析过程中，把填充墙作为非承受构件进行计算和设计，没有考虑填充墙的强度、刚度及约束效应等对框架结构抗侧刚度的影响[1]。随着新型墙体材料的推广使用,新型墙体材料成为当今多高层建筑结构的主要填充墙体材料，并逐步替代传统的黏土砖。目前结构计算和设计中仍主要沿用基于传统的黏土砖填充墙的规定，基本没有考虑填充墙刚度对框架结构的影响[2]。由于缺少新型填充墙钢筋混凝土框架结构抗震性能的相关研究，通过乘以结构周期小于1的折减系数来考虑填充墙对结构刚度的影响。这种计算方法导致了结构计算和设计中的诸多问题。虽然通过折减结构周期来实现放大地震作用，但实际结构设计和计算中没有考虑填充墙对多高层结构刚度的贡献，结构刚度并未增加，使得结构的整体位移和层间位移偏大，有的时候比较难以满足现行设计规范的要求[3-5]。

砌体填充墙模型一般有层模型、等效框架模型、墙框并联模型、三对角支撑模型、有限元模型和等效X斜撑模型等。其中层模型太过简化，而且计算的量最少，没有反映结构的局部有限元分析。等效框架模型仅仅进行弹性阶段计算，弹塑性阶段没法计算。墙框并联模型同样进行弹性阶段的计算分析，通过线性叠加，墙体和结构的整体结构的强度和刚度一起考虑。三对角支撑模型主要用于结构非线性阶段的计算分析，但简化模型中的参数基于极限状态下的分析数据，与实际的砌体填充墙的工作状态差别比较大，低估了砌体填充墙的作用。有限元模型可以分析和计算弹性和弹塑性阶段，但是模型后处理复杂，计算量大，实际情况很少应用。等效X斜撑模型把墙体简化为只受压不能受拉的斜撑杆件，与实际工程的填充墙体工作性能比较吻合。该模型在结构计算和分析中应用多，而且对该模型的研究工作也比较成熟。

本文将用等效X斜撑模型来模拟砌体填充墙对框架结构的影响，通过有限元分析软件，建立不同厚度填充墙框架结构，分析填充墙体厚度对框架结构的动力响应。

2 工程概况

本文利用有限元软件建立A，B和C三种模型，其中模型A为只考虑砌体填充墙质量不考虑其刚度贡献的纯框架结构模型，填充墙以线荷载的形式加在框架梁上,模型B和C为楼层全部布置填充墙并考虑填充墙刚度贡献的框架结构，其中模型B填充墙厚度200 mm，模型C填充墙厚度250 mm，模型基本几何尺寸如图1所示。模型基本参数见表1。

3 结构动力分析

3.1 结构周期对比

模型A,B和C周期对比见表2，由表2发现，A，B和C三种模型前三阶模态均为平动、平动、扭转。其中模型A第一振型是沿x方向的平动和沿y方向的平动，而第三振型绕z轴的扭转，表明结构布置比较均匀合理；模型B和C振型与模型A一样，第一振型和第二振型周期一样，是沿x和y方向的平动，而第三振型绕z轴的扭转。A，B和C三种模型的基本周期分别为0.47，0.32和0.27，周期比分别为B/A=0.32/0.47=0.68，C/A=0.27/0.47=0.57。而建筑抗震设计规范[6]里为考虑填充墙刚度给出的框架结构周期折减系数0.6～0.7，因此模型C周期折减系数比规范规定值小。

表2 模型A，B和C周期对比

3.2 结构变形对比

3.2.1 结构楼层最大水平位移

表3为楼层最大水平位移，由表3看出，三个模型A，B和C最大楼层水平位移的变化趋势大致相同，从下到上依次增大，其中模型A的楼层位移最小，模型C的楼层位移最大，说明填充墙厚度对结构动力响应有影响，随着填充墙体厚度的增大，结构的最大水平位移也逐渐增大,如图2所示。

表3 楼层最大水平位移 mm

3.2.2 结构最大层间位移

表4为最大层间位移，由表4看出，三个模型A，B和C最大层间位移的变化趋势大致相同，都是自下而上依次减小，在水平地震作用下其侧移曲线均呈剪切型。其中模型A的第一层楼层最大层间位移比模型B和C的最大层间位移小，而模型A顶层的层间位移又比模型B和C大，模型B和C由于填充墙刚度的贡献，其整体抗侧刚度比模型A大，故模型B和C顶层的层间位移比模型A小，如图3所示。

表4 最大层间位移 mm

3.2.3 结构最大层间位移角

表5为最大层间位移角，由表5看出，模型A、模型B、模型C最大层间位移角的变化趋势大致相同，都是自下而上依次减小，在水平地震作用下其侧移曲线均呈剪切型。其中模型A的第一层楼层最大层间位移角比模型B和C的最大层间位移角小，而模型A顶层的层间位移角又比模型B和C大，模型B和C由于填充墙刚度的贡献，其整体抗侧刚度比模型A大，故模型B和C顶层的层间位移角比模型A小，如图4所示。

表5 最大层间位移角

4 结语

本文通过有限元软件，分析不同厚度填充墙体对框架结构动力响应的影响，通过结构分析发现，随着框架结构填充墙体厚度的增大，结构的基本周期减少，相对应的周期折减系数也减少。随着框架结构填充墙厚度的增大，结构的最大水平位移也逐渐增大，其中模型A的第一层楼层最大层间位移比模型B和C的最大层间位移小，而模型A顶层的层间位移又比模型B和C大，模型B和C由于填充墙刚度的贡献，其整体抗侧刚度比模型A大，故模型B和C顶层的层间位移比模型A小。因此对不同厚度填充墙框架结构，有必要考虑厚度对结构动力的响应影响。