填充墙对框架结构抗震性能影响的研究进展

冯兴良， 汪陈林， 赵 鑫， 周榆秋， 王 帅， 幸飞宇

(1.华汇建设集团有限公司，浙江 嵊州 312400；2.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

带填充墙框架结构的结构形式应用很广泛，在实际工程项目中的经济效益和使用效果非常好。在设计带填充墙框架结构体系房屋时，带填充墙钢筋混凝土框架结构的抗震能力不是两者的抗震性能叠加，而是要考虑多种因素。国内现行的标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2016)中仅采用在纯框架设计的基础上，计算填充墙的自重，并考虑填充墙对框架结构体系自振周期的影响，水平荷载和竖向荷载由框架结构来承担。然而，大量的地震灾害调查和试验结果表明，这种简化处理的方式会导致计算结果和实际工程结果差距很大。因此，需要深入考虑填充墙对钢筋混凝土框架结构抗震性能的作用。本文系统梳理了现有的填充墙对框架结构影响的具体结果，阐述了填充墙对框架结构的承载力、刚度、变形能力等抗震性能的影响。

1 填充墙对框架结构侧向承载力的影响

填充墙在竖向不承受外力作用，仅视为起围护作用的非结构构件，但在水平荷载(地震作用、风荷载)作用下，框架结构与填充墙可能存在协同工作，影响水平荷载分配以及侧向承载力。因此，诸多学者通过试验研究了填充墙对框架结构侧向承载力的影响。

在地震作用下，首先由填充墙承担大部分水平力，填充墙开裂破坏后，框架整体刚度下降明显，作用在框架结构上的荷载也显著下降，这一现象表明填充墙在框架结构中承担了水平地震作用[1-3]。单跨满填填充墙的框架的极限承载力是空框架的1.82倍[4]，刚性连接的满布黏土砖填充墙的框架的承载能力是空框架的1.60倍[5]。汪丹[6]的研究表明，纯钢筋混凝土框架结构的承载力为180 kN，带填充墙的混凝土框架结构的承载力高达270 kN，填充墙框架结构的水平承载力相比于纯框架结构提高了1.5倍。

诸多学者的试验结果都验证了填充墙对框架结构侧向承载力的提高，相较于空框架而言，填充墙对结构的侧向承载力提高了1.5～2.0倍，这就为综合考虑填充墙后框架的抗震设计提供了有力依据。

2 填充墙对框架结构抗侧刚度的影响

内部填充墙支撑着框架梁、柱，外围框架也约束着填充墙的变形，这两者之间的相互制约使得结构整体抗侧向刚度存在较大变化，随着填充墙破坏愈来愈严重，填充墙对框架的侧向刚度的影响也可能不同。

曹万林等[7]研究表明：填充墙框架结构具有一定的抗侧力作用，有填充墙的框架初始弹性刚度为空框架弹性刚度的10倍多。带有门洞填充墙框架的抗侧刚度为空框架刚度的4.357倍。Chaker A A[8]的研究表明，纯框架的基本周期比带填充框架的大很多，且带填充框架的侧向刚度比无填充墙的高7倍。当填充墙与框架结构采用柔性连接，填充墙对框架结构的刚度贡献可忽略不计，非柔性连接填充墙对结构刚度贡献在多数情况下是不容忽略的[9]。

一系列研究表明，采用半柔性及刚性连接的填充墙对框架的侧向刚度影响都有数倍的提高，意味着整体框架受到地震力数倍增大，建筑结构的地震风险大大提高，因此，框架的侧向刚度需要考虑填充墙在地震中发挥的作用。

3 填充墙对框架结构自振周期的影响

框架结构的自振周期是结构的固有属性，反映结构的动力特性，与结构的刚度和质量有关。同时，在地震作用分析时，框架结构的自振周期是框架结构一个非常重要的参考指标，另一方面体现了框架结构刚度的大小。

蒋跃[10]的有限元分析结果表明，纯框架结构的自振周期大于带填充墙框架结构的，填充墙致使结构的自振周期变小，刚度变大，而且自振周期随填充墙填充率越大、层高越高而逐渐减小。唐斌[11]、苗凤[12]研究表明结构自振周期会受到开洞大小和洞口率的影响，随着洞口面积增大可使结构的周期增幅在 5%～33%波动。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)规定的周期折减系数 0.6～0.7 的取值与填充墙洞口面积率为30%～37%时相符，当填充墙洞口面积率在65%以上时，可不考虑填充墙对框架自振周期的增大。杜启收等[13]通过对两种容重级别不同的混凝土砌块填充墙框架进行研究，结果表明填充墙数量不同时，结构第一自振周期折减系数为0.457～1.000和0.488～1.000；当填充墙位置不同时，结构自振周期折减系数为0.457～0.889和0.457～0.907，即填充墙数量和填充墙布置位置对框架结构自振周期有很大影响。

由于填充墙与框架的协调作用，填充墙使框架结构的抗侧刚度增加数倍，这就使得结构的自振周期会相应减小。填充墙数量和布置位置也是影响整体框架自振周期的重要因素，在考虑框架结构调整自振周期时应着重考虑这两个方面。

4 填充墙对框架结构变形能力和耗能能力的影响

由于填充墙框架结构中填充墙与框架的协同工作，且破坏后的填充墙仍对框架结构有一定约束作用，使得结构从开始加载直到框架破坏的整个受力和变形过程比较平缓，有利于结构的变形得到较好的发展和地震能量的充分消耗。

曹万林、庞国新[14]的研究结果表明，带填充墙框架结构整体明显屈服时的层间位移角均值为1/275，而纯框架结构明显屈服时的层间位移角均值为1/150，这一试验结果说明框架与填充墙协同工作对结构总体的变形能力有明显的影响。周晓洁等[15]的试验结果表明，填充墙与框架之间的连接方式对结构的延性和耗能能力有较大的影响，总体而言，柔性连接优于刚性连接，设置芯柱优于不设置芯柱。填充墙的不同布置方式对结构耗能能力也有一定的影响，满布填充墙框架较空框架和半高填充墙框架的耗能能力大为增加,其耗能能力最好，半高填充墙框架其次，空框架结构最差[7]。林超等[16]的研究结果表明，不同类型砌体填充墙框架试件都有良好的变形性能，其中变性能力尤为突出的是加气混凝土砌块填充墙框架，最大位移延性系数为 6.53。

地震作用下，建筑结构中填充墙承担了大部分剪力，填充墙通过自身变形及墙面的开裂不仅增加了结构延性且消耗大量地震能量。填充墙一般优先于外围框架破坏，填充墙相当于第一道抗震防线，框架结构相当于第二道抗震防线，使主体结构的破坏程度大大减小。

5 填充墙对框架结构薄弱层破坏的影响

填充墙在建筑竖向不规则布置时，使得框架结构竖向刚度分布不均匀，在布置填充墙较少的楼层将会出现薄弱层，而薄弱层的出现会使得框架的边柱剪力和位移变化显著，并且与上下楼层剪力和位移产生巨大差异，致使结构的抗震性能受到影响。

杨光[17]的研究结果表明，含填充墙的框架结构在时程分析罕遇地震作用下，在相同填充率条件下，填充墙布置导致的结构竖向不规则，使该结构顶点位移比竖向规则结构的顶点位移偏大，且在未布置填充墙的楼层容易形成薄弱环节，层间位移发生突变，给结构的整体抗震性能带来不利影响，在薄弱层结构易发生严重破坏。郭良[18]的有限元分析结果表明，当中间楼层存在薄弱层时，布置填充墙较多的楼层层间位移可以忽略不计，而薄弱层的层间位移高达124.16 mm，层间位移角为 1/24，该位移角比纯框架相同楼层层间位移角(1/60)增大很多，增幅为 150%，可见在结构楼层连续布置填充墙能够在很大程度上限制层间位移角的发展。

地震作用下，薄弱层破坏非常严重，薄弱层出现在首层的破坏尤为严重，这种结构很容易出现上部楼层滑移的现象，难以实现“大震不倒”的设计要求，应避免此类布置。在实际工程中，在建筑的竖直方向应当尽量均匀布置填充墙，建筑首层尽量要布置填充墙，以免形成薄弱层。

6 结论与展望

6.1 结 论

通过对学者研究结果的总结发现，填充墙对框架结构的侧向承载力、抗侧刚度、自振周期、变性能力及耗能能力等抗震性能影响是较为明显的，主要结论有：

(1)框架结构加入填充墙能够提高结构的整体侧向承载能力、抗侧刚度、耗能能力，但变形能力有所下降。

(2)填充墙多为脆性材料，一般要先于框架结构发生破坏，从而吸收大部分地震能量，在结构设计时，可将填充墙作为第一道抗震防线，而将框架结构作为第二道抗震防线。

(3)由于填充墙在结构竖向不连续布置，在地震作用下容易造成薄弱层破坏，使结构严重受损甚至倒塌，在实际工程中应避免填充墙竖向不均匀布置。

6.2 展 望

在框架结构中，填充墙是不可忽视的重要的非结构构件，对框架结构受力影响较大，且对结构的受力影响较为复杂。目前，诸多学者对带填充墙框架结构的研究还处于初步阶段，仍需要做大量的工作。

(1)填充墙对框架结构抗震性能的影响研究还停留在单因素、单片墙体的试验研究阶段，对于地震作用下填充墙与框架的整体协同作用还不够清晰，可以进行缩尺的或者足尺的带填充墙框架结构的振动台试验研究。

(2)大量有限元软件模拟框架中的填充墙是用等效模型，使得砌块与砂浆间的黏结性能和摩擦作用在地震作用下不能很好地体现，为使模拟更加接近砌体的真实受力状态，对砌块与砂浆之间的微观作用与受力情况还需进一步研究，这样可以精细化模拟砂浆和砌块之间的黏结滑移、应力状态，以及有效模拟砌体填充墙的开裂和失效模式。

(3)随着国家对装配式建筑的提倡和现代化建设的需求，装配式大墙板成为热门的研究课题，因此开展不同材料、不同类型的墙板对框架结构抗震性能的影响很有必要。