欒海芳砌筑工論文-淺析填充墻對框架性能的影響

1、淺析填充墻對框架結構抗震性能的影響【摘要】 填充墻框架結構具有良好的經(jīng)濟性和適應性，并且建筑平面布置靈活。因此，今后仍將是建筑結構設計中廣泛采用的結構形式?？蚣芙Y構一般使用填充墻來進行房屋的分割。在過去的幾十年中，人們主要致力于主體結構系統(tǒng)抗震性能的研究，而忽略了非結構部分的影響。結果導致在許多震害中建筑物破壞嚴重。本文通過對震害報告提供的框架結構中填充墻破壞形式的分析，總結了填充墻對框架結構抗震性能帶來的影響，指出了今后應以實現(xiàn)基于性能的抗震設計為目標，針對新型砌體填充墻框架結構開展系統(tǒng)研究?！娟P鍵詞】 框架結構 填充墻 抗震性能一、引言填充墻框架結構是現(xiàn)階段我國應用最廣泛的一種建筑結構形式

2、。由于其建筑布置的靈活性被廣泛應用于辦公樓、商業(yè)建筑及住宅中，填充墻用來分隔房屋。研究和設計中常常將填充墻作為非結構構件處理，而忽略填充墻對框架主體結構抗震性能的影響。實際上在地震作用下填充墻與框架是共同作用的，填充墻的存在不僅改變了結構體系的剛度、強度及其分布，還對主體結構構件的局部約束條件產(chǎn)生不利影響。較強的填充墻也被認為非常容易在混凝土柱中引起脆性剪切破壞。因為，填充墻框架的抗震分析和設計研究已為越來越多的專家和工程技術人員所重視。二、在地震中框架填充墻的震害形式及原因分析2.1 填充墻在地震中的主要震害2008年5月12日14時28分，四川發(fā)生8.0級強烈地震，震中位置位于成都西側80

3、km 的汶川縣，震源深度14km ，震中區(qū)烈度在11度，此次地震是新中國成立以來破壞力最強、波及范圍最廣、救援難度最大的地震，給震中和地震波及區(qū)帶來了極大的損失，而造成損失最直接的原因之一是房屋建筑的破壞和倒塌。 框架嵌砌填充墻使得結構剛度增加，結構周期變小，地震作用大，這是對建筑抗震不利的方面；框架受到墻體的支撐，提高了自身抗側能力，填充墻作為第一道抗震防線承擔一部分水平地震力，這是對建筑抗震有利的方面?？蚣茉O置填充墻究竟對主體結構抵抗地震作用有利還是不利目前尚無定論。需要通過框架填充墻結構在地震中的表現(xiàn)來回答。在四川地震區(qū)的多層和高層房屋建筑大多數(shù)采用鋼筋混凝土結構，框架結構應用居多?？蚣?/p>

4、結構填充墻體和圍護墻體在地震中發(fā)生了不同程度的破壞，其破壞特征可以歸納為三種類型。第一種類型是嵌砌于柱間的填充墻收到水平地震力后，出現(xiàn)水平向、十字交叉、八字交叉或垂直向裂縫，填充墻砌體局部壓碎，或缺乏拉結發(fā)生出平面倒塌。第二種類型是貼砌與柱邊的圍護墻體拉結不牢倒塌，立面凸出或凹進的填充和圍護墻體構造措施不當引起的破壞。第三中類型是填充墻平面布置不對稱產(chǎn)生扭轉效應、豎向布置不連續(xù)造成薄弱層，框架總體結構發(fā)生損傷和破壞。1. 梁底和柱邊裂縫框架與填充墻形成一個組合構件，地震作用下，共同承擔框架整體彎矩和層間剪力?？蚣芴畛鋲Y構施工時，框架澆筑完成后再砌填充墻，墻體砌至框架梁底，充填砂漿難以密實，墻

5、頂與梁底留有縫隙，成為組合構建的的薄弱部位?？蚣芴畛鋲Y構在水平地震力作用下，會受到整體彎曲作用，框架變形屬于剪切型，下部的層間位移較大。當框架底層層高大、柱整體抗側能力較弱的情況下，還會再柱邊與墻體交接處發(fā)生拉脫裂縫地震作用較大時，梁底和柱邊的裂縫會進一步擴展，在交接界面相互擠壓，導致交接處砌體損傷2. 填充墻十字交叉對角裂縫地震作用下，填充墻與框架共同工作，一方面墻體受到框架的約束，另一方面框架受到填充墻所提供的支撐作用。由于填充墻早期的剛度大，吸收了較大的地震作用，而其本身強度將對較低，填充墻首先開裂。填充墻的震害大部分是沿填充墻對角線產(chǎn)生斜裂縫或者交叉裂縫當填充墻高寬比在1.01.5之

6、間，填充墻兩側有柱提供邊界約束時，填充墻破壞路徑沿墻體對角線發(fā)生，此時破壞路徑不能完全沿階梯型灰縫發(fā)展，部分粘土磚或砌塊產(chǎn)生剪切破壞。由于砌塊抗剪強度大于砂漿抗剪強度，因此對角線裂縫主要由砂漿灰縫剪切破壞造成。3. 填充墻八字交叉對角裂縫當填充墻高寬比比較小，在0.51.0之間，則會沿填充墻對角線方向產(chǎn)生沿灰縫的階梯型剪切和滑移裂縫，填充墻裂縫由柱上下端作用力處產(chǎn)生，沿對角階梯型灰縫發(fā)展至另一端。對于低矮填充墻，由于破壞角度較小，斜向對角裂縫不能貫通，會再填充墻中部伴有水平裂縫，水平裂縫砂漿產(chǎn)生剪切滑移。這類斜向裂縫下部形如正“八”字，上部形如反“八”字，可以稱為填充墻八字交叉對角裂縫。4.

7、填充墻垂直向交叉裂縫當填充墻高寬比較大，在1.52.0之間時，對于高窄填充墻，由于破壞角度較大，填充墻無法沿對角線方向產(chǎn)生沿灰縫的階梯型裂縫，但其破壞路徑仍沿墻體對角線發(fā)展，但此時填充墻的破壞不在取決于灰縫砂漿強度，而是部分由粘土磚或砌塊強度控制，填充墻拐角處局部斜向裂縫，墻體中部出現(xiàn)垂直裂縫。5. 填充墻開門窗洞口裂縫分布當填充墻上開門窗洞口時，會削弱填充墻的剛度，降低填充墻參與工作的能力。開有門窗洞口的填充墻，洞口在填充墻對角線上時，裂縫從填充墻對角處向洞口對角處發(fā)展，為填充墻對角線有洞口裂縫開展情況。1填充墻與柱的拉結在我國建筑抗震設計規(guī)范中，要求填充墻與框架柱之間設置拉結鋼筋并且對于過

8、高或過寬的填充墻中間要設置水平系梁或構造柱，以保證填充墻的安全性和可靠性。但是在地震震害分析中發(fā)現(xiàn)，大量填充墻拉結筋長度不足或沒有設置拉結鋼筋?？招钠鰤K墻體不易與柱拉結，整體受力性能很差，應采取加強的構造拉結措施。填充墻預埋管道削弱砌體截面，地震時墻體易于發(fā)生破壞，應采取加強的構造連接措施。2. 貼切圍護墻塌落框架結構貼砌圍護墻體，墻體周邊沒有梁柱提供側向約束，僅依賴預埋在柱中的鋼筋拉結，地震時往往成片倒塌。應采用嵌砌填充墻并加強與柱的拉結。3. 局部挑砌和貼砌圍護墻建筑師為了建筑物里面造型的需要，在框架建筑上局部外挑小梁，挑砌和貼砌的圍護墻，挑出部分局部應力集中。如果在轉角處未設構造柱，凸出

9、填充墻缺乏拉結措施則會發(fā)生坍塌。此類局部貼砌和挑砌裝飾墻體在地震區(qū)應予以避免，或采用加強的構造措施，不可位于建筑物入口上方，地震時倒塌會危及生命安全。4. 凸出墻面方形、圓形和弧形填充墻對于方形、矩形突出墻面的填充墻，凸出和凹進部分受力復雜易于破壞，此類破壞應在填充墻轉角處設置構造柱，約束墻體避免開裂后散落。5. 半高填充墻形成的短柱破壞框架中用于內(nèi)部分隔的填充墻一般為石砌墻體，用于維護的外部填充墻，由于開窗的需要，常將窗臺墻嵌砌在框架柱之間。半高填充墻對框架柱下部施加約束，減小了框架柱彎曲長度，形成短柱。短柱的剛度大于框架結構中的其他柱，地震作用下短柱會吸收更多的地震作用，在側向力作用下產(chǎn)生

10、剪切破壞。短柱的耗能能力較低，破壞具有明顯的脆性性質，短柱的存在會降低建筑物的抗震性能。我國的建筑抗震設計規(guī)范對短柱有著明確限制，要求框架柱的剪跨比不宜小于2。但是在進行設計時，往往只按照柱的截面尺寸和柱凈高來復核剪跨比，而未考慮填充墻引起的短柱效應。6. 非受力填充墻破壞框架結構填充墻，宜采用粘土實心磚或粘土空心磚作為砌筑材料，粘土磚受力性能好，承載能力高，若墻體與框架柱之間有可靠連接，填充墻和框架梁柱可以共同抵抗地震作用。加氣混凝土或泡沫混凝土等輕質混凝土材料砌筑填充墻，材料強度低，耗能能力差，填充墻一旦開裂，砌體隨之破壞。若采用此類材料砌筑填充墻，不能考慮填充墻作為抗震防線分擔地震力，還

11、應采取加強的拉結措施，將墻體和框架進行拉結，以防地震時倒塌傷人。三. 填充墻對結構抗震性能的影響3.1 填充墻對框架結構抗震性能的有利影響填充墻的加入對框架結構抗震性能有很大的影響。由于填充墻在平面內(nèi)的剛度很大，與同條件下沒有填充墻的柔性空框架相比，在填充墻框架中的墻體能大大增加框架的抗側剛度，在鋼筋混凝土框架受到水平地震作用時，填充墻參與了抵抗水平力。眾多試驗結果顯示，框架的變形隨著填充墻布置的多少由純框架的剪切型向彎曲型變化：填充墻較少時為彎剪型；填充墻較多時為彎曲型。因此，若填充墻布置得當有利于提高結構的整體性能。填充墻的加入使結構的自重和剛度都有比較大的改變。國內(nèi)外的試驗和理論研究表明

12、。與原結構連接緊密的填充墻能吸收一部分的地震力，填充墻的剛度貢獻對結構的抗震性能有一定的改善。 多次地震災害的現(xiàn)場資料表明：框架建筑由于填充墻的存在，在地震中有明顯優(yōu)勢，填充墻破壞的過程中，吸收了塑性發(fā)展后的很大一部分能量。這對抗震的設計是有很大優(yōu)勢的。而且，延性框架加上脆性砌體使得開裂后的荷載和位移比純框架結構達到的最大位移要大。填充墻對結構抗震性能的有利影響可以總結為以下幾點：（1）使結構抗推剛度增大，自震周期減短，從而使作用于整個建筑上的水平地震力增大，增加的幅度可達30%50%。（2）改變了結構的地震剪力分布狀況，由于砌體填充墻參與抗震，分擔了很大一部分水平地震力，反而使框架所承擔的樓

13、層地震剪力減小。（3）由于砌體填充墻具有較大的抗推剛度，限制了框架的變形，從而減少了整個結構的地震側移幅值。（4）提高了建筑物的吸收和耗散地震能量的能力，從而提高了整個建筑的抗震能力。3.2 填充墻對框架結構抗震性能的不利影響如果填充墻在結構中布置不當，會造成本來均勻歸整的框架結構的剛度中心偏移，從而使結構在地震作用下的扭轉反應進一步加大。在結構計算中，由于水平力的分配未考慮填充墻的影響，水平力全部由框架來承擔，并按剛度進行分配，從而使得有填充墻的框架與沒有填充墻的框架分配到的地震力是相等的，此結果顯然是不合理的。事實上，由于填充墻對剛度的影響，沒有填充墻對剛度的影響的框架收到的水平力計算值偏

14、大，而有填充墻的框架部分受到的水平力計算值偏小。建筑設計時，填充墻的布置是為了滿足功能分區(qū)而設置的，其布置的隨意性較大，這樣就有可能產(chǎn)生不利于結構整體抗震性能的填充墻布置方案。另外，由于填充墻平面布置不合理，使得結構質量中心與剛度中心有較大偏移，在地震作用下產(chǎn)生較大的扭轉效應。再者，我們的研究均以填充墻連續(xù)分布的模型為研究對象。而實際結構中，多數(shù)填充墻不是連續(xù)均勻分布的，這就使得許多理論結果與實際結構的結果出現(xiàn)偏差。填充墻加入影響了結構的剛度變化，導致了結構層間剛度的不均勻。同時，不同結構層內(nèi)，填充墻的數(shù)量或布置方式的差異，形成了上下層的填充墻的不連續(xù)，這可能導致相鄰層間剛度突變，這對結構的抗

15、震十分不利。填充墻造成框架柱的附加作用。附著框架柱的填充墻對框架柱造成了應力集中。而且同一結構層內(nèi)，由于填充墻的分布方式不同，是的豎向力的分配和水平地震剪力的分配也發(fā)生變化，造成同一層內(nèi)框架柱的豎向受力和水平受力不均勻。開洞的填充墻框架可能對框架柱造成“短柱”效應。填充墻的布置和洞口的開設使得框架柱的計算高度減少，形成“短柱”，在水平力作用下，容易提前發(fā)生塑性鉸破壞，在抗震中非常不利。填充墻對框架結構抗震性能的不利影響可總結如下：（1）填充墻在平面內(nèi)宜均勻、對稱地分布。填充墻如偏置于結構的某一側，會造成樓層質心與剛心產(chǎn)生較大的偏移，地震作用下將使結構發(fā)生嚴重平面扭轉而造成框架破壞。（2）填充墻

16、沿房屋豎向的分布宜上下連續(xù)、貫通。結構沿豎向的剛度分布亦要求均勻，并逐步變化，不應出現(xiàn)突變。但通常由于建筑或使用需要，結構相鄰層的填充墻不能保證豎向連續(xù)，如底層大空間需要或結構不能避免的錯層存在等。這些因使用用途的改變或地勢條件限制等得到的不規(guī)則填充墻布置，都會使結構豎向剛度分布不均勻、甚至突變，則結構容易在填充墻少的樓層形成薄弱層，在地震作用下薄弱層柱端將產(chǎn)生很大的塑性集中變形，樓層同時發(fā)生很大側移而導致建筑坍塌。（3）結構因出入和采光需要在墻上設置的門窗洞口，易形成短柱現(xiàn)象。在地震作用下，框架柱在形成短柱后極易彎曲強度得到發(fā)揮之前、先發(fā)生脆性的剪切破壞。（4）填充墻的數(shù)量分布也直接影響整個

17、結構的整天剛度。因此，為使各層剛度能盡量接近，希望各層的填充墻數(shù)量相差不多，這樣重量和剛度都會比較均勻，分布也會比較均勻。但有時功能的要求使得填充墻的布置數(shù)量會相差較多，這樣會使結構的剛度變化不均勻，削弱結構的抗震能力。四. 在建筑抗震設計規(guī)范中有關填充墻設計要求的變化隨著近幾年地震的頻發(fā)，填充墻在地震中的震害問題越來越成為不容忽視的問題。在抗震設計規(guī)范中，關于填充墻的設計要求也有了新的變化。在我國的GB50011-2001建筑抗震設計規(guī)范中，沒有將填充墻等非結構構件與結構構件在同一水準下加以考慮設計，而是采用以下抗震設防措施：(1 作好細部構造，使非結構構件成為抗震結構的一部分。（2）防治非

18、結構構件參與工作，避免非結構構件對主體結構變形的限制，分析計算時，可只考慮非結構構件的質量，不考慮其剛度。（3）構造上采取措施，避免出現(xiàn)平面倒塌。（4）選用合適的抗震結構，加強主體結構的剛度，減小主體結構的變形量。 2008發(fā)生了汶川地震，填充墻的震害在框架結構中破壞明顯，因此在2008年對2001版規(guī)范中填充墻部分做出了修訂：填充墻在平面和豎向的布置，宜均勻對稱，避免形成薄弱層或短柱。在我國的GB50011-2010建筑抗震設計規(guī)范中，鋼筋混凝土結構中的砌體填充墻，尚應符合下列要求：1. 填充墻在平面和豎向的布置，宜均勻對稱，宜避免形成薄弱層或短柱。2. 砌體的砂漿強度等級不應低于M5；實心塊體的強度等級不易低于MU2.5，空心塊體的強度等級不易低于MU3.5；墻頂應與框架梁密切結合。3. 填充墻應沿框架柱全高每隔500mm-600mm 設2 6拉筋，拉筋伸入墻內(nèi)的長度，6、7度時宜沿墻全長貫通，8、9度時應全長貫通。4. 墻長大于5mm 時，墻頂與梁宜有拉結；墻長超過8m 或層高2倍時，宜設置鋼筋混凝土構造柱；墻高超過4m 時，墻體半高宜設置