砌體填充墻對(duì)RC 框架結(jié)構(gòu)影響的研究

金煥，于松

（廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000）

1 引言

砌體填充墻是RC 框架結(jié)構(gòu)中不可缺少的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，具有使框架結(jié)構(gòu)滿足絕熱、隔聲、圍護(hù)及分隔等建筑功能要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，RC 框架結(jié)構(gòu)通常按純框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，填充墻作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其自重通過(guò)梁間荷載的方式施加到梁板上，其對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響引入周期折減系數(shù)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程不考慮填充墻與RC 框架梁柱的相互作用。通過(guò)實(shí)際震害及大量研究表明【1，2】，填充墻與 RC 框架間存在復(fù)雜的相互作用，容易引起框架結(jié)構(gòu)超出預(yù)期的破壞機(jī)制，甚至倒塌，故僅考慮周期折減系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)50 年代，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)填充墻對(duì) RC 框架結(jié)構(gòu)的影響開(kāi)展了一系列的研究工作，歷經(jīng)從單層到多層、從單跨到多跨、從平面到空間、從縮尺到足尺、從靜力到動(dòng)力、從試驗(yàn)到數(shù)值模擬等。

國(guó)外的研究開(kāi)展較早，進(jìn)行了大量的填充墻RC 框架結(jié)構(gòu)的靜力及動(dòng)力試驗(yàn)研究，分析了砌體填充墻對(duì)RC 框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、耗能及破壞機(jī)制等抗震性能的影響。通過(guò)研究表明，填充墻與框架間存在復(fù)雜的相互作用，填充墻的存在可以改變結(jié)構(gòu)的受力機(jī)制，平面內(nèi)水平承載力并非填充墻與純框架 2 部分的簡(jiǎn)單疊加。其中，Mehrabi【3】等進(jìn)行了 14 個(gè) 1/2 縮尺的單層單跨RC 框架單元的水平加載試驗(yàn)，考慮了空心砌塊和實(shí)心磚2 種砌筑材料，研究各種參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，得出填充墻顯著提高RC 框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度的結(jié)論，并總結(jié)出填充墻框架結(jié)構(gòu)的3 種破壞機(jī)制。Stavridis【4】進(jìn)行了大比例模型的低周反復(fù)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，考慮填充墻材料及開(kāi)洞的影響，提出了非線性有限元分析方法和簡(jiǎn)化評(píng)估工具。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)填充墻RC 框架結(jié)構(gòu)的研究，始于20 世紀(jì)80 年代，從黏土磚填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響研究，到砌塊填充墻RC 框架結(jié)構(gòu)的研究，主要側(cè)重于填充墻的材料、布置及開(kāi)洞對(duì)框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、耗能等抗震性能指標(biāo)的影響。其中，李建輝、薛彥濤等【5】等進(jìn)行了10 個(gè)足尺蒸壓加氣混凝土砌塊填充墻RC 框架模型在低周反復(fù)荷載下的抗震性能試驗(yàn)，探討墻體與框架連接構(gòu)造、墻體本身構(gòu)造措施等因素對(duì)框架整體抗震特性的影響。黃思凝和郭迅【6】進(jìn)行了輕質(zhì)填充墻框架結(jié)構(gòu)抗震性能的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，研究了填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)頻率衰減、剛度退化情況及層間位移角、各層放大倍數(shù)變化規(guī)律，并分析了填充墻和框架協(xié)同工作的過(guò)程。林超、郭子雄【7】進(jìn)行了足尺砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)的抗震性能試驗(yàn)研究，對(duì)比了不同砌筑材料的影響，并提出了砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)不同抗震性能水平的層間位移角限值。

在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，學(xué)者們對(duì)評(píng)估填充墻RC 框架結(jié)構(gòu)抗震性能的方法進(jìn)行了諸多研究，Polyakov（1956）首先提出了等效斜壓桿模型簡(jiǎn)化分析方法，并進(jìn)一步提出經(jīng)典等效對(duì)角斜撐模型，該模型能較好地反映填充墻與框架之間的相互作用，在以后的研究過(guò)程中，大量學(xué)者開(kāi)展了對(duì)此模型的研究，并為填充墻RC 框架結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。斜壓桿模型被廣泛地應(yīng)用，然而，該模型不能準(zhǔn)確評(píng)估填充墻框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制。目前，能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制的最強(qiáng)大的分析方法是非線性有限元方法，包括宏觀和微觀有限元模型，Lourenco【8】、Al-Chaar 和Mehrabi【9】等采用連續(xù)化的宏觀模型，用界面單元模擬磚和砂漿的接觸面的開(kāi)裂和破壞，成功地實(shí)現(xiàn)了填充墻框架結(jié)構(gòu)的非線性性能的評(píng)估。

基于國(guó)外的填充墻簡(jiǎn)化計(jì)算模型和有限元分析方法，我國(guó)也開(kāi)展了較多研究和應(yīng)用，孔 璟常等【10】建立一種能夠較好地模擬其平面內(nèi)抗震性能的分離式有限元模型，有效地模擬出砌體填充墻的開(kāi)裂模式和框架結(jié)構(gòu)的失效模式。金煥【11】進(jìn)行了典型雙跨填充墻RC 框架單元擬靜力試驗(yàn)，并提出了砌體填充墻微觀有限元模型，定量研究了填充墻對(duì)RC 框架結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制的影響規(guī)律。孟慶利【12】提出考慮平面內(nèi)和平面外相互作用的改進(jìn)填充墻模型，并基于OpenSees 有限元軟件，進(jìn)行罕遇地震作用下純框架和填充墻框架三維非線性數(shù)值模擬，深入研究了填充墻在框架填充墻結(jié)構(gòu)中的作用及原因分析。賈明明、呂大剛【13】結(jié)合彌散裂縫和離散裂縫模型，建立了砌體填充墻RC 框架的精細(xì)化微觀有限元模型，研究了填充墻與RC 框架的相互作用機(jī)制，以及填充墻RC 框架的失效模式和抗震性能。

4 規(guī)范規(guī)定

在地震過(guò)程中，填充墻的存在對(duì)框架結(jié)構(gòu)具有顯著的影響，各國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范不同程度地考慮填充墻的作用，但普遍將填充墻作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 國(guó)內(nèi)規(guī)范

JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，計(jì)算各振型地震影響系數(shù)所采用的結(jié)構(gòu)自振周期應(yīng)考慮非承重墻體的剛度影響予以折減，當(dāng)非承重墻體為砌體墻時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的周期折減系數(shù)可取0.6～0.7。

GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)墻和隔墻，應(yīng)估計(jì)其設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的不利影響，避免不合理設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞；砌體填充墻的布置應(yīng)避免使結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)度和剛度分布上的突變，當(dāng)圍護(hù)墻非對(duì)稱均勻布置時(shí)，應(yīng)考慮質(zhì)量和剛度的差異對(duì)主體結(jié)構(gòu)抗震不利的影響；填充墻在平面和豎向的布置宜均勻?qū)ΨQ，宜避免形成薄弱層或短柱；填充墻與框架間盡量采用柔性連接或彼此脫離開(kāi)，盡量采取措施減少對(duì)主體結(jié)構(gòu)的不利影響。

綜上，我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)中忽視填充墻的作用，按照純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，抗震驗(yàn)算時(shí)通過(guò)引入周期折減系數(shù)來(lái)考慮填充墻對(duì)RC 框架結(jié)構(gòu)整體剛度的影響。

4.2 國(guó)外規(guī)范

在RC 框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中，砌體填充墻的質(zhì)量和剛度的影響是不容忽視的，國(guó)外一些規(guī)范提出了填充墻框架結(jié)構(gòu)的自振周期的經(jīng)驗(yàn)公式，來(lái)考慮填充墻的剛度影響，如希臘（1988）和法國(guó)（1990）的規(guī)范。歐洲（2003）、哥斯達(dá)黎加（1986）及以色列等規(guī)范提出采用更精確的自振周期計(jì)算公式，考慮了填充墻的豎向和水平的布置影響，對(duì)填充墻的不規(guī)則布置引起的薄弱層做了詳細(xì)的規(guī)定。

砌體填充墻不但影響結(jié)構(gòu)的剛度，同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也存在不可忽視的作用。研究表明，填充墻與RC 框架的相對(duì)強(qiáng)度直接影響結(jié)構(gòu)的破壞模式，填充墻的斜壓桿作用容易造成框架柱的剪切破壞。因此，國(guó)外一些規(guī)范采用填充墻斜撐桿簡(jiǎn)化計(jì)算模型，考慮了不同砌體填充墻承擔(dān)的地震剪力，如Eurocode8（2003）和FEMA-306 規(guī)范，提出應(yīng)該考慮填充墻與周邊框架相互作用，通過(guò)斜壓桿計(jì)算填充墻對(duì)柱內(nèi)力的影響，斜壓桿寬度考慮了填充墻的尺寸及開(kāi)洞等方面的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述已有研究和規(guī)范分析可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于砌體填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響開(kāi)展了大量的研究工作，取得了許多有價(jià)值的成果，填充墻對(duì)RC 框架結(jié)構(gòu)的影響不容置疑，也不容忽視，研究尚存在一些問(wèn)題和不足。

1）目前，填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)影響的研究側(cè)重于相關(guān)抗震指標(biāo)方面，如強(qiáng)度、剛度等，對(duì)受力性能和破壞機(jī)制的研究已開(kāi)展但尚不深入，尤其缺少包括不同砌筑材料、開(kāi)洞情況、跨間尺寸及墻-框連接方法等全面的、系統(tǒng)的定量研究。

2）開(kāi)展砌體填充墻的定量研究，關(guān)鍵是建立有效可行的計(jì)算模型，既要實(shí)現(xiàn)計(jì)算，又要反映受力性能，目前尚未實(shí)現(xiàn)砌體填充墻計(jì)算模型的突破。

3）我國(guó)規(guī)范僅從整體上考慮了砌體填充墻對(duì)RC 框架結(jié)構(gòu)有利的貢獻(xiàn)，對(duì)于如何避免填充墻的不利影響做了定性的規(guī)定，但并未給出具體的、可實(shí)施的措施。