砌體填充墻對RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響的研究★

孫 冰 楊 鑫,2 王勁松 曾 晟 王永海

(1.南華大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001； 2.南華大學(xué)長三角(諸暨)研究院，浙江 紹興 311800；3.南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001； 4.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長和城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，高層建筑的大規(guī)模出現(xiàn)在一定程度上解決了城市人口居住問題，但也引發(fā)了人們對該類建筑能否抵御地震災(zāi)害以及能否保障人類生命財(cái)產(chǎn)安全的擔(dān)憂。砌體填充墻RC框架作為在建筑工程中廣泛應(yīng)用的常見結(jié)構(gòu)形式，其抗震性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著建筑工程抵抗地震破壞能力的強(qiáng)弱。從近年的地震震害調(diào)查[1]可以看出，砌體填充墻構(gòu)件是影響框架結(jié)構(gòu)受力性能的關(guān)鍵因素之一。目前國內(nèi)外科研學(xué)者通過大量研究提出了等效壓桿模型、等效平面框架模型、墻框并聯(lián)模型和有限元模型等多種砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，形成了利用自振周期折減系數(shù)來定性考慮非承重砌體填充墻影響的抗震設(shè)計(jì)方法，研究了墻體布置方式、墻體平面尺寸以及墻框連接方式等因素對砌體填充墻RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

上述研究極大地推動了現(xiàn)澆框架式建筑和裝配式建筑的發(fā)展與進(jìn)步，使框架結(jié)構(gòu)向著更有利于人類生活居住的方向改變。但由于墻框結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性以及在材料、尺寸和連接等方面的差異，對砌體填充墻RC框架結(jié)構(gòu)受載過程的研究不夠透徹，對砌體填充墻施加給框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響探索有待深入。因此本文圍繞砌體填充墻RC框架在地震作用下的變化，對結(jié)構(gòu)的受力過程和破壞模式展開介紹，然后從水平承載力、剛度效應(yīng)和變形能力三個(gè)方面論述砌體填充墻對RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，最后根據(jù)當(dāng)前研究成果和現(xiàn)狀對此類結(jié)構(gòu)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 砌體填充墻RC框架結(jié)構(gòu)受力過程

砌體填充墻RC框架在地震運(yùn)動中的受力過程一定程度上反映了墻框組合結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作關(guān)系。地震持續(xù)發(fā)生時(shí)，砌體填充墻和RC框架發(fā)揮的作用雖有所側(cè)重，但二者實(shí)際是在相互作用影響下協(xié)同消耗地震能量、共同抵抗水平側(cè)向力。據(jù)此將砌體填充墻RC框架結(jié)構(gòu)從受載到破壞的整個(gè)受力過程劃分成四個(gè)階段：整體階段發(fā)生在地震作用初期，該階段砌體墻與梁柱受水平地震分量影響產(chǎn)生摩擦，側(cè)向作用力的增大不僅引發(fā)砌體角部的應(yīng)力集中，還使得砌體中部處于受拉狀態(tài)[2]。彈性階段的填充墻是承受側(cè)向作用力的主要構(gòu)件，該階段砌體與RC框架之間發(fā)生不協(xié)調(diào)變形，砌體角部受壓碎裂并與框架在一定程度上脫開，同時(shí)墻面出現(xiàn)雙弧線應(yīng)力分布，導(dǎo)致產(chǎn)生沿對角方向延伸的未貫穿裂縫[3]?？蚣芙Y(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，RC框架在砌體墻無法承受側(cè)向作用力后成為主要承載構(gòu)件，此時(shí)砌體墻剛度顯著降低，墻面裂縫持續(xù)發(fā)展直至形成貫穿裂縫，梁柱上出現(xiàn)裂縫并保持發(fā)育，荷載短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值[4]。框架結(jié)構(gòu)在承載力出現(xiàn)峰值后進(jìn)入塑性階段，該階段的墻框構(gòu)件徹底脫開且砌體以破碎垮塌的形式退出工作，梁柱構(gòu)件陸續(xù)出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)整體處于破壞狀態(tài)。

2 砌體填充墻RC框架結(jié)構(gòu)破壞模式及成因

砌體填充墻RC框架結(jié)構(gòu)的破壞行為極其復(fù)雜，常在地震運(yùn)動中呈現(xiàn)出多種破壞模式。本節(jié)內(nèi)容根據(jù)框架結(jié)構(gòu)的典型震害特點(diǎn)對其破壞行為進(jìn)行歸納并總結(jié)形成原因。

2.1 柱鉸破壞

框架柱歷來是框架結(jié)構(gòu)抵抗地震破壞的關(guān)鍵構(gòu)件，其足夠的承載能力和必要的延性是保證結(jié)構(gòu)具有良好抗震性能的前提。柱鉸現(xiàn)象的出現(xiàn)不僅表明結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的延性破壞預(yù)期，還會導(dǎo)致底層出鉸破壞、角柱剪切破壞甚至柱端屈服整體傾斜等嚴(yán)重震害的產(chǎn)生。調(diào)查研究表明[5]，造成柱鉸破壞的根本原因是柱端抗彎剪能力小于梁端實(shí)際抗彎剪能力總和，在工程中具體表現(xiàn)為：砌體填充墻及現(xiàn)澆樓板增大框架梁的承載力和剛度、框架梁截面尺寸偏大或梁兩端出現(xiàn)超配筋以及框架柱受砌體填充墻約束作用后其有效高度減小。

2.2 薄弱層破壞

薄弱層破壞是指豎向布置不規(guī)則的建筑受地震作用影響，其抗側(cè)力構(gòu)件發(fā)生剛度和承載力的突變，導(dǎo)致出現(xiàn)塑性變形后屈服的破壞現(xiàn)象。研究表明[6]，薄弱層破壞對砌體填充墻RC框架的安全性能十分不利，薄弱層的產(chǎn)生與砌體填充墻的布置有很大關(guān)系。砌體填充墻對框架結(jié)構(gòu)的剛度、變形能力和破壞模式有著不可忽視的影響，當(dāng)墻體沿豎直方向不連續(xù)不均勻布置時(shí)會使結(jié)構(gòu)層間剛度過大從而造成薄弱層破壞。所以我國行業(yè)規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對如何避免薄弱層出現(xiàn)作了明確規(guī)定。

2.3 短柱破壞

短柱破壞的發(fā)生源于砌體填充墻對框架柱產(chǎn)生的約束效應(yīng)，這不僅限制了柱體的變形位移，還減少了柱體的計(jì)算高度使之易于形成短柱?？蚣苤纬啥讨笃涫芰C(jī)制發(fā)生改變，變形能力下降，延性大幅降低，最終導(dǎo)致柱體脆性剪切破壞。從安全性角度來講，短柱破壞既不符合規(guī)范明確的“強(qiáng)剪弱彎”設(shè)計(jì)原則，也難以使建筑達(dá)到“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。填充墻作為造成短柱破壞的主要因素，無論是對填充墻約束作用的考慮不足還是砌體上門窗洞口的布置不合理，都會降低框架結(jié)構(gòu)的整體延性和變形能力[7]。

2.4 填充墻破壞

砌體填充墻作為框架結(jié)構(gòu)的首道抗震防線，常因耗能緩震作用先于RC框架破壞。受砂漿強(qiáng)度、幾何尺寸以及布置方式等因素的影響，砌體填充墻有彎曲破壞、剪切破壞、對角開裂破壞、局部壓碎破壞和平面外倒塌等不同破壞形式[8]。工程中的砌體墻與RC框架有著復(fù)雜的相互作用關(guān)系，砌體破壞改變了構(gòu)件的受力性能，進(jìn)而對框架結(jié)構(gòu)的承載能力、抗側(cè)剛度和變形能力產(chǎn)生顯著影響?，F(xiàn)階段我國規(guī)范對砌體填充墻的抗震措施做了明確規(guī)定，但囿于作用機(jī)制的復(fù)雜性和研究手段的落后，針對墻體的破壞及控制指標(biāo)尚未出臺相應(yīng)條文。

3 砌體填充墻對RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

由上述框架結(jié)構(gòu)的受力過程和破壞現(xiàn)象可知，砌體填充墻的設(shè)置改變了RC框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此本文從水平承載力、剛度效應(yīng)和變形能力三個(gè)方面對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)。

3.1 水平承載力

砌體填充墻對框架結(jié)構(gòu)的影響之一體現(xiàn)在對水平承載力的改變上。砌體墻與RC框架形成的復(fù)雜相互作用改變了各構(gòu)件的受力機(jī)制，使結(jié)構(gòu)整體的水平承載力大于各構(gòu)件的水平承載力之和，且較純框架有明顯提升。熊立紅[9]在對砌體填充墻RC框架開展擬靜力試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，砌體填充墻RC框架的不同階段水平承載力對比純框架均有不同幅度的提升；周曉潔[10]得到的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)結(jié)果表明，砌體填充墻RC框架的水平承載力是純框架的3/2倍；Trapani[11]利用OpenSees軟件對框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，其分析結(jié)果成功對上述結(jié)論予以證明。

此外，科研人員還對影響框架結(jié)構(gòu)水平承載力的因素進(jìn)行了分析調(diào)查。相關(guān)研究表明，不同材質(zhì)砌體墻對框架結(jié)構(gòu)水平承載力有著不同的提升效果，其中傳統(tǒng)粘土磚的提升幅度相對較低，輕質(zhì)砌塊帶來的綜合效果更佳[12]；填充墻的強(qiáng)度與剛度是影響框架結(jié)構(gòu)水平承載力的一大重要因素，強(qiáng)填充墻框架在承載力方面比弱填充墻框架表現(xiàn)更好[13]；門窗洞口的大小、形狀以及位置對框架結(jié)構(gòu)的受力性能和破壞形態(tài)有著巨大影響，能不同程度的減小框架結(jié)構(gòu)的水平承載力[14]；Schneider[15]從砌體填充墻的截面尺寸入手，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)減小填充墻高寬比或增大填充墻厚度都能提高結(jié)構(gòu)水平承載能力。

目前結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域已經(jīng)形成砌體填充墻能提高框架結(jié)構(gòu)水平承載力的結(jié)論，也對影響結(jié)構(gòu)承載力的因素開展了大量研究，但仍有許多細(xì)節(jié)需要繼續(xù)進(jìn)行探索。如按經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)的開洞填充墻對結(jié)構(gòu)整體承載能力影響如何，如何避免因應(yīng)力集中引起的墻體垮塌，除經(jīng)驗(yàn)法外還有何種理論依據(jù)能指導(dǎo)門窗開洞設(shè)計(jì)。

3.2 剛度效應(yīng)

砌體填充墻在框架結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的剛度效應(yīng)，是造成砌體填充墻RC框架剛度區(qū)別于純框架的主要原因。從已有研究分析可知，砌體填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的提高具有積極影響。AL-Chaar[16]對砌體填充墻RC框架開展的振動試驗(yàn)表明，砌體填充墻使框架結(jié)構(gòu)的剛度較純框架有很大提高；Chaker[17]通過框架結(jié)構(gòu)的對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砌體填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的提升效果是純框架的5倍～10倍；隨后Siddiqui[18]通過試驗(yàn)研究和理論分析指出輕質(zhì)墻材更有利于提高結(jié)構(gòu)整體剛度，Han[19]則從數(shù)值模擬角度入手，利用有限元法成功對砌體填充墻能提高框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的觀點(diǎn)進(jìn)行了證明。

研究人員通過震害調(diào)查和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在框架中設(shè)置填充墻并不一定都有利于抗震。填充墻合理布置時(shí)其產(chǎn)生的額外剛度正常參與地震剪力分配，對結(jié)構(gòu)整體抗震能起到積極作用，當(dāng)墻體布置不規(guī)則不合理，剛度效應(yīng)帶來的將是加速框架結(jié)構(gòu)破壞的負(fù)作用[20]。如填充墻在豎向的不均勻分布會使結(jié)構(gòu)層間剛度過大從而出現(xiàn)薄弱層破壞，又如填充墻沿豎直方向和水平方向布置不當(dāng)時(shí)，剛度效應(yīng)引起的抗扭剛度不對稱往往會導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)破壞。

3.3 變形能力

砌體填充墻對框架結(jié)構(gòu)變形能力的影響十分顯著，具體表現(xiàn)在層間位移角和延性指標(biāo)的變化上。童岳生等[21]對砌體填充墻RC框架結(jié)構(gòu)在不同破壞狀態(tài)下的層間位移角和墻體開裂后的層間位移進(jìn)行了對比分析，得出填充墻對框架結(jié)構(gòu)的變形性能有明顯改善效果的結(jié)論；曹萬林[22]通過開展填充墻框架模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砌體填充墻的設(shè)置使得框架結(jié)構(gòu)的屈服層間位移角由1/150變?yōu)?/275；廖橋[23]在分析框架結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)結(jié)果后認(rèn)為，不同受力階段特征點(diǎn)對應(yīng)的層間位移角大或試件位移延性系數(shù)大時(shí)，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的延性性能更好，墻框協(xié)同工作能力和變形能力更優(yōu)。

事實(shí)上，雖然砌體填充墻自身以脆性為主，但對RC框架起到了良好的支撐作用，砌體墻與RC框架的組合結(jié)構(gòu)不僅增加了結(jié)構(gòu)的延性，還減小了結(jié)構(gòu)的層間位移角，使得梁柱構(gòu)件在地震中的損傷大為減輕。然而并非所有砌體墻都能使框架結(jié)構(gòu)的變形能力增強(qiáng)，一旦砌體墻體對RC框架的約束作用過強(qiáng)，框架柱有效長度或框架梁有效跨度因故減小，結(jié)構(gòu)的抗剪能力和延性將會大大降低，最終易因變形能力不足引發(fā)結(jié)構(gòu)剪切破壞。

4 結(jié)論與展望

目前業(yè)界對砌體填充墻RC框架結(jié)構(gòu)的研究取得了極大地進(jìn)展，本文所述的四個(gè)階段的受力過程、多種破壞模式和成因以及設(shè)置砌體填充墻對RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響僅是少數(shù)代表性成果。基于上述研究成果和事實(shí)，本文認(rèn)為可從以下幾個(gè)方向開展未來的工作：

1)對現(xiàn)階段的研究進(jìn)行補(bǔ)充完善，尤其是砌體填充墻RC框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化問題；

2)通過作動器和振動臺等不同形式的加載，對砌體填充墻鋼框架、輕質(zhì)條板填充墻RC框架和輕質(zhì)條板填充墻鋼框架等結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震試驗(yàn)，探索更經(jīng)濟(jì)更可靠的組合結(jié)構(gòu)，為未來的建筑提供更具潛力的結(jié)構(gòu)形式；

3)針對以上研究開展精細(xì)化數(shù)值模擬，分析各墻框組合的協(xié)同工作機(jī)理，比較不同結(jié)構(gòu)在地震荷載下的受力過程、破壞模式和抗震性能，為后續(xù)的科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供參考。