王 娜,徐其功

(1.華南理工大學土木與交通學院,廣東 廣州 510640;2.廣東省建筑科學研究院,廣東 廣州 510500)

汶川地震中,填充墻布置合理的框架結構整體抗震性能表現(xiàn)較好;而布置不合理的結構,如一些底層大開間,不僅填充墻破壞,梁柱與填充墻連接部位也破壞嚴重,導致房屋整體抗震性能變差。砌體填充墻作為一種非結構構件,其抗側力性能的研究早已引起了國內外工程界的關注,在框架結構體系抗震分析中,結構的側移剛度是一個重要的參數(shù),直接影響到結構的自振周期、位移反應及內力分布。工程設計中應充分考慮填充墻的剛度影響,使框架結構在地震作用下的計算結果更符合實際,提高結構設計的安全性與經(jīng)濟性。

1 試驗工程概況

本次試驗和分析的典型鋼筋混凝土框架結構房屋為某酒店綜合樓,建筑總高 24m、5層,建筑面積 3640m2,竣工年份 1997年,建筑平面為矩形,規(guī)則,對稱,豎向無突變?？拐鹪O防類別為丙類,Ⅱ類場地,框架抗震等級為三級,安全等級為二級。

2 現(xiàn)場脈動試驗

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脈動試驗是在建筑物附近無規(guī)則振源的情況下,通過高靈敏度動力測試系統(tǒng)測定該建筑由風荷載、地脈動、隨意敲打等隨機荷載激振而引起結構的微幅振動響應,進而測得結構的自振頻率、振型和阻尼比等動力學特征。本次脈動試驗采用地震余震及人工敲擊樓體的方式進行激振。

2.1 試驗測點布置

試驗測試點共有 3個,布設于第 2層 C1、第 4層 C2和頂層 C3的相同位置,在測試橫向振動時則將傳感器相應地水平轉向 90°,具體測點布置見圖 1。

2.2 試驗結果

在傳感器測得脈動響應數(shù)據(jù)后,通過模態(tài)辨識及理論分析計算,得到該大樓一階橫向、縱向模態(tài)頻率和阻尼比,結果見表 1:

圖1 測試點立面布置示意

3 軟件計算

依據(jù)建筑施工圖紙,對該酒店綜合樓建模分析。

在現(xiàn)澆混凝土框架結構的抗震設計中,為了簡化計算,通常將填充墻作為荷載作用在框架梁上,視填充墻布置的疏密程度選用 0.6～0.8周期折減系數(shù)來調整結構周期[1],以此加大地震作用下的結構內力。這種方法較簡單,對結構分析軟件的功能要求不高,特別是在結構較規(guī)整,對整體結構剛度影響較均勻時,也不失為一種可行的方法。但如果任何形式的框架結構以及各種布置的填充墻都使用這種計算模型,就有可能產(chǎn)生較大誤差,造成結構抗震設計失效,危及建筑安全。

考慮到以上簡化模型分析的可行性和誤差性,采用 PKPM建立三種模型對比分析。

(1)A為純框架模型:將填充墻作為線荷載,不考慮其對框架結構計算剛度影響,即目前設計通常采用的方法。

(2)B為等效填充墻模型:將填充墻按實際磚墻輸入,直接考慮其對框架結構剛度的影響。

(3)C為等效斜撐模型:在線性分析程序中將填充墻視為有一定寬度(1/7～1/10填充墻對角線長度)和有軸向剛度的鉸接對角受壓斜撐桿[2],在填充墻開有洞口時取填充墻兩對角和洞口角點之間的多個斜撐桿。

計算簡圖如下:

圖2 各模型簡圖

4 填充墻對結構抗震影響分析

4.1 填充墻對結構抗震有利影響分析

4.1.1 扭轉周期

結構扭轉為主的第一自振周期 Tt與平動第一自振周期之比,A級高度高層建筑不應大于 0.9[3]。由以上結果,純框架結構抗扭剛度不足,然而,按實際情況布置填充墻或者以斜撐模擬之后,抗扭剛度都有了極大地提高(表 2)。填充墻均勻合理布置,可以防止結構因扭轉振動而使構件產(chǎn)生不均勻應力,提高結構的抗扭能力。

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4.1.2 樓層層間位移角

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對比層間位移角,B、C比 A要小得多(表 3)。填充墻的剛度作用控制了結構的地震位移反應。

4.1.3 上部結構柱水平剪力

首層柱在 X向地震作用下底部內力(局部)如下,軟件對每個柱輸出 5個數(shù)(Vx、Vy、N、Mx、My):分別為該柱局部坐標內 X和 Y方向的剪力、軸力、X和Y方向的彎矩(圖 3)。

圖3 各模型局部底部內力圖

對比圖3,模型B、C框架柱所承受的水平剪力比模型A小,二至五層柱剪力呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。這是由于填充墻分擔了部分地震剪力,在地震作用下,作為第一道抗震防線,填充墻承擔剪力,消耗部分地震能量,對框架柱起到了一定的保護作用,在這一方面,對結構的整體抗震有利。這也恰好與實際情況下填充墻框架結構的破壞特征相符。

從以上分析結果可以看出,填充墻對結構整體的抗震性能影響在位移控制、耗能方面是有利的,模型 A把填充墻作為結構的附屬構件,以線荷載輸入,雖然考慮周期折減能增大地震作用,但這種方法對因填充墻的側向和扭轉剛度作用沒有考慮,結構剛度未增加,使得結構的層間位移和整體位移偏大,有時難以滿足現(xiàn)行規(guī)范的限值要求。模型B、C比較接近實際地模擬了填充墻的剛度,結構的周期,位移反應更符合實際情況,能夠較好地反映填充墻和框架共同抗側力的受力變形特點。

模型B模擬的填充墻與結構構件之間的連接是剛接的,而實際填充墻砂漿與構件連接并非如此,因此,填充墻的連接與實際情況還是有一定出入。對于斜撐模型 C,斜撐桿寬度的確定存在較多的困難;墻面有不同開洞情況時,缺乏剛度、強度等性能的簡單實用公式;由于斜撐桿后期的力 -位移關系缺乏,在彈塑性階段,分析有困難。

4.2 填充墻對結構抗震不利影響分析

4.2.1 平動周期

對比兩模型的平動周期可以看出,B、C比A的自振周期小很多,這兩種模型比較實際模擬了結構的剛度情況,周期與脈動實驗實測值較接近。

4.2.2 基底剪力

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對比三種模型計算的水平剪力,模型B、C比 A要大,考慮了填充墻的實際剛度影響,地震作用下結構分配的地震力較純框架增大,而地震力是由基礎開始向上部結構傳遞,這樣模型B基礎與上部連接的柱子承擔的地震剪力大,也就是說填充墻對基礎柱抗震產(chǎn)生不利影響,導致對整個結構抗震不利。

4.2.3 底層大空間薄弱層

鑒定中發(fā)現(xiàn)汶川縣城多棟房屋為了滿足功能需要而采用了底層大空間結構,地震中,這類房屋破壞普遍較為嚴重。由此,我們以本建筑模型為基礎,對房屋結構做了部分改動來模擬底層大空間,研究填充墻豎向分布不均對結構受力及抗震性能的影響。

結構修改:將模型 B首層內隔墻全部去除,形成新的模型 D(圖 4),計算分析后得首層柱在 X向地震作用下底部內力簡圖如下圖 5,計算結果中,每個柱輸出 5個數(shù)(Vx、Vy、N、Mx、My):分別為該柱局部坐標內 X和 Y方向的剪力、軸力、X和 Y方向的彎矩。

圖4 模型D簡圖

圖5 模型 D首層柱在 X向地震作用下底部內力

模型 D首層框架柱所承受的水平剪力比模型A大,也就是說樓層大空間布置使該層剛度較其它層小,形成結構薄弱層。在地震作用下,底層剪力最大,如果因建筑功能要求使底層墻體少而剛度不足,就會產(chǎn)生較大的層間彈性位移,同時結構的傾覆力矩作用幾乎全部由底層框架柱承擔。因此,底層框架柱受力大,變形大,這樣結構底層很容易在地震下產(chǎn)生錯斷,整個結構垮塌。

此外,填充墻的存在會使結構形成短柱、短梁。短柱變形能力差,短梁是一極具脆性的梁,而且梁柱本身所受的剪力也增加,在地震作用下極易發(fā)生脆性的剪切破壞。短梁的脆性破壞使其從開裂到破壞只消耗了為數(shù)不多的能量,本希望由延性梁消耗的大部分能量不得不由框架柱的破壞來消耗,增加了結構在地震中的危險性。結構平面墻體不均勻布置,也會使得結構剛心和質心平面內不重合,引起較嚴重的扭轉破壞。

5 結束語

填充墻在位移控制和結構耗能方面有利于結構抗震,但由于填充墻的約束效應和剛度效應,使得填充墻結構在很多情況下存在安全隱患。2008抗震設計規(guī)范提出框架結構的圍護墻和隔墻,應考慮其設置對結構抗震的不利影響,避免不合理設置而導致主體結構的破壞。

(1)填充墻的剛度效應十分明顯,實際震害和理論分析證明,填充墻布置不均導致結構的層間剛度、水平剛度不均勻,結構產(chǎn)生薄弱層、扭轉破壞以及強梁弱柱的情況,設計中應考慮填充墻的剛度效應。

(2)填充墻的約束效應使框架柱由長柱變?yōu)槎讨?框架梁變?yōu)槎塘?并使這些構件的延性降低,這對結構構件的抗震有很不利的影響。

(3)結構在地震作用下的振動,使填充墻可能產(chǎn)生平面外破壞,應重視填充墻的設計,適當提高填充墻塊體和砂漿的強度。

(4)填充墻與框架之間連接不好,使得填充墻破壞嚴重,汶川地震中,填充墻的局部或全部倒塌的情況大量存在,給人民造成了極大的生命威脅和財產(chǎn)損失,設計中應重視加強填充墻的連接措施。 框架填充墻對結構抗震性能的影響有利有弊,設計人員應充分理解填充墻作用的機理,抗震設計中權衡利弊,采取合理的設計方法。在對框架填充墻結構進行設計時,不能簡單地簡化為純框架結構進行設計,應充分考慮填充墻對結構抗震性能的影響,通過補充計算和構造加強措施使計算模型與實際結構的受力狀態(tài)趨于一致。參考文獻

[1]GB 50011-2001建筑抗震設計規(guī)范[S]

[2]Mainstone RJ.On the stiffness and strenghs of infilled frames A.Proc.Institution of Civil Engineers C,1971

[3]JGJ 3-2002高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S]