秦文明，周昕，江瑋駿

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

大震作用下填充墻對框架抗震性能的影響

秦文明，周昕，江瑋駿

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

我國現(xiàn)行的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計中采用純框架模型，即不考慮實際填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。僅僅將填充墻的實際重量作為梁的恒荷載加載到計算模型上，并通過折減結(jié)構(gòu)的自振周期來估計填充墻對結(jié)構(gòu)整體剛度的改變，加之設(shè)計中為了建筑的使用功能導致填充墻的不規(guī)則布置和業(yè)主在裝修過程中在填充墻上隨意開洞甚至移除墻體，造成了框架結(jié)構(gòu)模型的合理性有待商榷。針對該問題，建立考慮填充墻布置和開洞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算模型，并在罕遇地震作用下，對模型進行了非線性時程分析。通過對不同模型之間各個參數(shù)的對比分析，分析了填充墻上不規(guī)則布置和開洞對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

框架填充墻結(jié)構(gòu)；ABAQUS軟件；時程分析；勻質(zhì)化模型

1 概 述

框架結(jié)構(gòu)具有開間大，結(jié)構(gòu)形式簡答，造價低廉，建設(shè)周期短，布置靈活等優(yōu)點，故在一些二、三線城市，框架結(jié)構(gòu)的建筑形式得到了廣泛的應用?？蚣芙Y(jié)構(gòu)可根據(jù)不同的建筑使用要求，布置不同的的功能分區(qū)，而填充墻則承擔了這種功能分區(qū)的職責。但在我國現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，填充墻并不計入結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而是作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，設(shè)計時也將其處理為等效荷載，附加在梁上。但是這樣并未考慮填充墻在實際地震作用中提供的結(jié)構(gòu)剛度。同時，作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在裝修過程中，常常因為美觀或功能分區(qū)的更改等因素，業(yè)主隨意在填充墻上開洞，甚至拆除墻體，這就更加加劇了結(jié)構(gòu)剛度的不規(guī)則變化。又因為地震作用與結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)，結(jié)構(gòu)的剛度變化不規(guī)則對其自身的抗震性能也有很大程度上的影響。在歷次實際震害中，也證明了填充墻對框架結(jié)構(gòu)的破壞機制產(chǎn)生了明顯的影響。本文運用有限元軟件 Abaqus，對由填充墻不規(guī)則布置和大開洞兩個方面引起的框架結(jié)構(gòu)在遇到罕遇地震作用下抗震性能的改變進行了模擬和論證。通過對實際工程中存在的問題模擬、分析、驗證。

2 填充墻模型選取

填充墻是由砌塊與砂漿粘結(jié)而成，砂漿的均勻程度，砌塊的質(zhì)量誤差，都會引起填充墻材料性質(zhì)的變化，故填充墻是一種各向異性的非勻質(zhì)復合材料。在我國現(xiàn)行的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如pkpm或yjk等主流的軟件中并未給出填充墻的模型建立方法，這就導致了計算結(jié)果與實際工程有誤差，引起的框架結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生“短柱破壞”、“薄弱層破壞”和“扭轉(zhuǎn)破壞”等。在填充墻模型的確立，除了需要確定填充墻的計算模型、材料的本構(gòu)模型，還要包括填充墻與框架結(jié)構(gòu)的連接方式的模擬。

經(jīng)過國內(nèi)外學者長時間的努力和研究，填充墻的計算模型大體分可歸納為三種：斜壓桿模型、勻質(zhì)化有限元模型以及精細化有限元模型［1］。

2.1 受壓桿模型

上個世紀50年代，Polyakov基于桁架理論和填充墻受力特點。將填充墻的計算模型簡化為作用于框架梁柱之間的斜壓桿，該斜壓桿在側(cè)向地震力作用下只受壓，桿內(nèi)無彎矩和剪力。然后為了符合破壞面積的模擬，經(jīng)過演化，由單壓桿改進雙壓桿甚至多壓桿模型。這種簡化符合填充墻的受力機理。在實際的震害作用過程中，桿件模型的屈服過程也可以實現(xiàn)填充墻的非線性分析，但是桿件模型并不適合本文研究的工程背景。

2.2 微觀有限元模型

在有限元軟件的逐漸興起中，為了追求模型的精確，很多學者提出了微觀有限元模型。微觀有限元模型考慮了實際填充墻上的砂漿，砌塊以及其連接方式。較真實的反映了實際的填充墻。但是該模型單元節(jié)點較多，運算效率很低，而且不同材料的連接方式的模擬較為理想化，導致結(jié)果往往很難收斂。

2.3 勻質(zhì)化連續(xù)有限元模型

勻質(zhì)化連續(xù)有限元模型是將砌塊、砂漿以及填充墻中的拉結(jié)筋和構(gòu)造柱等看成一個整體，采用一個均勻的、各向同性的材料來模擬填充墻。該模型較斜壓桿模型能更準確反映填充墻與框架之間的接觸關(guān)系，又可滿足填充墻在實際震害下的受力機理。本文采用ABAQUS中的殼單元來模擬填充墻。國內(nèi)外的研究人員采用此種方法模擬，精度高，建?？欤〉昧溯^好的分析結(jié)果。

圖1 填充墻模型

3 框架結(jié)構(gòu)有限元模型及地震波選取

本文以ABAQUS軟件為分析軟件，對填充墻在大震作用下進行了彈塑性時程分析，研究了填充墻側(cè)向剛度對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

3.1 有限元模型的建立

建立 4個鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型：空框架模型，滿布填充墻模型，開洞填充墻模型和不規(guī)則布置填充墻模型，分別編號為模型一到模型四?？v向和橫向完全對稱，橫向2跨，縱向4跨，每跨均為6m× 6m。層高為4層，每層高3.8m?？偢?5.2m?？蚣苤叽鐬?00mm×400mm，框架梁尺寸均為250mm ×400mm，樓板采用剛性樓板假定，即平面內(nèi)樓板剛度無限大，在軟件中定義為120mm厚。填充墻厚度為240mm厚。

填充墻采用勻質(zhì)化連續(xù)有限元模型來模擬。填充墻的彈性模量E1=4kN/mm2。泊松比μ=0.37，密度ρ=1100kg/m3。模型梁柱板混凝土采用C30?？v向受力鋼筋采用HRB335，箍筋采用HPB235。模擬的場地設(shè)防烈度為7度，場地土類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第二組。

軟件中模型單元選擇如下：梁柱采用beam單元（B31），填充墻和樓板采用shell單元（S4R），鋼筋采用三維 2節(jié)點桁架單元（T3D2）模擬。材料模型選擇如下：混凝土采用彈塑性損傷模型，鋼筋采用理想的彈塑性模型，砌體采用脆性斷裂模型［2］。梁柱和樓板的連接采用constraint中的tie連接。保證梁和樓板的剛性連接，在選擇樓板作為從屬面的時候選擇surface，從而保證了樓板在平面內(nèi)的剛度無限大?？v筋和箍筋構(gòu)成的鋼筋骨架通過 embeded嵌入到混凝土的模型中，可以保證鋼筋和混凝土之間沒有相對滑移。

3.2 地震波的選取

利用 abaqus對結(jié)構(gòu)建立分析模型，并進行動力彈塑性分析。地震波采用EI-centro波，取時為16s，地震波加載的時間步長為 0.02s，根據(jù)規(guī)范，7度區(qū)罕遇地震峰值加速度220cm/s2，故需對地震波峰值更改。

4 動力時程結(jié)果分析與討論

根據(jù)各國的抗震規(guī)范，震害經(jīng)驗和試驗研究以及工程實例等分析得出，用層間位移角和層間位移作為衡量結(jié)構(gòu)變形能力、判斷結(jié)構(gòu)是否滿足建筑功能要求的指標是合理的。通過對4個模型在大震作用下的非線性時程分析，將各個模型的層間位移角和層間位移作圖比較，如下圖。

圖2 結(jié)構(gòu)層間位移角

圖3 大開洞填充墻損傷模型

①有填充墻的框架模型和沒有填充墻的空框架模型的各項計算結(jié)果相差都比較大，故在我們現(xiàn)在的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中忽略填充墻抗震性能的影響是不可取的

②通常情況下，在罕遇地震作用下，對應切有相同峰值加速度的同一地震波，4個模型的層間位移角和層間位移都成下降趨勢，即沿著樓層層間位移逐漸減小，底層的層間位移最大，頂層最?。?］。但是在圖2中填充墻不規(guī)則布置的模型中，層間位移角曲線卻出現(xiàn)了“凸起”，說明填充墻的不規(guī)則布置，使結(jié)構(gòu)的上下層剛度出現(xiàn)了突變，形成了薄弱層，這對抗震是非常不利的。

③模型一到模型四的最大層間位移角為0.0125、0.0026、0.0067、0.0080，均未超出彈性層間位移角1/50的限值?？梢娋鶆驖M布填充墻模型的抗震性能最好。說明填充墻改變了結(jié)構(gòu)的剛度，提高了結(jié)構(gòu)的承載力。

5 結(jié) 論

①填充墻改變了框架結(jié)構(gòu)的傳力機制，沿著樓層高度均勻布置填充墻可以有效地提高結(jié)構(gòu)體系的整體剛度，從而限制了結(jié)構(gòu)的振動位移，對抗震是有利的。

②當填充墻水平不均勻布置時，使得樓層與樓層之間的剛度變化不均勻，容易形成薄弱層，若結(jié)果在薄弱層的填充墻上開洞，將加劇了該樓層與構(gòu)件在地震作用下的破壞，這對抗震是極為不利的，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計中要避免。

③由填充墻開洞的損傷云圖（圖3）來看，梁柱連接處填充墻的角部受力較大，在罕遇地震作用下容易先破壞，然后引起主體框架結(jié)構(gòu)的破壞，故在滿足裝飾和建筑使用功能的前提下，開洞的面積盡量不要過大。

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TU398+.2

A

1007-7359（2016）02-0192-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.067

秦文明（1988-），男，山西忻州人，安徽建筑大學土木工程學院在讀碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。