陳 小 才

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

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談填充墻體布置對框架結(jié)構(gòu)整體分析的影響★

陳 小 才

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

介紹了非承重填充墻體在結(jié)構(gòu)布置中的規(guī)范處理方法，對其存在的問題進(jìn)行了思考，結(jié)合實(shí)際案例，對填充墻體布置設(shè)置不同的工況進(jìn)行了分析，并提出了相對應(yīng)的設(shè)計(jì)對策，為今后同類工程提供參考。

填充墻體，框架結(jié)構(gòu)，抗震性能，薄弱層

0 引言

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國目前應(yīng)用較為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)類型框架間通常采用砌體、砌塊、磚塊或其他材料作為非承重墻體填充材料。國內(nèi)外對框架結(jié)構(gòu)震害調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，填充墻體框架結(jié)構(gòu)與純框架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能并不完全一致，填充墻體對框架結(jié)構(gòu)抗震性能有較大影響，有時(shí)甚至完全改變框架結(jié)構(gòu)的受力模式。

1 規(guī)范處理方法

在結(jié)構(gòu)分析中，非承重填充墻體在結(jié)構(gòu)布置中對結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的影響，由于材質(zhì)不同及填充墻體失效行為復(fù)雜，依現(xiàn)有的簡化模型難以實(shí)現(xiàn)一體化分析。但只考慮主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件(梁、柱、剪力墻等)的剛度，不考慮非承重墻體的剛度，結(jié)構(gòu)計(jì)算自振周期結(jié)果會(huì)偏大，而按此周期計(jì)算地震力，結(jié)構(gòu)計(jì)算地震力會(huì)比實(shí)際結(jié)構(gòu)受的地震力小，對結(jié)構(gòu)偏不安全。為此，為充分考慮非承重墻體對結(jié)構(gòu)剛度的影響，GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第13.2款給出了計(jì)算要求：對柔性連接的建筑構(gòu)件，可不計(jì)入剛度；對嵌入抗側(cè)力構(gòu)件平面內(nèi)的剛性建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)計(jì)入其剛度影響，可采用周期調(diào)整等簡化方法；一般情況下不應(yīng)計(jì)入其抗震承載力。以砌體、砌塊、磚塊為材料的非承重墻體在結(jié)構(gòu)中布置就屬于“嵌入抗側(cè)力構(gòu)件平面內(nèi)的剛性建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件”情況，需考慮其剛度影響。

在JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的第4.3.17款中給出了不同結(jié)構(gòu)形式計(jì)算自振周期折減系數(shù)值，用于考慮結(jié)構(gòu)中非結(jié)構(gòu)構(gòu)件——非承重墻體剛度影響，其中框架結(jié)構(gòu)折減系數(shù)可取0.6～0.7。

2 問題的思考

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于建筑功能布置要求，可能出現(xiàn)非承重墻體上下不對稱，左右不對稱及上下左右均不對稱的布局。如何在填充墻體布置復(fù)雜的情況下解決填充墻體剛度給結(jié)構(gòu)分析帶來的困難，值得思考。并根據(jù)不同情況采取有效措施，防止結(jié)構(gòu)在地震下失效倒塌。

非承重填充墻在框架、框架—剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)中均會(huì)出現(xiàn)，但由于框架結(jié)構(gòu)跨度空間大，布置靈活，出現(xiàn)非承重墻體上下不對稱，左右不對稱等情況尤為突出，本文僅就框架結(jié)構(gòu)中此類情況進(jìn)行進(jìn)一步探索，以便對此類問題可以做一定有益解析。

3 算例

為進(jìn)一步說清楚問題，現(xiàn)就同一框架結(jié)構(gòu)設(shè)置6種不同的填充墻設(shè)置分析工況：第1種工況，純框架結(jié)構(gòu)，不設(shè)任何填充墻體；第2種工況，1層不設(shè)填充墻體，2層往上均勻布置；第3種工況，左半邊1～頂層均勻設(shè)置填充墻體，右半邊不設(shè)填充墻體；第4種工況，從1層至頂層，縱向第一、二排無填充墻，縱向三、四排設(shè)填充墻體，橫向均勻設(shè)置；第5種工況，1層不設(shè)填充墻體，左半邊2～頂層均勻設(shè)置填充墻體，右半邊不設(shè)填充墻體；第6種工況，填充墻體設(shè)置同工況1，但按JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程要對框架結(jié)構(gòu)自振周期進(jìn)行折減，系數(shù)取0.6。工況1～工況6分析模型如圖1～圖5所示。

該基本框架結(jié)構(gòu)設(shè)置如下：縱向設(shè)置6跨，橫向設(shè)置3跨，每跨跨度均為6.6 m，層高3.6 m，共4層；柱截面為600 mm×600 mm，梁截面為250 mm×500 mm，樓板厚度為180 mm，混凝土強(qiáng)度等級均為C30，彈性模量為3.0×104MPa；填充墻厚度200 mm，折算梁間線荷載為5 kN/m，填充墻彈性模量為2.4×103MPa，密度為8 kN/m3。各工況中凡不設(shè)填充墻體作為分析單元時(shí)，均按梁間線性荷載考慮其荷載，以便保持各工況結(jié)構(gòu)整體分析一致性，方便各工況結(jié)果可對比性。

通過分析可得上述6種工況結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、結(jié)構(gòu)周期、層間位移比及振型，具體詳見表1；各工況計(jì)算基底剪力詳見表2。

本次分析按8度(0.2g)小震計(jì)算，場地類別?、箢悾瑘龅靥卣髦芷谌?.55 s。

表1 6種工況模型框架的總質(zhì)量、周期與振型

表1小結(jié)：填充墻體布置均勻或不布置，結(jié)構(gòu)整體分析振型基本保持一致，結(jié)構(gòu)失效形式以典型的框架剪切破壞形式為特征。局部層剛度太小如工況2，結(jié)構(gòu)薄弱層轉(zhuǎn)移至該層，變形突變。而其他填充墻體布置形式并結(jié)合表1分析結(jié)果可知：扭轉(zhuǎn)效應(yīng):工況3>工況5>工況4；結(jié)構(gòu)整體抗扭性:工況3<工況5<工況4。

不過，情況很快就得到了扭轉(zhuǎn)。“以制度規(guī)范，以流程管控，建立全新的績效評價(jià)機(jī)制是改變的秘訣?！狈读嵴J(rèn)為，在遇到阻力之時(shí)，醫(yī)院領(lǐng)導(dǎo)班子的大力支持非常關(guān)鍵。除了進(jìn)一步調(diào)配人力、物力與財(cái)力，盛京醫(yī)院2011年建立的崗位職責(zé)與績效評價(jià)指標(biāo)，以及護(hù)理能級激勵(lì)機(jī)制在這一階段被完善，職稱晉升和“評優(yōu)”也成為做強(qiáng)延伸護(hù)理的重要抓手。

表2 6種工況模型框架的基底剪力 kN

表2小結(jié)：通過分析可知采用規(guī)范折減自振周期的做法(工況6與工況1對比)，能實(shí)現(xiàn)地震剪力的放大，與實(shí)際設(shè)置填充墻體的結(jié)構(gòu)底部剪力較好吻合，但難以解決由于填充墻不合理布置導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體抗扭能力減弱，甚至局部樓層可能轉(zhuǎn)換為薄弱層，使結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)加劇，與可知框架結(jié)構(gòu)失效形式不同，不利結(jié)構(gòu)抗震安全。

4 實(shí)際震害表現(xiàn)及設(shè)計(jì)對策

北京時(shí)間2008年5月12日發(fā)生在汶川縣里氏8.0級大地震，大量建筑物損壞，給廣大人們生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。填充墻體不同布置的框架建筑在地震中的破壞形式，也客觀上給我們研究框架結(jié)構(gòu)提供了范本，結(jié)合文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]，對填充墻體不同布置的框架結(jié)構(gòu)地震失效行為進(jìn)行分析。

4.1 填充墻體豎向布置不均勻?qū)е铝吮∪鯇悠茐?/p>

一些框架結(jié)構(gòu)，由于建筑功能的需要，將底部設(shè)計(jì)成空曠層，而上部則作為住宅或辦公，有小房間分割，填充墻體上下不均勻，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上剛下柔，此類房屋地震中底層破壞嚴(yán)重，形成薄弱樓層，類似于底框，同分析工況2，底層較上部位移大好幾倍，甚至十幾倍，形成了薄弱層，如圖6所示為汶川地震中都江堰某新建房屋破壞就屬此類破壞。

通過分析及實(shí)際結(jié)構(gòu)抗震表現(xiàn)，現(xiàn)針對此類框架結(jié)構(gòu)提出設(shè)計(jì)對策：1)按底層框架—抗震墻砌體房屋的相關(guān)要求，驗(yàn)算上下樓層的剛度比值，在底部設(shè)置必要的抗震墻(混凝土或砌體)，同時(shí)加強(qiáng)構(gòu)造措施；2)在建筑底部基礎(chǔ)部位設(shè)置隔震層，通過隔震層提高建筑的阻尼和自振周期，減輕上部結(jié)構(gòu)破壞。

4.2 填充墻體布置復(fù)雜，平面不對稱，豎向不均勻

通過分析及實(shí)際結(jié)構(gòu)抗震表現(xiàn)，針對此類框架結(jié)構(gòu)提出設(shè)計(jì)對策：

1)在建筑方案階段對建筑隔墻布置進(jìn)行考慮，盡量均勻、對稱布置，當(dāng)無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)將局部剛性材料填充墻體(如磚墻砌體等)改為柔性填充墻體(如輕質(zhì)隔墻)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心不偏離。2)加大結(jié)構(gòu)邊榀構(gòu)件的抗震能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體抗扭能力。

4.3 填充墻體不合理布置帶來的局部構(gòu)件破壞

通過對汶川地震建筑破壞的總結(jié)分析，填充墻體不合理布置不僅對結(jié)構(gòu)整體抗震性能帶來影響，局部構(gòu)件破壞同樣值得思考。

情形一，砌筑不到頂，形成短柱剪切破壞，地震中易產(chǎn)生剪切破壞。

設(shè)計(jì)對策：對局部填充墻砌筑不到頂部位的框架柱，應(yīng)全高箍筋加密。

情形二，柱單側(cè)布置填充墻，在附加剪力作用下，柱上端易沖剪破壞。

設(shè)計(jì)對策：考慮附加內(nèi)力、柱上端加腋、附加斜向配筋等。

5 結(jié)語

針對框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分重視填充墻或隔墻的布置，重視填充墻體給結(jié)構(gòu)剛度帶來變化造成結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)的改變，應(yīng)根據(jù)建筑層高及房間分割情況，提前給建筑提供不同的墻體形式的建議，根據(jù)建筑墻體布局，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中理清結(jié)構(gòu)抗震性能，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)薄弱構(gòu)件的抗震能力，使結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“三個(gè)水準(zhǔn)”的設(shè)防要求。強(qiáng)化結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)理念，對可能形成短柱、柱端可能抗剪破壞的情形做出提前預(yù)判，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件(柱、梁)做局部加強(qiáng)。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 楊 偉，侯 爽，歐進(jìn)萍.從汶川地震分析填充墻對結(jié)構(gòu)整體抗震能力影響[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，49(5):770-775.

[4] 潘 毅，楊 瓊，林擁軍，等.汶川地震中填充墻對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響及分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2010，36(5):141-144.

Discussion on the impact of filling wall layout upon frame structure integrity analysis★

Chen Xiaocai

(ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China)

The paper introduces non-bearing filling wall structure regulating methods, considers its existing problems, analyzes different filling wall setting conditions by combining with examples, and put forwards corresponding design countermeasures, which has provided some guidance for similar engineering in future.

filling wall, frame structure, seismic performance, weak story

1009-6825(2017)18-0015-03

2017-04-20★：山西省建筑科學(xué)研究院科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：1608)資助

陳小才(1980- )，男，碩士，工程師

TU375

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