馮興良， 汪陳林， 趙 鑫， 周榆秋， 王 帥， 幸飛宇

(1.華匯建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 嵊州 312400；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

帶填充墻框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用很廣泛，在實(shí)際工程項(xiàng)目中的經(jīng)濟(jì)效益和使用效果非常好。在設(shè)計(jì)帶填充墻框架結(jié)構(gòu)體系房屋時(shí)，帶填充墻鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震能力不是兩者的抗震性能疊加，而是要考慮多種因素。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2016)中僅采用在純框架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，計(jì)算填充墻的自重，并考慮填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)體系自振周期的影響，水平荷載和豎向荷載由框架結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)。然而，大量的地震災(zāi)害調(diào)查和試驗(yàn)結(jié)果表明，這種簡(jiǎn)化處理的方式會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和實(shí)際工程結(jié)果差距很大。因此，需要深入考慮填充墻對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的作用。本文系統(tǒng)梳理了現(xiàn)有的填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)影響的具體結(jié)果，闡述了填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)的承載力、剛度、變形能力等抗震性能的影響。

1 填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)側(cè)向承載力的影響

填充墻在豎向不承受外力作用，僅視為起圍護(hù)作用的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，但在水平荷載(地震作用、風(fēng)荷載)作用下，框架結(jié)構(gòu)與填充墻可能存在協(xié)同工作，影響水平荷載分配以及側(cè)向承載力。因此，諸多學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)研究了填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)側(cè)向承載力的影響。

在地震作用下，首先由填充墻承擔(dān)大部分水平力，填充墻開(kāi)裂破壞后，框架整體剛度下降明顯，作用在框架結(jié)構(gòu)上的荷載也顯著下降，這一現(xiàn)象表明填充墻在框架結(jié)構(gòu)中承擔(dān)了水平地震作用[1-3]。單跨滿(mǎn)填填充墻的框架的極限承載力是空框架的1.82倍[4]，剛性連接的滿(mǎn)布黏土磚填充墻的框架的承載能力是空框架的1.60倍[5]。汪丹[6]的研究表明，純鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的承載力為180 kN，帶填充墻的混凝土框架結(jié)構(gòu)的承載力高達(dá)270 kN，填充墻框架結(jié)構(gòu)的水平承載力相比于純框架結(jié)構(gòu)提高了1.5倍。

諸多學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)側(cè)向承載力的提高，相較于空框架而言，填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)向承載力提高了1.5～2.0倍，這就為綜合考慮填充墻后框架的抗震設(shè)計(jì)提供了有力依據(jù)。

2 填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響

內(nèi)部填充墻支撐著框架梁、柱，外圍框架也約束著填充墻的變形，這兩者之間的相互制約使得結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)向剛度存在較大變化，隨著填充墻破壞愈來(lái)愈嚴(yán)重，填充墻對(duì)框架的側(cè)向剛度的影響也可能不同。

曹萬(wàn)林等[7]研究表明：填充墻框架結(jié)構(gòu)具有一定的抗側(cè)力作用，有填充墻的框架初始彈性剛度為空框架彈性剛度的10倍多。帶有門(mén)洞填充墻框架的抗側(cè)剛度為空框架剛度的4.357倍。Chaker A A[8]的研究表明，純框架的基本周期比帶填充框架的大很多，且?guī)畛淇蚣艿膫?cè)向剛度比無(wú)填充墻的高7倍。當(dāng)填充墻與框架結(jié)構(gòu)采用柔性連接，填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)，非柔性連接填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)在多數(shù)情況下是不容忽略的[9]。

一系列研究表明，采用半柔性及剛性連接的填充墻對(duì)框架的側(cè)向剛度影響都有數(shù)倍的提高，意味著整體框架受到地震力數(shù)倍增大，建筑結(jié)構(gòu)的地震風(fēng)險(xiǎn)大大提高，因此，框架的側(cè)向剛度需要考慮填充墻在地震中發(fā)揮的作用。

3 填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)自振周期的影響

框架結(jié)構(gòu)的自振周期是結(jié)構(gòu)的固有屬性，反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，與結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量有關(guān)。同時(shí)，在地震作用分析時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的自振周期是框架結(jié)構(gòu)一個(gè)非常重要的參考指標(biāo)，另一方面體現(xiàn)了框架結(jié)構(gòu)剛度的大小。

蔣躍[10]的有限元分析結(jié)果表明，純框架結(jié)構(gòu)的自振周期大于帶填充墻框架結(jié)構(gòu)的，填充墻致使結(jié)構(gòu)的自振周期變小，剛度變大，而且自振周期隨填充墻填充率越大、層高越高而逐漸減小。唐斌[11]、苗鳳[12]研究表明結(jié)構(gòu)自振周期會(huì)受到開(kāi)洞大小和洞口率的影響，隨著洞口面積增大可使結(jié)構(gòu)的周期增幅在 5%～33%波動(dòng)?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)規(guī)定的周期折減系數(shù) 0.6～0.7 的取值與填充墻洞口面積率為30%～37%時(shí)相符，當(dāng)填充墻洞口面積率在65%以上時(shí)，可不考慮填充墻對(duì)框架自振周期的增大。杜啟收等[13]通過(guò)對(duì)兩種容重級(jí)別不同的混凝土砌塊填充墻框架進(jìn)行研究，結(jié)果表明填充墻數(shù)量不同時(shí)，結(jié)構(gòu)第一自振周期折減系數(shù)為0.457～1.000和0.488～1.000；當(dāng)填充墻位置不同時(shí)，結(jié)構(gòu)自振周期折減系數(shù)為0.457～0.889和0.457～0.907，即填充墻數(shù)量和填充墻布置位置對(duì)框架結(jié)構(gòu)自振周期有很大影響。

由于填充墻與框架的協(xié)調(diào)作用，填充墻使框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度增加數(shù)倍，這就使得結(jié)構(gòu)的自振周期會(huì)相應(yīng)減小。填充墻數(shù)量和布置位置也是影響整體框架自振周期的重要因素，在考慮框架結(jié)構(gòu)調(diào)整自振周期時(shí)應(yīng)著重考慮這兩個(gè)方面。

4 填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)變形能力和耗能能力的影響

由于填充墻框架結(jié)構(gòu)中填充墻與框架的協(xié)同工作，且破壞后的填充墻仍對(duì)框架結(jié)構(gòu)有一定約束作用，使得結(jié)構(gòu)從開(kāi)始加載直到框架破壞的整個(gè)受力和變形過(guò)程比較平緩，有利于結(jié)構(gòu)的變形得到較好的發(fā)展和地震能量的充分消耗。

曹萬(wàn)林、龐國(guó)新[14]的研究結(jié)果表明，帶填充墻框架結(jié)構(gòu)整體明顯屈服時(shí)的層間位移角均值為1/275，而純框架結(jié)構(gòu)明顯屈服時(shí)的層間位移角均值為1/150，這一試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明框架與填充墻協(xié)同工作對(duì)結(jié)構(gòu)總體的變形能力有明顯的影響。周曉潔等[15]的試驗(yàn)結(jié)果表明，填充墻與框架之間的連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力有較大的影響，總體而言，柔性連接優(yōu)于剛性連接，設(shè)置芯柱優(yōu)于不設(shè)置芯柱。填充墻的不同布置方式對(duì)結(jié)構(gòu)耗能能力也有一定的影響，滿(mǎn)布填充墻框架較空框架和半高填充墻框架的耗能能力大為增加,其耗能能力最好，半高填充墻框架其次，空框架結(jié)構(gòu)最差[7]。林超等[16]的研究結(jié)果表明，不同類(lèi)型砌體填充墻框架試件都有良好的變形性能，其中變性能力尤為突出的是加氣混凝土砌塊填充墻框架，最大位移延性系數(shù)為 6.53。

地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)中填充墻承擔(dān)了大部分剪力，填充墻通過(guò)自身變形及墻面的開(kāi)裂不僅增加了結(jié)構(gòu)延性且消耗大量地震能量。填充墻一般優(yōu)先于外圍框架破壞，填充墻相當(dāng)于第一道抗震防線，框架結(jié)構(gòu)相當(dāng)于第二道抗震防線，使主體結(jié)構(gòu)的破壞程度大大減小。

5 填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)薄弱層破壞的影響

填充墻在建筑豎向不規(guī)則布置時(shí)，使得框架結(jié)構(gòu)豎向剛度分布不均勻，在布置填充墻較少的樓層將會(huì)出現(xiàn)薄弱層，而薄弱層的出現(xiàn)會(huì)使得框架的邊柱剪力和位移變化顯著，并且與上下樓層剪力和位移產(chǎn)生巨大差異，致使結(jié)構(gòu)的抗震性能受到影響。

楊光[17]的研究結(jié)果表明，含填充墻的框架結(jié)構(gòu)在時(shí)程分析罕遇地震作用下，在相同填充率條件下，填充墻布置導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則，使該結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移比豎向規(guī)則結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移偏大，且在未布置填充墻的樓層容易形成薄弱環(huán)節(jié)，層間位移發(fā)生突變，給結(jié)構(gòu)的整體抗震性能帶來(lái)不利影響，在薄弱層結(jié)構(gòu)易發(fā)生嚴(yán)重破壞。郭良[18]的有限元分析結(jié)果表明，當(dāng)中間樓層存在薄弱層時(shí)，布置填充墻較多的樓層層間位移可以忽略不計(jì)，而薄弱層的層間位移高達(dá)124.16 mm，層間位移角為 1/24，該位移角比純框架相同樓層層間位移角(1/60)增大很多，增幅為 150%，可見(jiàn)在結(jié)構(gòu)樓層連續(xù)布置填充墻能夠在很大程度上限制層間位移角的發(fā)展。

地震作用下，薄弱層破壞非常嚴(yán)重，薄弱層出現(xiàn)在首層的破壞尤為嚴(yán)重，這種結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)上部樓層滑移的現(xiàn)象，難以實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)避免此類(lèi)布置。在實(shí)際工程中，在建筑的豎直方向應(yīng)當(dāng)盡量均勻布置填充墻，建筑首層盡量要布置填充墻，以免形成薄弱層。

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)學(xué)者研究結(jié)果的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向承載力、抗側(cè)剛度、自振周期、變性能力及耗能能力等抗震性能影響是較為明顯的，主要結(jié)論有：

(1)框架結(jié)構(gòu)加入填充墻能夠提高結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向承載能力、抗側(cè)剛度、耗能能力，但變形能力有所下降。

(2)填充墻多為脆性材料，一般要先于框架結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，從而吸收大部分地震能量，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可將填充墻作為第一道抗震防線，而將框架結(jié)構(gòu)作為第二道抗震防線。

(3)由于填充墻在結(jié)構(gòu)豎向不連續(xù)布置，在地震作用下容易造成薄弱層破壞，使結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損甚至倒塌，在實(shí)際工程中應(yīng)避免填充墻豎向不均勻布置。

6.2 展 望

在框架結(jié)構(gòu)中，填充墻是不可忽視的重要的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對(duì)框架結(jié)構(gòu)受力影響較大，且對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響較為復(fù)雜。目前，諸多學(xué)者對(duì)帶填充墻框架結(jié)構(gòu)的研究還處于初步階段，仍需要做大量的工作。

(1)填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響研究還停留在單因素、單片墻體的試驗(yàn)研究階段，對(duì)于地震作用下填充墻與框架的整體協(xié)同作用還不夠清晰，可以進(jìn)行縮尺的或者足尺的帶填充墻框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。

(2)大量有限元軟件模擬框架中的填充墻是用等效模型，使得砌塊與砂漿間的黏結(jié)性能和摩擦作用在地震作用下不能很好地體現(xiàn)，為使模擬更加接近砌體的真實(shí)受力狀態(tài)，對(duì)砌塊與砂漿之間的微觀作用與受力情況還需進(jìn)一步研究，這樣可以精細(xì)化模擬砂漿和砌塊之間的黏結(jié)滑移、應(yīng)力狀態(tài)，以及有效模擬砌體填充墻的開(kāi)裂和失效模式。

(3)隨著國(guó)家對(duì)裝配式建筑的提倡和現(xiàn)代化建設(shè)的需求，裝配式大墻板成為熱門(mén)的研究課題，因此開(kāi)展不同材料、不同類(lèi)型的墻板對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響很有必要。