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浅析填充墙对框架结构抗震性能的影响【摘要】填充墙框架结构具有良好的经济性和适应性，并且建筑平面布置灵活。因此，今后仍将是建筑结构设计中广泛采用的结构形式。框架结构一般使用填充墙来进行房屋的分割。在过去的几十年中，人们主要致力于主体结构系统抗震性能的研究，而忽略了非结构部分的影响。结果导致在许多震害中建筑物破坏严重。本文通过对震害报告提供的框架结构中填充墙破坏形式的分析，总结了填充墙对框架结构抗震性能带来的影响，指出了今后应以实现基于性能的抗震设计为目标，针对新型砌体填充墙框架结构开展系统研究。【关键词】框架结构填充墙抗震性能一、引言填充墙框架结构是现阶段我国应用最广泛的一种建筑结构形式。由于其建筑布置的灵活性被广泛应用于办公楼、商业建筑及住宅中，填充墙用来分隔房屋。研究和设计中常常将填充墙作为非结构构件处理，而忽略填充墙对框架主体结构抗震性能的影响。实际上在地震作用下填充墙与框架是共同作用的，填充墙的存在不仅改变了结构体系的刚度、强度及其分布，还对主体结构构件的局部约束条件产生不利影响。较强的填充墙也被认为非常容易在混凝土柱中引起脆性剪切破坏。因为，填充墙框架的抗震分析和设计研究已为越来越多的专家和工程技术人员所重视。二、在地震中框架填充墙的震害形式及原因分析2.1填充墙在地震中的主要震害2008年5月12日14时28分，四川发生8.0级强烈地震，震中位置位于成都西侧80km的汶川县，震源深度14km，震中区烈度在11度，此次地震是新中国成立以来破坏力最强、波及范围最广、救援难度最大的地震，给震中和地震波及区带来了极大的损失，而造成损失最直接的原因之一是房屋建筑的破坏和倒塌。框架嵌砌填充墙使得结构刚度增加，结构周期变小，地震作用大，这是对建筑抗震不利的方面；框架受到墙体的支撑，提高了自身抗侧能力，填充墙作为第一道抗震防线承担一部分水平地震力，这是对建筑抗震有利的方面。框架设置填充墙究竟对主体结构抵抗地震作用有利还是不利目前尚无定论。需要通过框架填充墙结构在地震中的表现来回答。在四川地震区的多层和高层房屋建筑大多数采用钢筋混凝土结构，框架结构应用居多。框架结构填充墙体和围护墙体在地震中发生了不同程度的破坏，其破坏特征可以归纳为三种类型。第一种类型是嵌砌于柱间的填充墙收到水平地震力后，出现水平向、十字交叉、八字交叉或垂直向裂缝，填充墙砌体局部压碎，或缺乏拉结发生出平面倒塌。第二种类型是贴砌与柱边的围护墙体拉结不牢倒塌，立面凸出或凹进的填充和围护墙体构造措施不当引起的破坏。第三中类型是填充墙平面布置不对称产生扭转效应、竖向布置不连续造成薄弱层，框架总体结构发生损伤和破坏。2.1.1框架结构填充墙的破坏1.梁底和柱边裂缝框架与填充墙形成一个组合构件，地震作用下，共同承担框架整体弯矩和层间剪力。框架填充墙结构施工时，框架浇筑完成后再砌填充墙，墙体砌至框架梁底，充填砂浆难以密实，墙顶与梁底留有缝隙，成为组合构建的的薄弱部位。框架填充墙结构在水平地震力作用下，会受到整体弯曲作用，框架变形属于剪切型，下部的层间位移较大。当框架底层层高大、柱整体抗侧能力较弱的情况下，还会再柱边与墙体交接处发生拉脱裂缝地震作用较大时，梁底和柱边的裂缝会进一步扩展，在交接界面相互挤压，导致交接处砌体损伤2.填充墙十字交叉对角裂缝地震作用下，填充墙与框架共同工作，一方面墙体受到框架的约束，另一方面框架受到填充墙所提供的支撑作用。由于填充墙早期的刚度大，吸收了较大的地震作用，而其本身强度将对较低，填充墙首先开裂。填充墙的震害大部分是沿填充墙对角线产生斜裂缝或者交叉裂缝当填充墙高宽比在1.0～1.5之间，填充墙两侧有柱提供边界约束时，填充墙破坏路径沿墙体对角线发生，此时破坏路径不能完全沿阶梯型灰缝发展，部分粘土砖或砌块产生剪切破坏。由于砌块抗剪强度大于砂浆抗剪强度，因此对角线裂缝主要由砂浆灰缝剪切破坏造成。3.填充墙八字交叉对角裂缝当填充墙高宽比比较小，在0.5～1.0之间，则会沿填充墙对角线方向产生沿灰缝的阶梯型剪切和滑移裂缝，填充墙裂缝由柱上下端作用力处产生，沿对角阶梯型灰缝发展至另一端。对于低矮填充墙，由于破坏角度较小，斜向对角裂缝不能贯通，会再填充墙中部伴有水平裂缝，水平裂缝砂浆产生剪切滑移。这类斜向裂缝下部形如正“八”字，上部形如反“八”字，可以称为填充墙八字交叉对角裂缝。4.填充墙垂直向交叉裂缝当填充墙高宽比较大，在1.5～2.0之间时，对于高窄填充墙，由于破坏角度较大，填充墙无法沿对角线方向产生沿灰缝的阶梯型裂缝，但其破坏路径仍沿墙体对角线发展，但此时填充墙的破坏不在取决于灰缝砂浆强度，而是部分由粘土砖或砌块强度控制，填充墙拐角处局部斜向裂缝，墙体中部出现垂直裂缝。5.填充墙开门窗洞口裂缝分布当填充墙上开门窗洞口时，会削弱填充墙的刚度，降低填充墙参与工作的能力。开有门窗洞口的填充墙，洞口在填充墙对角线上时，裂缝从填充墙对角处向洞口对角处发展，为填充墙对角线有洞口裂缝开展情况。2.1.2框架填充墙构造不当引起的破坏及分析1．填充墙与柱的拉结在我国《建筑抗震设计规范》中，要求填充墙与框架柱之间设置拉结钢筋并且对于过高或过宽的填充墙中间要设置水平系梁或构造柱，以保证填充墙的安全性和可靠性。但是在地震震害分析中发现，大量填充墙拉结筋长度不足或没有设置拉结钢筋。空心砌块墙体不易与柱拉结，整体受力性能很差，应采取加强的构造拉结措施。填充墙预埋管道削弱砌体截面，地震时墙体易于发生破坏，应采取加强的构造连接措施。2.贴切围护墙塌落框架结构贴砌围护墙体，墙体周边没有梁柱提供侧向约束，仅依赖预埋在柱中的钢筋拉结，地震时往往成片倒塌。应采用嵌砌填充墙并加强与柱的拉结。3.局部挑砌和贴砌围护墙建筑师为了建筑物里面造型的需要，在框架建筑上局部外挑小梁，挑砌和贴砌的围护墙，挑出部分局部应力集中。如果在转角处未设构造柱，凸出填充墙缺乏拉结措施则会发生坍塌。此类局部贴砌和挑砌装饰墙体在地震区应予以避免，或采用加强的构造措施，不可位于建筑物入口上方，地震时倒塌会危及生命安全。4.凸出墙面方形、圆形和弧形填充墙对于方形、矩形突出墙面的填充墙，凸出和凹进部分受力复杂易于破坏，此类破坏应在填充墙转角处设置构造柱，约束墙体避免开裂后散落。5.半高填充墙形成的短柱破坏框架中用于内部分隔的填充墙一般为石砌墙体，用于维护的外部填充墙，由于开窗的需要，常将窗台墙嵌砌在框架柱之间。半高填充墙对框架柱下部施加约束，减小了框架柱弯曲长度，形成短柱。短柱的刚度大于框架结构中的其他柱，地震作用下短柱会吸收更多的地震作用，在侧向力作用下产生剪切破坏。短柱的耗能能力较低，破坏具有明显的脆性性质，短柱的存在会降低建筑物的抗震性能。我国的《建筑抗震设计规范》对短柱有着明确限制，要求框架柱的剪跨比不宜小于2。但是在进行设计时，往往只按照柱的截面尺寸和柱净高来复核剪跨比，而未考虑填充墙引起的短柱效应。6.非受力填充墙破坏框架结构填充墙，宜采用粘土实心砖或粘土空心砖作为砌筑材料，粘土砖受力性能好，承载能力高，若墙体与框架柱之间有可靠连接，填充墙和框架梁柱可以共同抵抗地震作用。加气混凝土或泡沫混凝土等轻质混凝土材料砌筑填充墙，材料强度低，耗能能力差，填充墙一旦开裂，砌体随之破坏。若采用此类材料砌筑填充墙，不能考虑填充墙作为抗震防线分担地震力，还应采取加强的拉结措施，将墙体和框架进行拉结，以防地震时倒塌伤人。三.填充墙对结构抗震性能的影响3.1填充墙对框架结构抗震性能的有利影响填充墙的加入对框架结构抗震性能有很大的影响。由于填充墙在平面内的刚度很大，与同条件下没有填充墙的柔性空框架相比，在填充墙框架中的墙体能大大增加框架的抗侧刚度，在钢筋混凝土框架受到水平地震作用时，填充墙参与了抵抗水平力。众多试验结果显示，框架的变形随着填充墙布置的多少由纯框架的剪切型向弯曲型变化：填充墙较少时为弯剪型；填充墙较多时为弯曲型。因此，若填充墙布置得当有利于提高结构的整体性能。填充墙的加入使结构的自重和刚度都有比较大的改变。国内外的试验和理论研究表明。与原结构连接紧密的填充墙能吸收一部分的地震力，填充墙的刚度贡献对结构的抗震性能有一定的改善。多次地震灾害的现场资料表明：框架建筑由于填充墙的存在，在地震中有明显优势，填充墙破坏的过程中，吸收了塑性发展后的很大一部分能量。这对抗震的设计是有很大优势的。而且，延性框架加上脆性砌体使得开裂后的荷载和位移比纯框架结构达到的最大位移要大。填充墙对结构抗震性能的有利影响可以总结为以下几点：（1）使结构抗推刚度增大，自震周期减短，从而使作用于整个建筑上的水平地震力增大，增加的幅度可达30%~50%。（2）改变了结构的地震剪力分布状况，由于砌体填充墙参与抗震，分担了很大一部分水平地震力，反而使框架所承担的楼层地震剪力减小。（3）由于砌体填充墙具有较大的抗推刚度，限制了框架的变形，从而减少了整个结构的地震侧移幅值。（4）提高了建筑物的吸收和耗散地震能量的能力，从而提高了整个建筑的抗震能力。3.2填充墙对框架结构抗震性能的不利影响如果填充墙在结构中布置不当，会造成本来均匀归整的框架结构的刚度中心偏移，从而使结构在地震作用下的扭转反应进一步加大。在结构计算中，由于水平力的分配未考虑填充墙的影响，水平力全部由框架来承担，并按刚度进行分配，从而使得有填充墙的框架与没有填充墙的框架分配到的地震力是相等的，此结果显然是不合理的。事实上，由于填充墙对刚度的影响，没有填充墙对刚度的影响的框架收到的水平力计算值偏大，而有填充墙的框架部分受到的水平力计算值偏小。建筑设计时，填充墙的布置是为了满足功能分区而设置的，其布置的随意性较大，这样就有可能产生不利于结构整体抗震性能的填充墙布置方案。另外，由于填充墙平面布置不合理，使得结构质量中心与刚度中心有较大偏移，在地震作用下产生较大的扭转效应。再者，我们的研究均以填充墙连续分布的模型为研究对象。而实际结构中，多数填充墙不是连续均匀分布的，这就使得许多理论结果与实际结构的结果出现偏差。填充墙加入影响了结构的刚度变化，导致了结构层间刚度的不均匀。同时，不同结构层内，填充墙的数量或布置方式的差异，形成了上下层的填充墙的不连续，这可能导致相邻层间刚度突变，这对结构的抗震十分不利。填充墙造成框架柱的附加作用。附着框架柱的填充墙对框架柱造成了应力集中。而且同一结构层内，由于填充墙的分布方式不同，是的竖向力的分配和水平地震剪力的分配也发生变化，造成同一层内框架柱的竖向受力和水平受力不均匀。开洞的填充墙框架可能对框架柱造成“短柱”效应。填充墙的布置和洞口的开设使得框架柱的计算高度减少，形成“短柱”，在水平力作用下，容易提前发生塑性铰破坏，在抗震中非常不利。填充墙对框架结构抗震性能的不利影响可总结如下：（1）填充墙在平面内宜均匀、对称地分布。填充墙如偏置于结构的某一侧，会造成楼层质心与刚心产生较大的偏移，地震作用下将使结构发生严重平面扭转而造成框架破坏。（2）填充墙沿房屋竖向的分布宜上下连续、贯通。结构沿竖向的刚度分布亦要求均匀，并逐步变化，不应出现突变。但通常由于建筑或使用需要，结构相邻层的填充墙不能保证竖向连续，如底层大空间需要或结构不能避免的错层存在等。这些因使用用途的改变或地势条件限制等得到的不规则填充墙布置，都会使结构竖向刚度分布不均匀、甚至突变，则结构容易在填充墙少的楼层形成薄弱层，在地震作用下薄弱层柱端将产生很大的塑性集中变形，楼层同时发生很大侧移而导致建筑坍塌。（3）结构因出入和采光需要在墙上设置的门窗洞口，易形成短柱现象。在地震作用下，框架柱在形成短柱后极易弯曲强度得到发挥之前、先发生脆性的剪切破坏。（4）填充墙的数量分布也直接影响整个结构的整天刚度。因此，为使各层刚度能尽量接近，希望各层的填充墙数量相差不多，这样重量和刚度都会比较均匀，分布也会比较均匀。但有时功能的要求使得填充墙的布置数量会相差较多，这样会使结构的刚度变化不均匀，削弱结构的抗震能力。四.在《建筑抗震设计规范》中有关填充墙设计要求的变化随着近几年地震的频发，填充墙在地震中的震害问题越来越成为不容忽视的问题。在抗震设