试论填充墙对混凝土框架结构抗震作用的影响.pdf

第5 期 2 O O 8 年5 月 广东土 木与建 筑 GUANGD 0NG ARC HI T EC I TURE CI VI L ENGI NE ERI NG N o ． 5 MA Y 2 o 吣 试论填充墙对混凝土框架结构抗震作用的影响 胡卫红 宁潘芳 佛山市顺德建筑设计院有限公司 广东佛 山 5 2 8 3 0 0 摘要 目前在现浇混凝土框 架结构计算 中， 填充墙 通常仅是作 为作 用于梁上的荷栽进行分析 ， 而忽略 了填充墙 对框架结构刚度 的影响 ， 只是在周期计算时乘以折减 系数加 以考虑。 笔者认为该法存在 较大的误 差， 有时会 导致 对地震作用估计 不足 而使结构抗震 失效 ， 通过 实例计算分析和比较 ， 提 出了填充墙参与框 架结构计 算的方法。 关键词 框架结构刚度 ；填充墙 ；周期折减 系数 ；层 间位移角 ；平动 ；扭转 1概述 在现浇混凝土框架结构的抗震设计 中 ． 为了简 化计算 ． 目前通常将填充墙作为荷载作用在框架梁 上。在地震作用下 。 为了粗略考虑填充墙对结构周期 的影响． 视填充墙 的布置疏密而选用 0 ． 6 0 ． 8周期折 减系数来调整结构周期 ． 以此加大地震作用下 的结 构内力。 这种方法较简单 ． 对结构分析软件的功能要求 不高． 特别是在结构较规整 ， 填充墙布置在同层内大 致对称 。 竖向各层填充墙均匀 。 对整体结构刚度影响 较均匀时 。 也不失为一种可行的方法。但笔者认为 任何形式的框架结构以及各种布置的填充墙都使用 这种计算模型 。 就有可能得到误差较大的结果 ． 甚至 会造成结构抗震设计失效 ， 危及建筑安全。 填充墙与混凝土框架结构的材质不同 ． 填充墙 一 般为粘土砖墙 、 灰砂砖墙 、 加气混凝 土砌块墙 ， 其 强度和弹性模量较混凝土墙小得多 。 但作为墙体来 说 。 其抗楼层侧移刚度却 比框架要大。填充在框架 柱梁之间的填充墙 ． 其作用相当于剪力墙 ， 增大了原 框架结构的抗侧移刚度 。填充墙对框架结构的不利 影响主要有以下几种布置方式 ①偏置于建筑一隅， 造成楼层质心与刚心产生较大偏离 ． 地震作用时将 使结构发生平面扭转而导致构件破坏 ②在建筑上 下相邻层或有或缺 ． 使结构竖 向刚度很不均匀 ． 甚至 突变 ． 填充墙少 的楼层易形成薄弱层 ， 地震作用时将 使薄弱层柱端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在建筑某层上紧 贴柱填充时其高度未及上层梁底 ． 使柱形成短柱． 在 地震作用下短柱很易发生剪切破坏 。 1 0 以下通过 比较框架结构 的 2种填 充墙布置方 式 ， 对采用 2种计算方法所得出的结果进行 比较 ， 从 而提出针对不同填充墙布置方式宜采用的正确计算 分析方法。 2 计算模型设定 取一简单对称的框架结构 纵向 8跨各6 m． 横 向 2跨各 8 m。 共 4层。梁截面 2 5 0 x 6 0 0 ． 柱截面 4 0 0 x 4 0 0 ； 首层层高 5 m， 2 4层层 高 4 m； 板厚 2 0 0 m m； 楼 面饰面 l k N ／ m 2 ； 2 4 层活载 3 k N ／ m 2 ； 砖墙 1 5 k N ／ m； 天面活载2 k N ／ m 2 ； 天面女儿砖墙 3 k N ／ m 。 梁填充墙按 2种方式布置 方式 A为 2 4层框 架梁上均布置填充墙 ，但首层空旷不布置填充墙 ； 方式 B为 2 4层框架梁上均布置填充墙 ．但首层仅 最右横向 1 榀框架 1 跨布置填充墙 。 该框架结构的三 维模型如图 1 所示。 A 、 B 2 层填 充墙 考虑填充 墙刚 度时． 此片 墙考虑 A 图 l 填充墙布置方式 A、 B的三堆模 型 填充墙的计算亦采用以下2 种方法 ①将填充墙 作为线荷载 ， 不考虑其对框架结构计算 刚度影响 ， 即 目前设计通常采用的方法； ②将填充墙作为剪力墙 维普资讯 2 0 0 8 年5 月 第5 期 胡卫 红等 试论填充 墙对混凝土 框架 结构抗震 作用的 影响 M A Y 2 O 0 8 N 0 5 单元 。 按填充墙弹性模量直接考虑其对框架结构刚 度影响 本例仅把图 1的端墙作为剪力墙单元计算 。 其它填充墙则不作为剪力墙单元 。 仍按线荷载计算。 为便于叙述 当方式 A或 B将填充墙作为线荷 载计算分析 ， 不考虑其刚度时 ， 表示为 A 1或 B1 ； 当 方式 A或 B将图 1 的端填充墙作为剪力墙单元计算 分析时。 表示为 A 2或 B 2 。这样我们得到以下 4个计 算模型 。 即 A1 ， B1 。 A 2 。 B 2 。 3 计 算 结果 通过对上述 4个模型的计算 ， 共得出 4组结果 ， 表 1为结构在横 向水平地震作用下的平动和扭转周 期 、 各楼层水平扭转位移 比、 各楼层层间位移角 、 各 楼层剪力。结构分析采用 S A T WE软件进行 。 表 1 各模型的计算结果比较 A1 各层水平扭转位移 比 1 ． O 。说明结构各层没 有扭转， 只有平动 首层层间位移角 1 ／ 5 5 1 ， 2 4层 层间位移角 1 ／ ／ 6 6 7 1 ／ ／ 1 6 6 2 。 说 明首层和上层侧移接 近。 且结构上下刚度较均匀 A 2各层水平扭转位移比 1 ． O 。说明结构各层没 有扭转 ， 只有平动 ； 首层层间位移角 1 ／ ／ 4 5 9 ， 2 4层 层间位移角 1 ／ ／ 4 2 9 0 1 ／ ／ 4 8 6 7 ．说明首层 比上层有较 大侧移 。 且结构上刚下柔。 B 2首层水平扭转位移比 1 ． 9 。 说 明结构第 2楼层 开始发生很大扭转首层层间位移角1 ／ 3 3 0 ， 2 4 层 层间位移角 1 ／ ／ 3 9 3 3 1 ／ ／ 4 0 8 9 ．说 明首层 比上层侧移 大 。 且结构上刚下柔 4 计算结果的比较和分析 4 ． 1 A1与 B l 相 比． 结果几乎相同而没有变化 其 原 因是当填充墙 以线荷载输入时 ， 由于模型 A、 B中 的框架结构相同 。 而填充墙对整体刚度没有影响。 且 2层 以上填充墙布置相同 ．仅首层模型 B的右端布 置了 1 道填充墙 ． 该填充墙作为线荷载直接传给了地 基梁。 对上部结构无影响 。 因此 A1 与 B 1结果相同。 4 ． 2 A1 与 A 2相 比。 结果有所不 同。虽然模型 A、 B 中的框架结构以及填充墙布置相 同。但 A1是将填 充墙 以线荷载输入 。 A 2是将填充墙以剪力墙输入 ， 这使得 A 2的 2 4层侧移刚度 比 A1大得 多 。因此 A 2比 A1的 2 4层层 间位移角要小得多 ；但发现 A 2比 A l首层层间位移角和地震水平剪力要大 ． 这 也是 由于 A 2比 A 1的 2 4层侧移刚度大得多 ． 使首 层地震水平剪力随着增大的缘故 A 2和 A1 属于对 称结构和对称荷载 。 如果设计 中按 A1 计算 。 而将计 算 出的周期乘 以折减系数 0 ． 6 0 ． 8 。 就相当于考虑填 充墙的刚度影响 ． 最后得 出的结果近似于 A 2 ． 因此 对称结构和对称布置填充墙时。将填充墙以线荷载 输入 。 并考虑周期折减 。 结果还是可用的。 4 - 3 A1与 B 2相 比 。 结 果就 大不 相 同 。B 2 、 A 2的 2 4层侧移刚度 比 A1大得多 ． 但 B 2首层右端填充墙 也是剪力墙 ， 使 B 2首层侧移刚度 比 A1 、 A 2都要大， 且 B 2首层填充墙位于整个结构右端 ． 造成 B 2的 2 4层质心与首层刚度 中心发生很大偏离 ． 在地震作用 下 。 第2层发 生严重水平扭转 。 其首层左端框架层间 位移角 比A1 、 A 2都要大 ． 易造成首层左端框架柱破 坏。因此 。 即使是对称的框架结构 。 如填充墙布置严 重不对称 。 再将填充墙以线荷载输入。 则考虑周期折 减后 因扭转造成的结果也难以估计 5带填充墙框架的地震实例分析 1 9 7 6年 危地马 拉地震 时 。某 护士 学校 1座 3层 建筑 ， 带地下室 。 矩形平面 2 7 ． 5 m x l 1 ． 5 m。 由单跨 7榀 框架填充墙构成 ．上部 2层和屋顶均设计有悬臂结 构长 2 ． 5 m， 并砌有砖墙 ， 框架 内不规则布置填充墙 ， 严重不对称 ， 首层还有半高填充墙填充在框架 内。 使 首层某 些柱形成短柱 在地震作用下 。 由于填充墙不 均匀布置造成建筑质心与结构刚度中心偏离。结构 发生了很大的水平扭转 。边榀框架内 2 、 3 层填充墙 1 1 维普资讯 加惦年5 月 第5 期 广东 土木与 建筑 M A Y 2 o 帽 N 剪切和压碎破坏 ． 首层因填充墙形成 的框架短柱也 发生了剪切破坏 该建筑结构破坏的状况与将填充 墙 当剪力墙计算分析的结果是类似的 台湾 1 9 9 9年集集地震中． 某客运汽车站为框架 结构楼房 ， 上部几层框架 由填充墙砌筑 。 首层开敞 ， 因此整个结构上刚下柔 。 在地震作用下 ． 首层柱大侧 移破坏 ． 其受力状况如同本文计算模型 A 2的情形。 还有某邻街店铺 ， 框架结构 ， 店铺 门面框架开敞 ， 店 铺后纵墙是填充墙 ． 填充墙布置前后严重不对称 ． 使 建筑质心与结构刚度中心偏离 ． 在地震作用下 ． 结构 发生水平扭转。 店铺门面柱严重破坏 。 造成建筑首层 坍塌。其受力状况如同本文计算模型 B 2的情形 6结 语 以上的分析表 明． 框架结构 的填充墙对整体 刚 度的贡献很大 。 当填充墙布置严重不对称时 ． 将会造 成建筑质心与结构刚度 中心很大偏离 ． 地震作用将 使结构发生严重水平扭转而可能造成框架破坏 目 前在结构设计中． 通常将填充墙 以线荷载输入 ． 虽然 考虑周期折减 能增大地震作用 ． 但这种方法对 因填 充墙引起的结构水平扭转却没有计算 笔者建议对填充墙布置严重不均匀的框架结构． 应考虑填充墙对框架的刚度影响．将填充墙作剪力 墙输入 ， 并考虑填充墙与框架的接触模式 。 如柔性连 接 、 刚性连接或分缝接触等 。 这样的计算模型才能反 映与实际框架建筑在地震作用下类似 的受力情形 ． 才能为抗震设计提供正确的内力结果 另外半高填 充墙会使框架柱形成短柱 。 应尽量避免 ． 确实无法避 免的可采取措施 ． 如加密短柱箍筋 ． 或使填充墙与柱 用缝隔离 。 缝 中填柔性材料等。总之 ， 对于现时框架 填充墙在抗震设计时当作非结构构件 ． 将随着计算分 析软件功能的加强 ． 视具体情况以结构构件的角色进 入计算分析 。 从而更准确地模拟地震作用和效果 。 参考文献 [ 1 ]G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范 [ S ] [ 2 ]建设部抗震 办公 室编．建筑抗震设计 规范 G B J 1 1 - 8 9统 一 培训教材 [ M] ． 北京 地震 出版社 ， 1 9 9 0 [ 3 ]王 亚勇 ， 戴 国莹编．建筑抗 震设 计规范 疑问解答 [ M] ． 北京 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 6 上接第 5页 第 2次试验标 明上述两项改进效果非常明显 ． 节点进入宏观变形时的承载力大幅提高 最终试验 结果表 明 B型节点加载至 4 ． 5倍设计荷载． C型节点 加载至 3 ． 2倍设计荷载 ．均未出现明显的破坏现象 ． 且加载力均超过轴承额定静载荷． 但轴承均未破坏 ． 试验结束后仍能 自由转动 ． 试验结果见表 3 1 级荷 载为 0 ． 1 倍设计荷载 。由试验结果可见 ， 节点有足 够 的安全系数 ． 且破坏形态完全满足设计该节点时 定下的 3条原则 3结论 许多工程在计算模型中， 铰节点都放松了 、 的约束 ．但常规采用的铰节点一般为销轴这类单 向 转动的节点． 对于受力复杂的空间结构体系 。 支座位 置出现两向的转动 ． 若采用单向转动的节点 ． 另一方 向由于耳板与销轴的约束难 以转动而产生较大的应 力 。 而本文介绍的万向铰节点 ， 很好地解决了计算模 型与节点构造的匹配问题 ．在相类似的工程 中可参 考使用 上接第 7页 参考文献 [ 1 ]深圳市盐 田区综合 体育馆风洞动态测压试验报告 [ R] 1 2 广东省建筑科学研究院 ． 2 0 0 7 [ 2 ]J G J 6 1 2 0 0 3 J 2 5 8 2 0 0 3网壳结构技术规程 [ S ] [ 3 ]G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢结构设计规范 [ S ] 维普资讯