填充墙在框架结构抗震性能方面的影响研究

填充墙在框架结构抗震性能方面的影响研究

陈雨蒙,彭󰀁伟

(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)

󰀁󰀁󰀂摘󰀁要 󰀁汶川大地震中大量的震害表明,填充墙对于框架结构的刚度和抗震性能有很大的影响。针对汶川地震的震害,对填充墙对框架结构的抗震性能的影响进行了计算分析,并运用PKPM结构分析软件进行举例计算,来进一步说明框架结构中填充墙对框架结构抗震性能的影响,包括有利和不利的影响,以期在以后的结构设计中起到一定的参考作用。

󰀂关键词 󰀁填充墙;󰀁框架结构;󰀁抗震性能;󰀁震害󰀂中图分类号 󰀁TU398+󰀁2󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂文献标识码 󰀁A

震中的刚度不均引起的破坏。

󰀁󰀁框架结构是一种常见的结构体系,为了满足建筑的使用功能,填充墙成了框架结构中非常重要的非结构构件部分,主要是对框架结构进行房间分割和外部围护,所以在计算的时候都是将其作为外荷载加在梁上以简化计算。但是实践证明,填充墙对结构的抗震性能有很大的影响。

2008年5月12日发生在汶川的8󰀁0级大地震造成了大量的生命和财产损失。此次地震带给了人们沉痛,也带给了人们不少的经验和教训。通过对汶川大地震震害的考察,发现有很多结构由于填充墙的布置不当而造成的破坏;也有因为填充墙对结构的贡献,而使结构避免倒塌的例子。试想,如果在设计时能考虑到填充墙对框架结构承载力及抗震能力的影响,就可以大大减轻破坏的程度,人们的生命和财产安全得到更好的保护。

图1󰀁短柱破坏

1󰀁地震中由于填充墙布置不当引起的破坏

1󰀁1󰀁填充墙布置不当形成短柱

在框架结构的设计计算时,柱的尺寸都是经过轴压比验算过的,满足规范和受力要求,但在设计计算没有考虑到填充墙的影响。而在实际情况下,由于填充墙在柱的高度范围内不完全布置,如柱旁的窗下墙,填充墙跟柱子连接的部分在地震时相互作用,使得柱子独立部分的长度缩短,而柱的截面尺寸不变,因此形成短柱。短柱的刚度大于其他柱的刚度,地震中将承载更大的地震力,容易形成脆性的弯压和剪压破坏,如图1所示。

1󰀁2󰀁填充墙布置不当在竖向形成薄弱层

框架结构最大的优点是可以形成较大的空间以满足大空间的使用功能要求,如很大的建筑底层要求设成商场、超市、或者停车场等,而上部设成住宅,如酒店,家属楼等。这样的空间布置,就会造成上部填充墙多,下部基本上没有填充隔墙,在框架结构下部就成了一个薄弱层。在竖向因为结构刚度的变化太大,造成薄弱层破坏,如图2。而在设计计算中往往是将填充墙作为一种荷载,只在计算自振周期时考虑填充墙的影响,对其乘以一个折减系数。这就不能充分反映出填充墙对于刚度的影响,造成实际地

󰀁󰀁[收稿日期]2009-06-22

图2󰀁薄弱层破坏

1󰀁3󰀁填充墙平面内布置不均匀引起的扭转

根据概念设计要求,结构的平面布置一定要尽量均匀对称。即使梁柱布置对称,填充墙布置不对称也会造成平面内刚度的不均匀,平面刚心和质心不重合,引起结构在震动中产生一定的扭转而破坏。另外,由于不同层的使用功能不同,填充墙的布置引起刚心在竖向不在一条直线上,也会引

四川建筑󰀁第29卷󰀁2009󰀁09189!工程结构!

起结构发生扭转。

1󰀁4󰀁填充墙布置不当形成梁的破坏

底部填充墙由于地震的影响上下运动,对其上部的梁产生挤压,造成梁的破坏。另外,由于梁上下的填充墙开洞的影响,使得梁的长度在跨度方向上缩短,跨高比大大减小,形成短梁。短梁是脆性的梁,延性差,抗剪能力弱,破坏时易发生脆性的剪切破坏。

1󰀁5󰀁填充墙结构抗侧刚度引发的破坏

由于填充墙具有较大的抗侧移刚度,填充墙的布置,将使结构的抗侧移刚度增大,结构的自振周期变短,其对应的地震反应谱中的影响系数将偏大,从而使得整个建筑物受到的水平地震作用增大。根据文献[1]知,其影响增加的幅度达30%~50%。

图3󰀁梁的破坏

3󰀁1󰀁计算模型的选取

选取一个5层的简单框架结构模型:设纵向为X方向,

共6跨,每跨5m,横向为Y方向,共2跨,每跨7m,柱截面面积为400mm∀400mm,纵梁截面面积为250mm∀550mm,横梁截面面积为250mm∀600mm,底层层高为5m,2~5层为4m,填充墙采用240mm砖墙,自重22kN/m3,2~5层楼面活载3kN/m2,屋面活载取为2kN/m2,女儿墙为砖墙取自重为线荷载3KN/m。

对以上框架采用3种计算模型,

模型1:除底层不布置填充墙外,2~5层均在有框架梁的地方布置砖填充墙体,但所有填充墙只以线荷载的形式加载在框架梁上。

模型2:底层仍然不布置填充墙,2~5层均在有框架梁的地方布置砖填充墙体,但纵向两端的横墙采用砖实体墙建模,其余填充墙体仍以线荷载形式加载在其下框架梁上。模型3:该模型为非对称模型,其他条件跟模型2相同,但在模型2的基础上,在最左端的一档桁架的底层第一跨也设置实体墙,这样底层就存在了一面填充墙。3󰀁2󰀁模型计算及结果

采用PKPM软件来对三种模型进行抗震计算。这里首先用PMCAD建模,然后用SETWE进行分析计算。具体计算过程本文不详述,仅将能反映填充墙对结构抗震性能影响的计算结果列如表1。3󰀁2󰀁结果分析

3󰀁2󰀁1󰀁楼层剪力的对比

从表1中模型2与模型1的数据比较可知,模型2的楼层剪力较大,说明填充墙横墙的存在使得楼层纵向(Y方向)的抗侧移刚度增大,所承受的水平地震作用也增大,验证了1󰀁5节的分析。

3󰀁2󰀁2󰀁层间位移角的对比

从模型1的计算数据可以看出,其最大层间位移角随着楼层的增高而逐渐减小;而模型2的层间位移角在2~5层取近似值之后是相同的,在第一层相比却大很多。这说明,在2~5层布置填充墙,使得抗侧刚度明显增加,与底层刚度相差较大,使得底层形成薄弱层,验证了1󰀁2节所作的分析。

另外模型2的2~5层的最大层间位移角均小于模型1,说明填充墙的布置限制了梁柱的变形,也限制了楼层的位移,验证了2󰀁2节所作的分析。

2󰀁地震中填充墙布置合理所起的贡献作用

2󰀁1󰀁填充墙使框架结构的承载能力的提高

填充墙与框架相互作用,改变了整个框架结构的抗侧力。由于填充墙具有很大的抗侧刚度,在整个受震过程中,直至结构破坏,填充墙始终能够承担一部分水平荷载作用。因此框架结构布置有填充墙可以提高其承载能力,比单纯的框架结构能够承受更大的荷载作用。

在此次汶川大地震中,存在这样一些框架结构,即使框架梁和柱的混凝土都已经部分压碎而破坏,填充墙也已经临近倒塌,但是整个结构没有形成整体垮塌,保证了屋内的人员可以及时逃生。

2󰀁2󰀁填充墙的布置限制了结构位移

梁上下和柱左右的填充墙的存在约束了梁柱的变形,使得其变形不致过大,在一定程度上对梁柱起了保护作用,保证了梁柱的承载力损失不会过大。同时整个结构的层间侧移也相应减小。

2󰀁3󰀁填充墙的布置使得结构多了一道耗能防线

在结构设计的过程中,应该始终有个概念设计的思想。依靠规范固然可以设计出达到一定标准的结构,但如果能在设计中进行概念设计的多重考虑,设置多道防线,将会在很大程度上提高结构的承载能力,或者在地震来临的时候能延缓结构的破坏,为人员的逃生留出足够的时间。

填充墙具有较大的初始刚度。在地震初期,填充墙承担了大部分的剪力,它通过自身的变形和开裂,消耗了很大部分的地震能,使得主体结构的负担得以减轻。

此次汶川大地震中的事例证明了以上的分析。结构中的填充墙在地震时都发生了大小不同的破坏,有的仅仅开裂,有的发生了整体剪切破坏,很多填充墙已经失去了承载能力,但是主体结构的框架梁柱都完好无损(图3)。这就是填充墙的耗能作用为主体结构所做的贡献。

3󰀁举例分析填充墙对框架结构的抗震能力的影响

现选择一简单模型进行计算,对上文针对震害情况所做的部分分析(主要针对填充墙布置不当引起结构的扭转和填充墙对结构的刚度和承载能力的贡献)进行计算说明。

190四川建筑󰀁第29卷󰀁2009󰀁09!工

表1󰀁各种模型在Y方向地震作用下性能对比

楼层横向(Y方向)

的性能

楼层号5

楼层剪力Vy(kN)

43215

层间位移角Max-Dy/h

43215

最大层间位移与平均层间位移的比值

Ratio-Dy

4321

模型

133󰀁61104󰀁34154󰀁21192󰀁72221󰀁521/92621/38471/25811/20351/18851󰀁001󰀁001󰀁001󰀁001󰀁00

242󰀁96119󰀁03187󰀁96252󰀁12308󰀁81/99991/99991/99991/99991/15851󰀁001󰀁001󰀁001󰀁001󰀁00

378󰀁72149󰀁91213󰀁63271󰀁65293󰀁091/99991/99991/99991/99991/14041󰀁341󰀁441󰀁521󰀁561󰀁92

程结构!

各节中所得出的分析结论。

4󰀁结󰀁论

以上分析表明,填充墙对与结构的抗震性能有很大影响,包括有利的影响和不利的影响。填充墙作为非结构构件,它的布置可以在地震初期依靠自身的开裂和变形吸收很大一部分地震力,成了结构在地震作用下一道重要的耗能防线。同时填充墙对结构的整体刚度有很大贡献,可以提高框架结构的承载能力,减小水平地震下的侧移,但同时也增大了结构的地震作用。另外,如果填充布置不当,会造成结构的刚心偏离质心,使得结构在遇到地震的时候容易发生扭转,而且填充墙的布置不当会引起结构局部刚度和受力的变化,从而导致局部构件破坏,如上面分析的短柱破坏和短梁的破坏,而且填充墙由于自身在横向的刚度很小,地震时容易发生横向倒塌,造成人员伤亡。因此,为了建筑满足一定的使用功能,难以避免设置填充墙,但是可以根据地震中的经验以及设计时候的分析,本着概念设计的目的,合理地布置填充墙,尽量减小其对抗震不利的影响,利用其对结构抗震有利的方面,提高结构安全度,减小地震时的损伤。

(感谢西南交通大学结构系的赵世春、李力、彭伟、彭俊生、黄云德等老师,他们所撰的#汶川大地震震害分析∃给我很多的指导;也感谢中国建筑西南设计研究院的冯远总工程师在2009年5月12日所作的报告,给我很大的启示。)

参考文献

[1]󰀁赵国藩󰀁高等钢筋混凝土结构学[M].中国电力出版社,1999.[2]󰀁李乔,赵世春󰀁汶川大地震工程震害分析[M].西南交通大学

出版社,2008󰀁

3󰀁2󰀁3󰀁最大层间位移与平均层间位移的比值的对比

从表1的数据可以看出,模型1和模型2的最大层间位移与平均层间位移的比值在各层均为1,而模型3在各层的最大层间位移与平均层间位移的比值从上到下逐渐增大,到底层达到1󰀁92。说明在模型1和模型2中,结构因为布置完全对称均匀,其刚心与质心重合,没有发生扭转,层间位移都相等,因此最大层间位移就等于平均层间位移。而对于模型3,虽然各层的框架结构布置都均匀,但是由于填充墙布置的不均匀,对结构的刚度产生影响,导致在底层刚心与质心不重合,在水平地震作用的影响下,结构发生扭转。相对扭转幅度从上到下逐渐增大,而底层的刚度较其上各层明显要小,使得底层与2层的相对扭转幅度要比上面各层间的相对扭转幅度大。这在一定程度上验证了本文1󰀁2,1󰀁3,1󰀁5,2󰀁2

(上接第188页)󰀁(因有夹层梁,建模按5层考虑),剪力墙与框架柱承载力均可满足设防烈度提高后的要求。抗震验算结果表明,加固前的周期为0󰀁94s,结构很柔,加固后的周期为0󰀁32s。加固前结构的部分楼层弹性层间位移角大于1/550,纵向的弹性层间位移角较大,第2层出现最大值,最大值为1/419。从图5所示增加剪力墙前后结构的层间位移角的变化可以看出,增加剪力墙的抗震加固效果非常理想。

(3)结构体系改变之后,结构构件之间的传力路径、作用

方向和荷载大小也随之发生了变化,需要考虑新增构件和已有构件的协同工作,不能按常规构件满负荷的做法进行结构分析和设计。新增墙体必须考虑水平施工缝处的抗滑移能力。合理处理好新增墙体与已有构件的连接,适当的增加墙体数量是本工程的关键。

(4)框架结构抗震加固应避免弹性状态下形成%刚度软弱层&和弹塑性状态下形成%强度薄弱层&,刚度软弱层引起结构构件内力变化幅度较大,强度薄弱层引起结构楼层塑性变形集中,使结构出现%隐含危险转移&现象。

参考文献

[1]󰀁GB50011-2001建筑抗震设计规范(2008修订版)[S].[2]󰀁GB50367-2006混凝土结构加固设计规范[S].[3]󰀁JGJ116-98建筑抗震加固技术规程[S][4]󰀁JGJ145-2004混凝土结构后锚固技术规程[S].[5]󰀁08SG311-2混凝土结构加固构造[S].

4󰀁结论

通过对原有框架结构增加钢筋混凝土剪力墙的加固设计与施工,可以得出以下几点有意义的结论。

(1)在原建筑为框架结构体系,当设防烈度提高,梁、柱的截面尺寸及配筋均发生较大变动,使加固的工作量很大、工程造价很高时,可采用增加部分剪力墙,改变结构原有体系的方法来达到抗震加固目的。

(2)利用具有较大刚度且贯通结构全高的墙体或支撑框架等整体型关键构件控制结构变形模式进行整体加固,对构件采用包钢和粘碳纤维方法。

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