崔秀麗，趙桂峰*，馬玉宏，譚 平

(1．廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510006；2．廣州大學(xué)工程抗震研究中心 廣州大學(xué)減震控制與結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，廣州 510405)

填充墻及其布置方式對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

崔秀麗1，趙桂峰1*，馬玉宏2，譚 平2

(1．廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510006；
2．廣州大學(xué)工程抗震研究中心 廣州大學(xué)減震控制與結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，廣州 510405)

針對填充墻框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力特點,分析了填充墻對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的主要影響。首先，結(jié)合國內(nèi)外框架填充墻結(jié)構(gòu)理論和試驗研究成果，總結(jié)分析了填充墻的受力特點，然后選取合適的填充墻應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型，并利用PERFORM-3D軟件就填充墻布置方式對框架體系結(jié)構(gòu)的整體抗震能力的影響進行研究，最后基于以上分析研究，指出填充墻的布置方式對于整個填充墻框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能的影響，應(yīng)盡量對稱布置，以減免不必要的地震破壞；同時指出應(yīng)深入研究填充墻厚度、開洞及材料性能等對整體抗震性能的影響。

填充墻；布置方式；本構(gòu)模型；填充墻框架結(jié)構(gòu)；抗震性能

0 引言

一直以來，對于填充墻框架結(jié)構(gòu)抗震性能的研究主要集中于主體結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，而對填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其影響研究相對較少。由于填充墻本構(gòu)模型選取的不確定性、墻與框架相互作用的復(fù)雜性等，使得結(jié)構(gòu)整體的抗震分析極其復(fù)雜，大多采取把填充墻框架結(jié)構(gòu)簡化為空框架結(jié)構(gòu)來進行抗震分析,填充墻的影響通常簡化為荷載來考慮。但2008年汶川地震災(zāi)害表明：由于學(xué)校等建筑使用大空間跨度，外縱墻開窗多強度降低使得“強柱弱梁”大部分沒有得到實現(xiàn),結(jié)構(gòu)中填充墻的破壞很普遍，相關(guān)學(xué)者研究分析表明：填充墻能夠增加結(jié)構(gòu)的整體承載能力,增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度,提高結(jié)構(gòu)整體的變形能力；但填充墻剛度效應(yīng)在地震作用下容易引起薄弱層破壞和扭轉(zhuǎn)破壞,填充墻的約束效應(yīng)產(chǎn)生短柱破壞,使結(jié)構(gòu)嚴重受損甚至出現(xiàn)倒塌。由于填充墻多為脆性材料,一般要先于結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生破壞,從而吸收地震能量,建議以填充墻作為第一道防線開展結(jié)構(gòu)整體抗震設(shè)計[1]。PERFORM-3D程序是專門針對建筑結(jié)構(gòu)非線性分析的程序，它進一步完善了非線性程序中的一些功能，自身還有強大的性能評估分析功能[2]。因此,本文主要通過Perform-3D軟件就填充墻布置方式對填充墻框架結(jié)構(gòu)的整體抗震能力的影響進行研究。

1 填充墻的計算單元模型

填充墻的宏觀模型主要是以樓層為研究對象的層模型，但是其缺點是無法反映結(jié)構(gòu)在每一個構(gòu)件方面的反應(yīng)。1995年，曹萬林就桿系模型和層模型提出了填充墻和框架并聯(lián)模型，即：把框架和填充墻分開考慮，這種模型忽略了二者的相互作用，并假定地震作用完全由框架承擔(dān)，在工程設(shè)計中偏于較安全。之后，Polykaov[3]基于對角線方向加載試件破壞機理的分析，首先提出將斜向傳遞荷載的填充墻等效為鉸接于框架平面內(nèi)的斜桿，此斜桿與周邊框架形成斜撐-框架共同抗側(cè)力體系。等效斜撐的概念強調(diào)框架與填充墻之間的相互作用只在填充墻受壓區(qū)邊界互相傳遞，所以填充墻的作用更像桁架系統(tǒng)的對角桿。該模型簡單實用，參數(shù)較少，具有相對較高的精度，所以被廣泛應(yīng)用于填充墻的分析研究。隔震結(jié)構(gòu)的主振型是一階平動，上部結(jié)構(gòu)以剪切為主，故選用填充墻剪切本構(gòu)模型。本文主要采用等效斜撐墻元模型來進行對填充墻相關(guān)性能的分析，以下對該填充墻本構(gòu)模型及其參數(shù)予以確定。

1.1 等效斜撐墻元模型

當(dāng)填充墻與框架分離后，填充墻的作用相當(dāng)于支撐在受壓端的壓桿。因此，Perform-3D 軟件簡化計算時將填充墻等效成兩根與墻等厚、具有相當(dāng)寬度的壓桿，并通過四邊形單元結(jié)點與周圍梁柱節(jié)點連接，其實質(zhì)是等效斜撐模型[4]。

圖1 等效斜撐墻元模型 圖2 斜撐本構(gòu)模型

1.2 模型參數(shù)確定

(1)斜撐面積[5]

Ae=wet

(1)

(2)斜撐寬度

we=0.175(λh)-0.4w′

(2)

(3)

式中：Ei為框架材料的彈性模量；Ef為填充墻材料的彈性模量；Ic為柱正交荷載方向的慣性矩；t為填充墻和等效斜撐的厚度；h、h′分別為上、下層梁軸線間的柱高、填充墻的高度；l為填充墻的寬度；w′為填充墻的對角線長度；θ為斜撐與水平梁的夾角，θ=tan-1(h/l)。

(3)斜撐本構(gòu)模型參數(shù)確定

通過對比分析大量國內(nèi)外相關(guān)文獻后，本文采用已經(jīng)被大多專家學(xué)者認可的三折線本構(gòu)模型來近似描述砌體應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖2)，模型中各參數(shù)由以下公式確定[6]。

(4)

(5)

(6)

本文α取0.1。以上式中：Vm、Vy分別為極限荷載、屈服荷載；um、uy分別為極限荷載對應(yīng)的位移、屈服荷載對應(yīng)的位移；K0為初始剛度；fm′為砌體軸心抗壓強度平均值，由2011年的砌體規(guī)范可查得；εm為與fm′相對應(yīng)的應(yīng)變；τs為填充墻的抗剪強度；l′、Ld分別為填充墻的長度和填充墻的對角線長度。

2 填充墻的不利布置對于結(jié)構(gòu)抗震的影響

地震作用下,填充墻與框架共同工作，一方面墻體受到框架的約束，另一方面框架受到填充墻所提供的支撐作用。由于填充墻早期的剛度相對較大，以至于吸收了較大的地震作用，但其強度相對較低，從而填充墻的震害要大于框架受到的震害影響。試驗研究表明[7]，填充墻在地震作用下，砌體填充墻混凝土框架的平面內(nèi)破壞形式可以歸納為如下5種：①彎曲破壞；②填充墻體水平灰縫開裂破壞；③填充墻體對角開裂；④水平灰縫剪切滑移破壞；⑤填充墻體角部壓碎。當(dāng)填充墻布置不合理時，填充墻的剛度會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較嚴重的破壞，因此，本文主要探討填充墻的不利布置對于整體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

2.1 填充墻的不當(dāng)開洞引起短柱破壞

當(dāng)沿柱高方向填充墻某處開洞時，框架柱會受到填充墻的約束作用在開洞處形成短柱，使其剛度有很大提高，而變形能力卻大大降低。在地震作用下，短柱很容易發(fā)生脆性的剪切破壞，很多地震均發(fā)生過由于短柱破壞而造成的樓層垮塌現(xiàn)象。

2.2填充墻沿高度不均勻布置造成結(jié)構(gòu)的薄弱層破壞

由于建筑本身使用功能的需要，近年來出現(xiàn)大量的底部大開間商混建筑，底部是大開間的公用場所，上部往往開發(fā)為普通住宅或辦公室，這直接使結(jié)構(gòu)沿豎向形成了薄弱層。在地震作用下，由于底層的剛度較小，從而結(jié)構(gòu)的變形集中于底部框架柱，當(dāng)?shù)讓友有詿o法滿足變形需求時,結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)底層垮塌或整個結(jié)構(gòu)的倒塌。

2.3填充墻沿平面不均勻布置產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[8]

填充墻平面布置不均勻的隔震建筑，減小結(jié)構(gòu)某一方向或兩個方向的側(cè)向剛度，對整個地震響應(yīng)有很大的影響。嚴重時還會影響到整個建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心的偏離。因此，隔震設(shè)計時，一定要對填充墻的平面布局慎重考慮，避免對抗震不利的因素的出現(xiàn)。

3 算例分析

為了解釋填充墻的不利布置對于整體抗震性能的影響，以下面一個8層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行抗震能力分析，抗震結(jié)構(gòu)依據(jù)規(guī)范GB50011-2010，設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度采用0.20 g，II類場地，設(shè)計地震分為3組，采用燒結(jié)普通磚砌筑的墻體，墻厚取240 mm,其中磚強度是MU20，砂漿強度是M10，混凝土級別為C30，縱向鋼筋HRB335，箍筋HRB335。采用PERFORM-3D建立3個對比分析的結(jié)構(gòu)模型，分別是水平縱橫向及豎向布滿填充墻模型M1、填充墻豎向不均勻布置模型M2和填充墻平面不均勻布置模型M3，并采用適合II類場地類型的EL-Centro地震波、TAFT地震波和一條人工地震波來進行相應(yīng)的地震反應(yīng)分析。構(gòu)件模型截面尺寸及配筋如下表：

表1 模型截面尺寸及配筋

a 模型M1 b 模型M2 c 模型M3

表2 不同填充墻布置方式對結(jié)構(gòu)周期的影響

由以上幾種小模型的周期振型對比分析(表2)，我們可以得出以下結(jié)論：由于M1、M2、M3三種形式布置填充墻方式和墻片數(shù)量的改變致使整體質(zhì)量改變，同時結(jié)構(gòu)整體剛度也發(fā)生相應(yīng)的變化，所以周期也會發(fā)生變化。M2相對M1結(jié)構(gòu)周期變大，而M3與M1周期極為接近，因此可得：填充墻沿高度不均勻布置對周期影響較為顯著，容易形成薄弱層，而沿平面不均勻布置相對影響較小。

表3 設(shè)防烈度下模型M1、M2、M3頂層加速度、頂層位移最大值

同樣，由表3知：M2、M3模型在地震波作用下產(chǎn)生的頂層最大加速度和頂層最大位移相對M1模型都有變大的趨勢，由此可知：填充墻沿高度不均勻布置會使剛度分布不均勻，底層剛度過小，從而頂層加速度和位移將會變大，并對整體結(jié)構(gòu)的抗震性能都有很不利的影響；沿平面不均勻布置會使結(jié)構(gòu)剛心質(zhì)心無法完全重合，而容易使結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重的扭曲破壞，此類型也會使頂層加速度和位移變大。

圖4 層間位移角對比

由圖4中結(jié)構(gòu)各層在2個方向的層間位移角的對比可看出：沿縱向沒有均勻布置填充墻的樓層層間位移角明顯加大，并會引起臨近樓層的層間位移角加大，但沿平面沒有均勻布置填充墻的樓層層間位移角的變化相對較小。同時，對于該樓層M1、M2、M3三種模型的層傾覆力矩和層間剪力分別進行分析，都得出了與層間位移角極為相似的結(jié)論，故以上兩方向的填充墻不均勻布置都會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的不利影響，尤其是填充墻沿縱向不均勻布置的情況。

4 結(jié)論與建議

填充墻框架結(jié)構(gòu)具有很好的經(jīng)濟性和適應(yīng)性，今后仍將是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式。同時，填充墻作為在地震作用下對建筑物整體影響最大的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。本文主要做了以下工作：

(1)本文對填充墻所采用的本構(gòu)模型進行介紹，并對框架填充墻結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀及發(fā)展給予總結(jié)，并選用合理的斜撐模型來進行建模分析。

(2)考慮填充墻的布置方式對框架填充墻抗震性能的影響并對周期、頂層最大加速度和最大位移以及三種模型下分別對應(yīng)地震波的兩個方向下層間位移角進行分析，還對層傾覆力矩和層間剪力進行分析對比，并得出結(jié)論。

由于填充墻的多樣性和與框架結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性，建議進一步開展深入的研究，深入了解填充墻和框架結(jié)構(gòu)共同作用的機理，為以后更加規(guī)范、嚴謹?shù)乜紤]填充墻的影響奠定理論基礎(chǔ)。同時，以后的設(shè)計工作中，應(yīng)盡量做到：(1)要準確選擇合適的填充墻單元計算模型；(2)布置填充墻時，應(yīng)盡量考慮整體結(jié)構(gòu)剛度分布均勻,避免構(gòu)成軟弱層;(3)盡量避免形成窗間墻短柱。還應(yīng)深入研究填充墻厚度、開洞及材料性能等對整體抗震性能的影響。

[1]楊偉，侯爽, 歐進萍.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,2009,9(5):770-775.

[2]韓富平.填充墻對彈塑性RC框架抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計及抗震性能的影響[D].廣州大學(xué)，2012.

[3]Polyakov S.V. On the intereaction between masonry filler walls and enclosing frame when loaded in plane of the wall[J].Translations in Earthquake Engineering, 1960:36-42.

[4]石宏彬.框架結(jié)構(gòu)填充墻影響及強梁弱柱成因研究[D].中國地震局工程力學(xué)研究所，2012.

[5]Diptesh Das, C.V.R. Murty. Brick masonry infills in seismic design of RC frame buildings: Part1-Cost implications [J]. The Indian Concrete Journal, 2004,78(4):39-44.

[6]Diptesh Das, C.V.R. Murty. Brick masonry infills in seismic design of RC frame buildings: Part2-Behaviour [J].The Indian Concrete Journal,2004,78(4):31-38.

[7]Shing P.B.and Mehrabi A.B..Behavior and analysis of masonry-infilled frames[J].Prog.Struct.Engng,Mater.,2002(4):320-331.

[8]劉建毅.填充墻框架結(jié)構(gòu)基于性能的抗震評估研究[D]西安建筑科技大學(xué)，2008.

Effect of Infilled Wall and Its Arrangement on Seismic Performance of Frame Structure

CUI Xiu-li1, ZHAO Gui-feng1*, MA Yu-hong2, TAN Ping2

(1. College of Civil Engineering of Guangzhou University, Guangzhou 510006, China;
2. Earthquake Engineering Research & Test Center, Key Laboratory of Seismic Control and
Structural Safety of Guangdong University, Guangzhou 510405, China)

According to force condition of infilled frame structure under earthquake action, this paper analyzes the main influence of filling wall on the seismic performance of reinforced concrete frame structures. First, combined with domestic and foreign infilled frame structure theory and test research results, the stress characteristics of the infilled wall frame structure are summarized and analyzed. Then, with selecting filling wall stress strain constitutive model, using the PERFORM-3D software, the effect of the arrangement of the infilled wall to the anti-seismic capacity of the whole filled wall frame structure is studied. The result shows that the arrangement of infill walls have a great influence on the seismic performance of the whole filled wall frame structure, and should be symmetrical arrangement to avoid unnecessary earthquake destruction. At the same time, further study of the effect of wall thickness, opening and filling properties materials on the overall seismic performance is necessary.

filled wall; arrangement; constitutive model; infilled frame structure; seismic performance

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.03.002

2014-05-19

國家科技支撐計劃項目(項目編號：2012BAJ07B02)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃973項目(項目編號：2012CB723304)；教育部創(chuàng)新團隊項目(項目編號：IRT13057)；國家基金重大研究計劃集成項目(項目編號：91315301)

崔秀麗(1989—)女，研究生，主要從事填充墻抗震災(zāi)害方面的研究.E-mail：982730806@qq.com

*通訊作者：趙桂峰(1972—)男，博士，副教授，主要從事工程隔震、地震災(zāi)害預(yù)測等方面的研究.E-mail: 1766674920@qq.com

TU4

A

1003-1375(2014)03-0005-05