填充墙在框架结构抗震性能方面的影响研究_图文

1、 2009 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 PK P M 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 TU 398+ 2文献

2、标识码 A收稿日期 2009-06-22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

3、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 。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

4、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

5、 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 际地震中的刚度不均引起的 破坏。图 1 短柱破坏图 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

6、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! 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

7、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%。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

8、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

9、 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

10、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 。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

11、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, 25层 为 4m, 填充墙采用 240mm 砖墙 , 自重 22kN /m3, 25层楼 面活载 3k N /m2, 屋面活载取为 2k N /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 , 25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 , 25层 均在 有框 架

12、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 PK P M 软件 来对 三种模 型进 行抗 震计 算。这 里首 先用 P M CAD 建模 , 然后用 SET W E 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

13、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 25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 25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

14、作的分析。另外模型 2的 25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。! 工 程 结 构 ! 2009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 楼层号模型123楼层剪力 V y (kN 533 6142 9678 72 4104 34119 03149 91 3154 21187 96213 63 2192 72252 12271 65 1221 52308 8293 09层间位移角 M ax-D y /h 51/92621/99991/9999

15、41/38471/99991/9999 31/25811/99991/9999 21/20351/99991/9999 11/18851/15851/1404最大层间位移与平 均层间位移的比值 Rati o-D y 51 001 001 34 41 001 001 44 31 001 001 52 21 001 001 56 11 001 001 923 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

16、 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

17、文 1 2, 1 3, 1 5, 2 2 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

18、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

19、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(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。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