砌体填充墙框架结构抗震性能研究现状与展望_郭子雄_图文

1、第28卷第6期地震工程与工程振动2008年12月J O U R N A LO FE A R T H Q U A K EE N G I N E E R I N GA N DE N G I N E E R I N GV I B R A T I O N V o l . 28N o . 6De c . 2008文章编号:1000-1301(2008 06-0172-06砌体填充墙框架结构抗震性能研究现状与展望郭子雄, 吴毅彬, 黄群贤(华侨大学土木工程学院, 福建泉州362021摘要:针对砌体填充墙框架结构在地震作用下的受力特点, 分析了填充墙钢筋混凝土框架结构产生震害的主要原因。结合国内外砌体填充墙

2、框架结构理论和试验研究成果, 围绕填充墙的刚度退化规律和不同性能水平的层间位移角, 评述了填充墙框架结构的研究现状。最后, 结合基于性能的抗震设计理论背景和禁用黏土实心砖提倡节能的政策背景, 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:填充墙框架结构; 抗震性能; 性能抗震设计; 新型砌体; 研究现状中图分类号:T U 317. 1; T U 375. 4文献标志码:AR e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i ns e i s m i c b e h a v i o r o f i n f i l

3、l e d -f r a m e s t r u c t u r e sG U OZ i x i o n g , W UY i b i n , H U A N GQ u n x i a n(C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g , H u a q i a o U n i v e r s i t y , Q u a n z h o u 362021, C h i n a A b s t r a c t :B a s e d o n t h e s e i s m i c r e s i s t a n c e o f a n i n

4、f i l l e d f r a m e u n d e r s t r o n g e a r t h q u a k e s , t h e m a i n r e a s o n s f o r e a r t h -q u a k e d a m a g e t o i n f i l l e d f r a m e s t r u c t u r e s a r e a n a l y z e d .T h e t h e o r y a n d t e s t s t u d i e s o ni n f i l l e d f r a m e s t r u c t u r e

5、 s a t h o m e a n d a b r o a d a r e r e v i e w e d .C o n s i d e r i n g t h e u r g e n t n e e df o r p e r f o r m a n c e b a s e d s e i s m i c d e s i g no f e n g i n e e r i n g a n d t h e p o l i c y p r e s s u r e f r o me n v i r o n m e n t , s o m e p r o s p e c t s f o r r e s

6、 e a r c ha n da p p l i c a t i o no f R Cf r a m e s t r u c t u r e w i t h n e wt y p e o f i n f i l l e d m a s o n r y w a l l a r e o f f e r e d .K e y w o r d s :i n f i l l e d -f r a m e s t r u c t u r e ; s e i s m i c p e r f o r m a n c e ; p e r f o r m a n c e b a s e d s e i s m i

7、 c d e s i g n ; n e w t y p e o f i n f i l l e d m a s o n r y w a l l ; s t a t e o f t h e a r t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。目前, 随着墙体改革的发展, 黏土砖作为传统的填充墙材料正逐步被多孔砖、空心混凝土砌块、粉煤灰砌块和加气混凝土砌块等新型墙体材料所取代。由于对新型填充墙框架抗震性能的研究较少, 目前关于钢筋混凝土填充墙框架的抗震设计要求仍是以黏土砖填充墙框架的研究成果为基础。近年来国内外几次强烈地震的震害表明, 墙体材料尽管作为“非结构”构件, 但仍参与

8、承担了地震作用, 而且往往是在中等地震作用下, 主体框架结构还没有破坏, 填充墙已遭受严重破坏。填充墙本身的破坏不仅影响建筑的使用功能, 增加修复费用, 严重的填充墙破坏甚至可能危及生命安全或影响紧急疏散, 以至于地收稿日期:2007-06-26; 修订日期:2007-10-22基金项目:国家自然科学基金项目(50478120 ; 教育新世纪部优秀人才支持计划项目(N C E T-06-0571 ; 国务院侨办科研基金项目(06Q Z R 04作者简介:郭子雄(1967- , 男, 博士, 教授, 主要从事工程结构抗震与防灾的研究. E -m a i l :g u o z x c y hq u

9、 . e d u . c n第6期郭子雄等:砌体填充墙框架结构抗震性能研究现状与展望173震工程界往往将填充墙的破坏程度看作是结构使用功能正常发挥和地震下生命安全的判断依据。因此, 在目前基于性能的抗震设计的理论背景和禁用黏土砖提倡节能的政策背景下, 地震工程界很有必要重新审视填充墙框架结构的整体抗震性能。1填充墙框架结构体系的受力特点1. 1填充墙的刚度效应和约束效应填充墙在工程设计中尽管往往被视为“非结构”构件, 但仍参与了结构体系的地震剪力分配, 并与框架结构之间存在复杂的相互作用。填充墙的刚度效应是填充墙框架区别于空框架的主要特点之一。这种刚度效应可能导致填充墙框架结构在地震作用下发生

10、软弱层破坏或扭转破坏, 从而引起结构严重受损甚至倒塌。填充墙沿竖向分布不均匀时, 由于填充墙的刚度效应往往会在填充墙布置较少的楼层产生沿竖向的软弱层。例如, 在底层设置商场或车库, 上部作为住宅或办公用时, 经常造成底层为软弱层。另外, 由于装修和改变使用功能等原因在中间层取消部分填充墙也可能造成中部软弱层。在框架结构的周边均匀布置填充墙能在一定程度上提高框架结构的抗扭强度和刚度, 防止结构产生附加扭转地震作用。但如果填充墙在结构平面布置不对称, 造成结构刚度中心偏移, 将会使结构的扭转反应加大。目前, 框架结构设计时一般未考虑填充墙的刚度效应, 计算所得到的结构刚度中心与实际刚度中心可能存在

11、较大的偏差, 从而往往低估了结构的地震扭转效应。除了整体刚度效应外, 填充墙还会对主体结构的梁、柱和墙产生约束效应。填充墙往往开有门窗洞口, 洞口的存在往往使填充墙在框架柱间产生拱推力。窗台对框架柱的约束造成短柱效应在历次地震灾害中非常多见(图1 。窗间墙对框架柱的约束造成的短柱效应、剪力重分配和破坏截面转移等不利影响已经成为填充墙框架结构地震破坏的最常见原因。由于上述原因, 如果在设计中没有考虑填充墙的刚度和约束效应, 而只是把填充墙作为非结构构件看待, 将可能使结构的实际受力与设计意图发生较大的偏离。这无疑增加了结构在地震中的危险性。因此, 在我们更多关注巨型、新型结构体系和大型复杂计算的

12、同时, 重新审视和研究建筑业应用最广泛的填充墙框架的抗震性能无疑具有重要的社会和工程实践意义。1. 2填充墙框架的剪力分配特点框架填充墙作为一种组合结构体系, 框架与填充墙在水平地震下共同承担地震作用。一般认为, 填充墙和框架所分担的地震剪力可以按照两者的刚度进行分配。然而, 由于两个组成部分的材料性能存在较大差异, 砌体填充墙和混凝土框架满足同一个抗震性能水平的变形容许值相差甚远。砖填充墙属于脆性材料, 抗拉强度低, 在地震作用下将首先开裂, 造成刚度退化, 而此时框架仍处于弹性阶段。随着层间变形的增加, 填充墙的刚度逐步减小, 填充墙和框架的刚度比值随之不断发生变化, 从而使结构承担的地震

13、剪力在填充墙和框架之间产生较大内力重分布。尽管此时房屋总的地震作用因整体刚度的下降而有所减小, 但框架柱仍将比地震作用初期分担更多的地震剪力。在实际工程设计中, 一般把计算所得的全部层间地震剪力按照框架柱的层间侧移刚度在所有框架柱间进行分配, 而不考虑填充墙分担的地震剪力。这种把地震剪力全部由框架柱承担的设计计算方法似乎偏于安全, 而实际上, 由于填充墙在楼层平面布置的不均匀性, 将造成部分填充墙刚度效应明显的框架的设计地震剪力偏小, 从而使结构存在安全隐患。如果把考虑填充墙刚度分配到的填充墙框架剪力全部由框架承担, 将使部分带填充墙的框架因内力过大而存在配筋构造复杂和不经济等一系列问题。因此

14、, 进一步研究填充墙框架的剪力分配规律、不利内力取值和设计计算方法, 对完善填充墙框架的设计计算理论具有重要的工程实践意义。图1填充墙造成框架柱震害F i g . 1Co l u m nd a m a g e d u e t o r e s t r i c t i o no f i n f i l l e dw a l l2国内外研究现状2. 1国内研究进展, 。174地震工程与工程振动第28卷从试验研究规模来看, 填充墙框架的试验经历了从单层单跨到多层多跨, 从小比例模型到全尺寸模型, 从单向加载、循环加载到拟动力试验和振动台试验的发展过程。我国自20世纪70年代即开始进行少量的砌体填充墙框

15、架结构的有关研究程度与层间位移角的关系2-61。较为系统的砖填充墙框2, 3, 6架试验研究集中于20世纪80年代, 研究的重点集中在黏土砖填充墙框架受力全过程的刚度退化规律、破坏。在填充墙框架受载后的刚度折减规律方面, 不同文献基于不同试验研究记录的填充墙初裂和普遍开裂的刚度折减系数如表1所示。从表1可知, 虽然不同文献对初裂的判定和普遍开裂的定义不尽相同, 但从这些试验研究结果可以看出, 填充墙初裂和普遍开裂时的刚度折减系数分别约为0. 5和0. 2。刘大海等2曾建议取层间角位移1/500时(大约对应于填充墙普遍开裂或对角裂缝贯通 填充墙框架各类构件的实际刚度来计算结构的自振周期。分析表明

16、, 层间位移角为1/500时, 框架仍处于弹性阶段, 故不予折减, 而此时砖填充墙的实际刚度可取其初始刚度的20%。表1填充墙不同受力阶段的刚度折减系数T a b l e 1Re d u c e c o e f f i c i e n t o f s t i f f n e s s i n d i f f e r e n t d a m a g e s t a t e sL i t e r a t u r e2L i u3T o n g6Wu 10. 28-0. 520. 40-0. 6020. 14-0. 190. 20-0. 30注:1和2分别为填充墙初裂和普遍开裂的刚度折减系数。建筑物的

17、性能水平是结构性能水平和非结构构件性能水平的综合体现。填充墙作为框架结构中最重要且易遭受地震损坏的非结构构件, 其在不同水平的设计地震作用下的性能, 特别是不同性能目标下的变形容许值的研究就显得至关重要。童岳生等3-5在他们的试验研究中成功量测了砌体填充墙框架与不同损伤特征点对应的层间位移角(表2 , 这些试验成果为我国建筑抗震设计规范关于抗震变形限值的取值提供了依据。同时, 他们根据试验研究结果推导出在不同破坏阶段填充墙框架层间抗侧刚度的实用计算方法, 并给出完整的层间抗剪强度验算公式。他们的研究成果已成为89抗震规范中填充墙框架有关设计条文的基础。表2不同状态下填充墙框架的层间位移角3-5

18、T a b l e 2Dr i f t i n d e x e s a t d i f f e r e n t l e v e l s o f p e r f o r m a n c eWa l l t y p eO p e n i n gW i t h o u t o p e n i n g w 1, c r 1/23001/840c 1, c r 1/8261/342w 2, c r 1/4761/223c 2, c r 1/3201/140y 1/1271/86u 1/301/38注:、和分别为墙面初裂、柱初裂、墙缝连贯、柱铰出现、框架屈服和极限状态的层间位移角。w 1, c r c 1

19、, c r w 2, c r c 2, c r y u吴绮芸等6对空框架和黏土砖填充墙框架的对比试验表明, 当结构处于弹性状态时, 由于填充墙的存在, 使得框架柱柱端的弯矩比空框架降低到近1/10, 同时也给出填充墙在各个变形阶段的折算强度。随后, 针对实际工程设计中往往不考虑填充墙的抗侧力作用, 而是简单地对计算周期乘以考虑刚度影响的折减系数的情况, 地震工程界对填充墙框架的关注重点转移到了对周期折减系数的研究。高小旺等7通过总结试验和理论分析结果, 指出填充墙数量、开洞大小和墙体长度是影响周期折减系数的主要因素。他们的研究成果为20世纪90年代以来填充墙框架地震作用计算中周期折减系数的取值

20、提供了有益的参考。进入20世纪90年代后, 随着试验手段的不断提高, 拟动力试验和地震模拟振动台试验技术开始应用于8填充墙框架的抗震性能研究。关国雄等根据填充墙框架模型的振动台试验结果指出, 结构屈服时的最大层间位移角为1/141, 并引入反映墙体变形模量降低系数和反映框架与填充墙之间连接减弱系数c 这两个系数来估计不同破坏状态下框架填充墙结构的层间刚度。沈聚敏等研究了砖填充墙框架结构模型在各受力阶段的地震反应和破坏形态。虽然随着墙改政策的实施, 新型墙体材料在填充墙框架结构中逐步得到广泛应用, 但以往针对新型墙体材料的研究工作均集中在砌体的热工、抗渗和其他物理力学性能方面的研究, 对新型填充

21、墙框架抗震性能的10研究相对较少, 仅有的研究主要集中在异型柱框架和钢框架方面。曹万林等进行了轻质填充墙异型柱框架工作性能的试验研究, 重点研究了轻质填充墙异形柱框架的层刚度衰减过程和变形性能, 并根据试验结果119进行了填充墙框架的拟动力试验,第6期郭子雄等:砌体填充墙框架结构抗震性能研究现状与展望175构成的异形柱框架结构在抗震性能方面的差异; 李国强等12开展的加气混凝土砌块钢框架填充墙结构的试13验研究, 给出了钢框架结构抗震弹性层间位移角的建议取值; 戴绍斌等在试验研究的基础上, 运用A N -S Y S 有限元建模, 对加气混凝土填充墙钢框架的结构性能进行了研究。上述研究成果在一定

22、程度上表明采用新型墙体材料框架结构的变形能力较砖填充墙框架结构有一定的提高。为了保护耕地、节约能源和维持自然生态环境的可持续发展, 我国目前正在建筑业中大力推广墙改政策。目前在框架结构中推广的新型墙体材料一般均具有轻质和保温的特点。采用新型墙体材料一方面可以保护耕地、降低建筑能耗, 同时, 新型轻质墙体材料可以有效降低墙荷, 因而也可以降低框架结构的造价。在全国范围的墙改政策的推动下, 以前在框架结构和框架-剪力墙结构中普遍使用的实心黏土砖填充墙材料正逐步被一些新型砌体材料(包括混凝土空心砌块、粉煤灰砌块、加气混凝土砌块等 所取代。这些新型砌体材料的研发重点是轻质和保温等性能, 其力学性能与传

23、统的黏土砖填充墙材料相比, 尚存在明显差异。比如, 混凝土空心砌块不仅块体尺寸较黏土砖大, 而且存在大量的空腔, 其在水平地震下的破坏过程和特征将与黏土砖填充墙有明显差异; 另外, 加气混凝土砌块填充墙的强度和刚度均较普通黏土砖填充墙低, 其在不同受力阶段的内力分配和破损过程也将与传统黏土砖填充墙框架有较大差异。从已有的少数研究成果可以看出, 新型砌体填充墙框架的开裂位移角比传统黏土砖填充墙框架的有所提高11-13。但由于缺少针对新型砌体填充墙框架的系统研究, 目前关于填充墙框架的抗震设计要求仍是以20世纪80年代开展的黏土砖填充墙框架的研究成果为基础。因此, 很有必要通过进一步研究, 合理确

24、定新型填充墙框架的合理位移角限值, 为规范的修订提供背景资料, 同时也可促进新型墙材在填充墙框架中的推广应用。2. 2国外研究概况国外对填充墙框架的研究较我国早, 所进行的试验研究虽以钢框架结构居多, 但研究的内容较为全面, 不仅包括整体刚度和承载力, 也包括填充墙平面外性能等方面。M a l l i c k 等性能试验, 并明确指出填充墙存在刚度效应。F i o r a t o 等1514开展了带填充墙框架的抗震通过填充墙框架试验指出, 填充墙框架中柱的塑16性铰并不全部位于柱端截面处, 而是部分出现在柱高范围内, 且塑性铰出现的位置与墙面是否开洞口等情况有关。这说明填充墙对框架柱的支撑作用

25、改变了框架的内力分布。G o v i n d a n 等通过填充墙框架与空框架的对比试验, 指出填充墙框架这种复合结构的性能优于空框架, 填充墙框架具有更大刚度、较好耗能能力和延性, 且填充墙框架的抗侧能力大于填充墙和框架各自的抗侧能力之和。A b r a m s 等17探讨了砌体填充墙框架在平面内受力开裂后的平面外性能。试验结果表明, 已开裂填充18墙的高厚比和原有砌体的抗压强度是影响填充墙平面外强度的主要因素。S c h n e i d e r 等建议填充墙的高宽比应控制在0. 33之间。F l a n a g a n 等20通过研究填充墙截面尺寸指出, 填充墙的高宽比越小, 其承载能力越

26、高; 填充墙墙厚越大, 其承载能力越高, 延性也越好。并进行了填充墙框架的大比例模型试验, 认为填19充墙的极限荷载是由填充墙砌体抗压强度和厚度所控制。C h a k e 等进行了三层空心黏土砖填充R C 框架与R C 空框架的振动试验, 结果显示填充墙框架的基本周期远小于空框架的基本周期。如果采用集中质量剪切梁模型计算两个框架的刚度, 可以发现在弹性阶段填充墙框架的刚度是空框架的7倍。这说明在地震作用计算和剪力分配时忽略填充墙的作用可能导致较大的误差。D a f n i s 等21进行了灰砂砖填充墙框架平面外抗震性能振动台试验, 认为填充墙与结构形成有效连接,22能使填充墙产生拱效应, 从而

27、大大提高填充墙的平面外强度和抗震性能。G h a s s a n 等指出, 填充墙框架的刚度和强度随着跨度增加而有所增加。H e n d e r s o n 等23通过5个单层填充墙框架试验, 认为填充墙失效的机理由砌体的抗剪强度、抗压强度和几何尺寸等因素的综合作用所控制。并通过大、小比例模型的静、动力试验认为, 填充墙开裂对结构的刚度影响很大, 而对承载能力却影响不大。H e n d e r s o n 等也对填充墙框架平面外刚度特性进行了研究, 并认为填充墙平面内刚度、初始法向应力、墙与框架的连接方式和墙体相对于框架轴线的偏心值等是影响平面外刚度的主要因素。可见, 填充墙的平面外性能主要与

28、连接条件、砌体抗压强度和填充墙高厚比有关。3研究展望根据填充墙框架结构的震害特点、研究现状、墙改政策需要和当代抗震设计理念的发展趋势, 开展新型, ,176地震工程与工程振动第28卷也将为今后我国抗震设计规范的修订提供科学依据。为此, 笔者提出了“新型砌体填充墙R C 框架结构抗震性能与设计方法”这一研究课题, 其基本思想是在新型砌体R C 框架结构抗震性能研究基础上, 通过试验研究、理论分析和数值模拟, 系统研究砌块类型(包括黏土砖、混凝土空心砌块和加气混凝土砌块 对R C 框架结构的刚度效应和约束效应、协同工作性能、刚度和强度退化规律、不同功能水平结构变形限值和地震反应分析方法, 最终建立

29、新型砌体填充墙R C 框架性能抗震设计方法。从近年来填充墙框架理论与试验研究成果可知, 填充墙框架由于框架与填充墙之间的协同工作, 其受力性能与空框架存在明显差异。填充墙框架的刚度、承载能力、耗能能力均比空框架有显著提高, 同时由于刚度大且填充墙开裂较早, 因而在地震时填充墙的震害较容易出现。鉴于填充墙对框架影响的优缺点并存, 现阶段的理论与试验研究虽取得一定的成果, 但仍不够完善, 在设计中全面考虑其影响仍有困难, 设计理论的进步和墙体材料的改革也迫切需要开展进一步的研究工作。作者认为尚必须重点开展以下研究:(1 在全国范围的墙改政策的推动下, 以前在框架结构和框架-剪力墙结构中普遍使用的实

30、心黏土砖填充墙材料正逐步被一些新型砌体材料(包括混凝土空心砌块、粉煤灰砌块、加气混凝土砌块等 所取代。但由于缺少新型砌体填充墙框架结构抗震性能的相关研究, 目前设计中仍主要沿用基于黏土砖填充墙的规定, 使得新型墙体材料的性能优势得不到充分发挥, 在一定程度上阻碍新型砌体填充墙的推广应用。因此, 开展新型砌体填充墙框架抗震性能和设计方法研究, 既可为今后新型填充墙框架结构的抗震设计提供依据, 同时也有助于墙改、节能政策以及新型材料的推广和应用。(2 建筑物的性能水平是结构性能水平和非结构构件性能水平的综合体现。填充墙作为框架结构中最重要且易遭受地震损坏的非结构构件, 其在不同水平的设计地震作用下

31、的性能, 特别是不同性能目标下的变形容许值的研究就显得至关重要。考虑到以往填充墙框架的研究工作并不在基于性能的抗震设计理念背景下开展, 且一般是以黏土砖填充墙为研究对象, 因此, 很有必要针对基于性能的抗震设计理论的需要, 开展关于新型砌体填充墙R C 框架结构的试验和理论研究工作, 特别是不同性能水平的损伤状态描述和变形容许值的研究。(3 由于试验条件的限制, 以前大多数的试验研究都是以单层单跨填充墙框架基本结构单元作为研究对象。大量基于基本填充墙框架单元的研究成果均表明填充墙框架的刚度、承载能力乃至耗能能力均比空框架有明显提高。这种认识造成工程界对于填充墙框架的抗震设计方法过于简化。除了在

32、地震作用计算时采用周期折减系数以考虑填充墙对整体刚度的影响, 其它设计计算均不考虑填充墙对强度、刚度和剪力分配的影响, 且往往认为这种简化设计方法是偏于安全的。实际震害却揭示了砌体填充墙的刚度效应和约束效应所造成的短柱破坏、扭转破坏和软弱层破坏是框架结构地震倒塌的主要影响因素。因此, 很有必要针对填充墙框架的上述震害特点, 开展多层多跨填充墙框架结构试验, 以研究填充墙沿跨间和层间的不均匀布置对填充墙框架抗震性能的影响。(4 目前关于填充墙连接方式和填充墙开洞情况对结构受力性能影响的研究成果尚少见报道。填充墙与框架的连接方式不仅影响填充墙平面内在受荷载后的承载能力发挥和平面外性能, 同时对框架

33、结构的受力性能也有影响。填充墙开洞的位置与大小不仅影响其自身的受力性能和破坏形态, 而且和框架结构破坏模式有一定关系。故应对这两方面开展进一步研究, 以寻求可靠实用的连接方式和完善填充墙框架的承载能力计算。(5 框架与填充墙的剪力分配随填充墙与框架刚度比和填充墙所处性能状态的不同而变化。由于填充墙的刚度和强度在地震作用过程中处于动态变化过程, 填充墙框架中填充墙与框架各自不利地震内力的确定尚有待进一步试验和理论研究。参考文献:1尹之潜. 在水平荷载作用下砖填充墙对框架承载力影响的试验研究R . 地震工程研究报告第三集, 1977.2刘大海, 钟锡根, 杨翠如. 砖填充墙框架房屋的地震内力分析J

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