钢筋混凝土框架结构中填充墙震害分析

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摘要：通过对带填充墙框架结构的震害分析，结合规范规定以及地震作用下填充墙对框架结构的破坏情况，本文提出了自己的看法和建议，希望对相关工作人员有一定的借鉴意义。

关键词：钢筋混泥土 框架填充墙震害分析

1. 概述

钢筋混凝土框架结构作为一种结构形式广泛应用于民用及工业建筑中，地震灾害表明，地震作用下填充墙对框架结构的影响是不能忽视的，这种影响在地震各阶段的表现是不同的。根据对历次震害的总结和分析，《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）加强了关于填充墙的构造措施以达到减轻填充墙的震害损失，但是对于填充墙对框架结构的影响，由于缺乏足够的资料，未对此进行明确的规定，仍采取基本周期折减系数法统一考虑其影响。本文认为，采取基本周期折减系数法有可能导致某些结构构件实际地震破坏模式与计算破坏模式不符从而给结构带来安全隐患。通过分析，作者希望能够引起结构工作者的重视，并给予借鉴。

2. 震害分析

2.1 填充墙在地震作用下的破坏

震害统计表明，地震作用下，框架结构中填充墙的震害主要表现为墙面出现单斜裂缝、交叉裂缝、与框架梁之间出现水平裂缝或者发生平面外倒塌。同时由于框架结构在水平荷载作用下变形为剪切型，因此框架下部填充墙破坏大于框架上部。

2.2 地震作用下填充墙对框架结构的影响

研究表明，填充墙框架的承载能力略大于填充墙和框架单独工作时承载能力之和，填充墙框架结构在地震作用下框架对墙体有约束作用，同时墙体对框架也有一定的支撑。这种支撑作用增大了结构早期刚度。并且，填充墙增强了框架的耗能能力和变形能力，减少了结构倒塌的可能性【1】。从这一方面考虑，填充墙对于框架结构的抗震是有利的。

李英民【2】等人通过对按规范设计的框架结构算例进行了弹性、 静力弹塑性和非线性动力分析并得出结论：

1）填充墙对结构刚度贡献在多数情况下不容忽略；

2）填充墙改变了结构构件的约束条件、结构刚度分布。填充墙竖向刚度分布的不均匀可能导致薄弱层的发生,平面刚度分布的不对称则可能加剧结构扭转效应;沿高度和平面均匀分布的填充墙对结构抗震性能总体上是有利的;

3)非均匀分布填充墙甚至可能改变结构的破坏模式和薄弱部位 ,使设计预期的破坏模式不能实现;

4)改变了所连接竖向抗侧力构件的约束条件 ,使构件的非线性性能发生变化；

5)有可能改变框架柱的受力模式 ,使上下柱端承受明显的附加剪力,且增大柱的轴力

汶川地震中，由于填充墙造成的结构破坏也论证了填充墙对结构的不利影响【3】【4】【5】：

窗下填充墙布置不当，造成框架柱成为短柱并出现脆性破坏；

2）填充墙对框架柱产生附加斜向压力，造成框架柱剪切破坏；

3）填充墙对框架梁底部产生向上的压力造成框架梁发生弯剪破坏；

3. 抗震规范关于填充墙的有关规定

抗震规范中关于填充墙等非承重构件的规定主要包括构造措施和计算方法两个方面。

3.3 构造措施

规范【6】13.3.2条规定，非承重墙体宜优先采用轻质墙体材料；采用砌体墙时，应采取措施减少对主体结构的不利影响，并应设置拉结筋、水平系梁、圈梁、构造柱等与主体结构可靠拉结。

研究表明，填充墙与框架之间的联结情况对填充墙框架的工作性能影响较大。对于砖墙，按构造放置拉结筋对防止砌体大片掉落、避免砖墙出平面倾倒、增加整个结构的延性等方面具有比较明显的作用。

3.2 计算

规范【6】3.7.4条规定，框架结构的维护墙和隔墙，应估计其设置对结构抗震的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏。

同时，13.3.2条规定：

1） 对嵌入抗侧力构件平面内的刚性建筑非结构构件，应计入其刚度影响，可采用周期调整等简化方法；一般情况下不应计入其抗震承载力，当有专门的构造措施时，尚可按有关规定计入其抗震承载力。

2）刚性非承重墙体的布置，应避免使结构形成刚度和强度分布上的突变；当围护墙非对称均匀布置时，应考虑质量和刚度的差异对主体结构抗震不利的影响。

填充墙对结构的刚度影响不应忽视，但是规范并未给出准确计算的方法。同时，如何考虑填充墙抗震承载力以及怎样考虑质量和刚度的差异对主体结构抗震不利的影响，规范也未明确。

4．分析与建议

由上可知，采取构造措施可以有效的减少填充墙的破坏。框架结构中填充墙起围护以及分隔房间的作用，根据不同的使用情况可以灵活的布置和分隔房间是框架结构的特点和优点。因此填充墙对结构构件的不利影响在大多数情况下是无法避免的。汶川地震中框架结构的震害表明，如何考虑填充墙对框架结构的不利影响必须引起我们的重视并谨慎对待。

水平荷载作用下填充墙框架结构从加载到破坏一般经历四个阶段，分别是整体工作阶段、弹性工作阶段、非线性工作阶段和结构的塑流阶段。其中，非线性阶段指填充墙墙面开裂直到各段裂缝水平投影长度连续贯通的阶段。试验分析表明，弹性工作阶段，填充墙与框架间出现周边裂缝至墙面初裂时，层间位移角约为1/500，非线性工作阶段位移角约为1/650~1/350【7】。因此遵循“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计理念，可以认为，在框架结构的弹性工作阶段，填充墙也基本处于弹性工作阶段或非线性阶段的早期阶段。在这一阶段，填充墙的刚度对框架结构的贡献较大，仅仅将填充墙作为荷载考虑是不妥的。

对于窗下填充墙布置不当，造成框架柱形成短柱，规范规定按照短柱给予了考虑。当连续贯通裂缝形成后，由于结构整体变形较大，造成填充墙对框架柱、梁的附加力也较大。由于这一阶段基本属于结构的大震作用阶段，因此可以采取加强抗震措施的方法考虑填充墙对结构构件附加力。

水平地震作用下填充墙侧向变形将对一侧框架柱产生斜向压力,加大斜裂缝和梁底之间柱的剪力,导致剪切破坏。研究表明，周期折减系数法有可能造成边柱抗剪承载力不足，出现填充墙将边柱剪坏的情况。因此需要对边柱的梁底柱端处箍筋给予加强以防止破坏的发生。

填充墙对框架梁的破坏从震害分析看主要发生在框架梁的三分之一处，由于框架梁的负弯矩钢筋伸入梁内的长度为三分之一净跨，箍筋加密区为二倍或一点五倍梁高与500mm的最大值，因此有必要采取措施加强梁跨三分之一处得弯剪承载力。在重点部位可以采取增加上部通长筋个数以及箍筋肢数的办法加大上部钢筋配筋面积和箍筋面积以保证地震作用下，框架梁有足够的弯剪承载力。

通过以上分析，本文认为，在满足抗震规范规定的基础上应加强某些框架梁柱的承载能力，以抵御地震作用下填充墙变形产生的附加力，消除安全隐患。

参考文献

1．《填充墙框架的工作性能及设计计算》童岳生 钱国芳，西安冶会建筑学院学报，1983,35（3）

2. 《填充墙对框架结构抗震性能的影响》李英民等，地震工程与工程振动，2009，29（3）

3. 《汶川地震中多层钢筋混凝土框架结构房屋震害分析》田志鹏等 ，建筑结，2009，39（11）

4. 《汶川地震中填充墙钢筋混凝土框架结构抗震性能思考》王旋等，工业建筑，2009，39（1）

5. 《框架结构在汶川 5. 12大地震中的震害分析及抗震启示》王威等，世界建筑，2009,25（4）

6. 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）

7. 《抗震工程学》 沈聚敏 周锡元等 中国建筑工业出版社 2000.12

作者简介：谭品峰，男，籍贯：江西省赣县，出生：1975.11,学位：硕士研究生，毕业院校：天津大学建筑工程学院，工作单位：河北工业大学土木工程学院，研究方向：抗震分析，职称：中级工程师。