填充墙钢框架与纯钢框架抗震性能的对比

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摘 要 在带填充墙的钢框架结构中，填充墙的抗侧力性能对结构的影响。

关键词 填充；墙钢框架；纯框架；抗震性能

中图分类号TF7 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）86-0156-02

目前钢结构在高层建筑结构中应用广泛，其主要优势为材料本身轻质高强，跨度大，填充墙钢框架体系是其中一种结构形式。填充墙是建筑物中的填充材料，起围护、分隔作用，主要由砌块和轻质板材组装而成，墙体本身具有一定抗侧刚度，并且与框架之间的接触部分随着结构的受力过程而产生一定的相互作用，使得带墙框架的受力情况与纯钢框架的受力性能差异较大。在实际工程设计中，常常忽视墙体和框架的协同工作性能，认为结构所承受的外部荷载全部由框架梁柱来承担，在现行规范中仅在计算结构周期时略有说明，即在填充墙钢框架体系中，由于墙体的刚度对结构周期有影响，因此将结构的周期乘上一定折减系数作为解决方案，但是这种解决办法并没有从根本上考虑墙体本身的材料性能和对框架抗震性能的影响。在实际工程中，当钢框架受水平力作用时，填充墙还参与抵抗水平力。因此在设计时要使墙体满足相应的抗震要求：首先在发生罕遇地震时，不应对人身安全和财产安全产生威胁；二是在发生多遇地震时，对结构的正常使用功能不应产生任何影响，并且不需要过多的维修费用。在结构设计的过程中，如果对结构侧移有要求，那么宜选取刚性结构，刚度越大，侧移越小，震害后结构基本完好；如果要求结构变形能力较好，则一般选取柔性结构，但在发生地震时，墙体普遍发生破坏，经济损失很大。

从李国强教授的试验可以发现，ALC墙板竖板内嵌的布置方式，可以明显的提高结构的承载力和抗侧向能力，因此本文之后的模型均采取这种竖排内嵌的情况。本文主要对纯钢框架（以下简称为SF）和带ALC墙板的钢框架（以下简称为AF）两种框架模型进行模拟分析，分别研究这两种模型在单调荷载作用和反复荷载作用下的抗震性能，并对其进行对比分析。

1 模型的建立

结构构件采用焊接工字形截面，钢材为Q235钢，柱的截面尺寸为：H300×250×8×12，梁的截面尺寸为：H350×200×8×12。模型跨度为4.2m，层高2.7。本模型在加载过程中采用位移加载控制，将加载点与钢框架进行面藕合。试验模型中钢框架柱脚和梁柱节点并不是理想刚接，为了简化计算模型，忽略复杂的约束条件，仅在模拟中限制了框架柱脚底部的六个自由度，同时限制了钢框架的平面外位移来模拟结构侧向支撑。墙板与墙板之间的连接可采用一个线性弹簧单元进行模拟，线性刚度取值200N/mm。墙板与框架之间的设置非线性的弹簧单元，非线性刚度取值K=100 000N/mm。图1、图2为模型示意图。

2单调荷载作用下的荷载-位移曲线

AF框架和SF框架在单调荷载作用下的荷载-位移对比曲线如图3所示。根据能量等效法，AF框架在单调位移加载的情况下，当荷载小于386.04kN，位移小于15mm时，模型AF处于弹性工作阶段；由于ALC墙板属于脆性材料，相对于混凝土来说，ALC墙板的抗拉和抗压强度都很小，当结构所承受的荷载值达到386.04kN，位移达到15mm时，ALC墙板开始出现裂缝。在钢框架的约束作用下，墙板继续工作，在整个结构中提供抗侧向力，使承载力在墙体出现裂缝之后随着位移荷载的逐步增加而逐级增大；当位移达到71.9mm时，框架的承载力达到801.8kN，此后随着荷载位移增加，框架的承载能力开始逐步下降。SF框架在单调加载的情况下，当荷载小于255.9kN，位移小于44mm时，框架SF处于弹性工作阶段；由于框架本身的刚度很小，使得结构的抗侧向能力较框架AF差，因此框架的极限位移达到320.1mm，此时框架的承载力为342.6kN，结构破坏。

从两个框架的荷载-位移曲线可以得出，AF框架的承载力明显高于SF框架，极限承载力约为SF框架的2.34倍，而延性性能却明显低于SF框架，SF框架的极限位移为AF框架的4.5倍，SF框架的屈强比约为7.3，AF框架的屈强比仅为4.8。

由以上分析可知，ALC墙板与钢框架共同作用，有效增大了结构的承载力，但AF钢框架整体水平位移相对于SF框架来说要小很多。这是因为墙板属于脆性材料，墙体在结构中作为主要抗侧力构件，位移较小；随着墙板裂缝的产生，AF框架也表现出明显的脆性破坏现象，框架较早便发生了破坏。AF框架的延性系数为4.3，SF框架的延性系数为7.2，二者相比，AF框架的延性性能明显劣化。

3 刚度退化曲线

由图4可以看出：填充墙的存在对结构初始刚度影响较大，AF框架的初始刚度比SF框架有大幅增加，KAF=37.1kN/mm，KSF=4.9kN/mm。随着荷载的增大，做为主要抗侧力构件的填充墙为脆性材料，墙体逐渐发生破坏，结构也随之呈现为脆性破坏，故AF模型的刚度退化现象较为明显，而SF模型刚度退化趋势则比较平缓。

4低周反复荷载作用下的滞回曲线

AF框架和SF框架在循环荷载作用下的滞回曲线如图5和图6所示。AF模型在荷载作用下的滞回曲线发生滑移现象，捏缩明显，这是因为在循环荷载的作用下，墙体发生严重的剪切变形，并且随着循环荷载的反复加载和荷载值的增大，使得滞回曲线的捏缩现象越来越明显。该模型在完成6Δy的循环加载过程中，滞回性能较好。当加载进行到7Δy时，墙体发生贯通斜裂缝，退出工作，此时认为结构发生破坏。SF框架完成了30Δy循环位移加载，滞回的曲线呈纺锤型，没有捏缩现象，滞回曲线较AF框架更饱满，说明其耗能能力比AF框架好，同时滞回环数也较AF框架较多，说明延性比AF框架较好。

5 钢框架应力分析

单调荷载作用下框架应力分析对框架应力分析可以看出，当框架达到屈服位移时，AF框架各部分均处于弹性阶段，框架的四个节点域和右侧柱脚区域等效应力值较大，但并未达到钢材屈服强度。在结构受力的过程中，钢框架约束着墙体的变形，而墙体对钢框架产生了相反的推力作用，位于受压对角线区域的柱端应力较大。SF框架四个节点域的应力值要比AF框架大，已达到屈服强度，而其他区域受力较小，依然处于弹性工作阶段。

当位移加载超过屈服荷载时，AF框架二层框架节点域、柱脚和梁端部位率先进入弹塑性状态。并且应力值随着荷载的增大而逐渐提高，随后首层梁柱节点域也进入弹塑性阶段，同时节点域附近的梁端和柱端应力值较大，而梁中部的大部分区域尚处于弹性变形阶段，应力很小，低于钢材的屈服强度。SF框架的节点域应力迅速增大，柱脚达到大面积的屈服，其他区域依然处于弹性工作阶段。当结构破坏时，AF框架最大应力出现在梁柱节点域和柱脚处，但均未达到极限强度。而SF框架在结构破坏时，四个节点域均达到了极限承载力发生破坏，除了首层柱脚应力较大外，其他区域依然处于弹性工作阶段。

循环荷载作用下框架应力分析当结构破坏时，AF框架最大应力出现在梁柱连接处以、节点域及一层右边的柱脚处，但未达到极限强度，而SF框架四个节点域均达到了极限承载力。通过以上分析我们可以知道，填充墙可以显著的提高结构的承载能力和侧向刚度，在地震的作用下分担一部分地震能量，从而减轻钢框架的变形，由此我们也可以认为墙体的存在延后了钢框架大面积屈服区的形成，但是墙体属于脆性破坏，使结构刚度退化现象明显，墙体退出工作以后，钢框架并未达到极限强度。

6结论

本文通过建模、分析，主要得出以下结论：分别建立了纯钢框架和带填充墙钢框架两种模型，分别对两者进行单调加载模拟和滞回荷载模拟，通过对两者的破坏形式、滞回曲线以及延性进行对比分析，认为，ALC墙板与钢框架共同作用，有效增大了结构的承载力，同时试件的整体刚度得到大幅度的增加，但AF钢框架整体水平位移相对于SF框架来说要小很多。另外，由于墙板脆性材料，AF框架额破坏以脆性破坏为主，与纯钢框架相比，延性性能和耗能性能显著劣化。

参考文献

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