试论框架结构构件对整体抗震性能的影响
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摘要：近几年我国各地地震频发，在给人民生命财产安全造成严重危害的同时，也给我国的国民经济发展带来巨大的影响，如何加强房屋的抗震性能，将震害降至最低，成为当前防震、抗震的迫切要求。框架结构作为目前比较常见的结构形式，广泛应用于各类建筑之中，与人们的生产生活息息相关。笔者从梁、板、柱、填充墙等组成框架的构件分析它们对框架结构抗震性能的影响，从而有针对性地采取措施，提高框架结构的抗震性能。
关键词：框架结构；梁板柱；填充墙；抗震性能
中图分类号： TU323 文献标识码： A
1框架结构的特点
框架结构，指由梁和柱以刚接或者铰接相连构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同承受使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。框架结构的墙体是填充墙，起围护和分隔作用。框架结构的主要优点：采用现浇混凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，自重轻，有利于抗震，节省材料；空间分隔灵活，利于根据需要安排较大空间；梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，缩短施工工期。该结构体系的缺点有：框架节点应力集中显著；框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强震作用下，结构产生较大水平位移，易造成严重的非结构性破坏；不适宜建造高度较大的高层建筑。
2框架结构的震害破坏机理
发生震害时，在水平作用力下，框架节点核心区受到斜向压力和与之正交的斜向拉力的共同作用，当斜向拉力超过混凝土抗拉强度时，混凝土表面产生斜裂缝，而水平作用力反向作用时，另一方向将产生斜裂缝，从而形成交叉裂缝，造成核心区混凝土的承载力和刚度逐渐降低。梁纵向钢筋在节点的一侧受压，另一侧受拉，通过框架节点后纵筋应力在节点核心区产生了很高的黏结应力，随着弯矩的增加，框架节点核心区混凝土产生较宽的裂缝，直至破碎脱落，黏结力逐渐消失，钢筋产生较大滑移；当节点核心区的黏结力完全失去时，钢筋发生黏结锚固破坏，梁相对柱产生较大转动，形成塑性铰。框架节点刚度急剧降低，由此产生侧向位移，导致柱抗弯承载力的相应降低。
3震害中框架结构的破坏表现
我国“5．12”大地震后，笔者通过对震后北川老县城工程的相关图片、资料进行观察、分析，认为此次地震中框架结构的震害主要反映在以下几个方面：
①框架结构首层震害，主要表现为底部楼层侧移，导致整栋楼坍塌。
②柱剪切破坏，梁柱节点区破坏。
③未能实现“强柱弱梁”的屈服机理，柱端部出现塑性铰。
④填充墙和维护结构严重开裂和破坏，造成短柱剪切破坏。
下面笔者分别从梁、板、柱、填充墙等框架组成构件进行分析。
3．1楼板的影响
由于楼板与框架梁同时浇筑，两者间的结合密切，协同工作能力强，能够明显提高梁的抗弯能力。这是由于，梁端承受正弯矩时，楼板和梁组成T型截面，增大了梁的受压区宽度，从而增强了梁的抗弯刚度和承载力；梁端承受负弯矩时，楼板内的配筋相当于增多了梁的负弯矩筋，从而增强了梁的抗负弯矩能力。虽然《建筑抗震设计规范》对如何考虑楼板的影响没有具体说明，但6．2．2条文说明指出，当计算梁端受弯承载力时，若计入楼板内的钢筋，且材料强度标准值考虑一定的超强系数，则可以提高框架结构的“强柱弱梁”程度。国内通常做法是，在考虑到楼板对梁抗弯能力提高时，将中梁和边梁的刚度放大到框架梁矩形截面刚度的2倍和1.5倍。有研究表明，楼板内的钢筋会使梁的实际抗弯承载力增大20％～30％，有些情况下甚至可能增大1倍左右。
框架柱的影响
“5．12”大地震中，多数框架结构柱太细，致使框架柱容易出铰，发生折断。这往往是由于框架柱截面尺寸过于逼近轴压比限值造成的。我国相关规范中框架柱轴压比限值规定过高，致使框架柱的截面尺寸偏小，刚度偏小，柱梁刚度比偏小，柱端抗弯力臂较小，不能保证柱端受弯承载力，不利于实现“强柱弱梁”的屈服机制。同时，因轴压比限值过高，底部框架柱轴力已基本达到界限值，当遇到罕见的强震，柱轴力会进一步增大，超过轴力界限值而成为小偏心受压，从而导致柱弯承载力的降低。“5．12”大地震时，竖向地震动加速度高于水平地震动加速度，在水平和竖向双向作用力下很容易超过轴压比限值，造成框架柱的破坏。
对于框架结构来说，地震力沿建筑物的横向作用时，地震力所产生的倾覆力矩使房屋两端山墙上的柱一端受拉、一端受压，经与重力荷载产生的轴力叠加后，两端山墙上柱的轴压比一端大为减小，另一端大为增加，由于横向长度小于纵向长度，这时两端山墙上柱轴压比的减小值和增加值都大于地震力沿建筑物纵向作用时柱轴压比的增加值和减少值，而由于框架柱的剪力不变，轴压比降低，所以剪重比迅速加大，框架柱易于破坏。
参照抗震理念比较先进的日本，其规范对柱轴压比限值的规定约为0.33，比我国的轴压比限值0.7～0.9低得多。
3.3框架梁的影响
对框架梁而言，常见的弊病是梁的跨度和荷载过大使得梁截面尺寸相应增大。根据《建筑抗震设计规范》，在强震作用下，框架结构实现“强柱弱梁”的条件是，柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求：
∑Mc=∑Mb（1）
一级框架结构及9度时应符合
∑Mc=1．2∑Mbua（2）
《建筑抗震设计规范》在相关条文说明中指出，在梁端适配钢筋不超过计算配筋10％的前提下，满足式(1)可在一定程度上减缓柱端的屈服。由此可见，欲实现“强柱弱梁”机制，必须保证梁端实配钢筋不能超配过多。实际工程中，往往由于未考虑楼板的配筋、梁端实配钢筋大于计算钢筋10％等多重因素，导致梁端钢筋超配。此外，梁端钢筋实际强度的超强也是一种超配。总之，很多因素会使得框架梁的受弯承载力和刚度增加，而框架柱则没有机会提高受弯承载力和刚度，导致了框架结构“强柱弱梁”的屈服机制无法实现。
3.4填充墙的影响
(1)填充墙在构造上是与框架共同作用的，因此改变了整个框架结构的抗侧力，两者相互作用，直至结构破坏，填充墙始终承担一定数量的水平荷载。经过大量的震害调查、理论分析和模型试验，填充墙钢筋混凝土框架远比空框架的抗震性能好，有数据表明，当墙面无洞口时，其抗侧力总承载力至少提高25％。
(2)填充墙的加入可增加结构的刚度，特别是在早期甚为显著，因此在水平荷载作用下结构侧移较小，可以提高正常工作阶段的建筑物的整体抗震性能；另外在强震作用时，由于结构刚度增加，侧移减小，柱子轴力也随之减小。
(3)由于填充墙与框架之间的相互作用，填充墙框架结构具有良好的变形性能。在框架结构中加入填充墙后，由于填充墙中裂缝之间的摩擦、材料内部阻尼以及墙体与框架之间的滑移等，结构耗能能力大为增加；而且填充墙的存在大大减少了结构倒塌的可能性。
有利必有弊，填充墙对框架结构抗震性能的不利影响也是很显著的。
(1)填充墙竖向布置不合理使结构存在薄弱层。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。
(2)填充墙水平布置不合理可能造成结构扭转破坏。在结构设计时，填充墙布置要满足均匀对称，尽量布置在结构，使平面内刚度中心与质量中心重合，以避免地震作用产生扭转破坏。
(3)填充墙的存在可能使框架柱形成短柱。通常情况下，柱就受力状态和破坏形态而言均属于中长柱。然而，填充墙的存在会使梁变刚和变强，当填充墙在相邻柱间开设通窗时，窗裙墙约束了框架柱的变形，缩短了框架柱的计算高度，使之变为短柱，造成柱变形能力差，延性也降低，而且柱本身所受的剪力也大为增加，在地震作用下极易发生脆性的剪切破坏。
因此，笔者建议：在对框架填充墙结构进行设计时，明确填充墙的抗震设计目标和相应的配套构造措施；永久性填充墙可作为第一道抗震防线，应在整体结构中予以考虑，宜与框架结构结合形成组合墙，或采取必要的水平钢筋拉结、构造柱、水平系梁等措施；施工中，填充墙与框架柱、梁之间应预留足够的变形间歇；用户对填充墙进行拆除、改造时，必须经设计单位认可。
4结语
我国是一个地震多发的国家，地震灾害较多，根据这一国情，我国抗震设计规范对建筑抗震提出了“三个水准”的设防目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。因此，位于抗震区的建筑无论在设计还是施工过程中都应符合以下原则：
(1)“强柱弱梁” ——控制塑性铰的位置。较合理的框架破坏机制应是梁比柱的塑性屈服尽可能早发生和多发生，底层柱柱根的塑性铰较晚形成，各层柱子的屈服顺序应错开，不要集中在某一层。这种破坏机制的框架，就是强柱弱梁型框架。
(2)“强剪弱弯” ——控制构件的破坏形态。适筋梁或大偏压柱，在截面破坏时可以达到较好的延性，可以吸收和耗散地震能量，使内力重分布得以充分发展；而钢筋混凝土梁柱在受到较大剪力时，往往呈现脆性。
(3)“强节点弱构件”——控制节点核心区的受力性能。一个结构无论其构件的承载能力有多强，如果节点发生破坏了，那么这些构件也就不能组成结构，也就不能满足需要了。
笔者深信，只要按规范精确设计，按图纸精心施工，框架结构的抗震性能就可以有效保障，这一结构形式也必将在工业和民用建筑中得到更为广泛的应用，在国民经济生活中继续扮演重要角色。
参考文献
刘建新.填充墙框架结构的一种新的抗震计算模型【J】.工程抗震，1994（01）.
李英民，韩军，田启祥，等.填充墙对框架结构抗震性能的影响【J】.地震工程与工程震动2009，29（3）.