砌體墻—鋼筋混凝土墻組合結構抗震性能與應用研究

李強

【摘 要】本文結合筆者多年實踐工作經驗，針對砌體填充墻框架結構在地震作用下的受力特點，分析了填充墻鋼筋混凝土框架結構產生震害的主要原因。結合國內砌體填充墻框架結構研究成果，圍繞填充墻的剛度退化規律和不同性能水平的層間位移角，評述了填充墻框架結構的研究現狀。最后，結合基于性能的抗震設計理論背景和禁用黏土實心磚提倡節能的政策背景，指出了今后應以實現基于性能的抗震設計為目標，針對新型砌體填充墻框架結構開展系統研究。

【關鍵詞】填充墻框架結構；抗震性能；研究現狀

在我國現階段所運用最為廣泛的一種建筑結構形式，就是填充墻框架結構。填充墻在實踐當中運用的時候，主要是因為其本身的破壞性對建筑的使用功能有著嚴重的影響，那么產生負面問題之后還會增加部分維修的費用，如果填充墻產生的破壞較為嚴重的話，還將會造成人生安全造成較大的經濟損失等。因此，在不斷高速發展的現代社會中，具體工程中所得到的實踐運用，主要是基于其設計原理的理論背景具有非常好的抗震性，以及其本身禁用粘土磚，然而在社會中又有著全面廣泛提倡節能的政策背景，在我們地震工程界對于填充墻框架的整體抗震性能，需要重新進行進一步的審視，筆者針對砌體填充墻框架結構抗震性能研究現狀與展望進行下文闡述，與大家共同探討。

一、填充墻框架結構體系的受力特點

（一）填充墻的剛度效應和約束效應

填充墻的剛度效應是填充墻框架區別于空框架的主要特點之一。這種剛度效應可能導致填充墻框架結構在地震作用下發生軟弱層破壞或扭轉破壞，從而引起結構嚴重受損甚至倒塌。填充墻沿豎向分布不均勻時，由于填充墻的剛度效應往往會在填充墻布置較少的樓層產生沿豎向的軟弱層。另外，由于裝修和改變使用功能等原因在中間層取消部分填充墻也可能造成中部軟弱層。在框架結構的周邊均勻布置填充墻能在一定程度上提高框架結構的抗扭強度和剛度，防止結構產生附加扭轉地震作用。除了整體剛度效應外，填充墻還會對主體結構的梁、柱和墻產生約束效應。填充墻往往開有門窗洞口，洞口的存在往往使填充墻在框架柱間產生拱推力。窗臺對框架柱的約束造成短柱效應在歷次地震災害中非常多見。窗間墻對框架柱的約束造成的短柱效應、剪力重分配和破壞截面轉移等不利影響已經成為填充墻框架結構地震破壞的最常見原因。

根據上文所言，在實踐設計的過程當中，對于填充墻的剛度以及約束效應沒有進行綜合分析，將填充墻只是簡單看成為非結構構建，那么在后期使用過程當中，對于結構是實際受力將會產生偏離，與最初設計時候的意圖將會存在著諸多的差距，由此在發生地震的時候就無疑將結構的危險性進行了增加。所以，我們在對巨型以及新型結構體系進行更多關注的時候，對于填充墻框架的抗震性性需要做好進一步的重視，這樣在社會中以及具體工程項目中無疑是具有非常重要的實踐意義。

（二）填充墻框架的剪力分配特點

框架填充墻作為一種組合結構體系，框架與填充墻在水平地震下共同承擔地震作用。一般認為，填充墻和框架所分擔的地震剪力可以按照兩者的剛度進行分配。然而，由于兩個組成部分的材料性能存在較大差異，砌體填充墻和混凝土框架滿足同一個抗震性能水平的變形容許值相差甚遠。磚填充墻屬于脆性材料，抗拉強度低，在地震作用下將首先開裂，造成剛度退化，而此時框架仍處于彈性階段。隨著層間變形的增加，填充墻的剛度逐步減小，填充墻和框架的剛度比值隨之不斷發生變化，從而使結構承擔的地震剪力在填充墻和框架之間產生較大內力重分布。盡管此時房屋總的地震作用因整體剛度的下降而有所減小，但框架柱仍將比地震作用初期分擔更多的地震剪力。

在實際工程設計中，一般把計算所得的全部層間地震剪力按照框架柱的層間側移剛度在所有框架柱間進行分配，而不考慮填充墻分擔的地震剪力。這種把地震剪力全部由框架柱承擔的設計計算方法似乎偏于安全，而實際上，由于填充墻在樓層平面布置的不均勻性，將造成部分填充墻剛度效應明顯的框架的設計地震剪力偏小，從而使結構存在安全隱患。

二、國內研究現狀

我國自20世紀70年代即開始進行少量的砌體填充墻框架結構的有關研究。較為系統的磚填充墻框架試驗研究集中于20世紀80年代，研究的重點集中在黏土磚填充墻框架受力全過程的剛度退化規律、破壞程度與層間位移角的關系。在填充墻框架受載后的剛度折減規律方面，不同文獻基于不同試驗研究記錄的填充墻初裂和普遍開裂的剛度判定和普遍開裂的定義不盡相同，但從這些試驗研究結果可以看出，填充墻初裂和普遍開裂時的剛度折減系數分別約為0.5和0.2。

進入20世紀90年代后，隨著試驗手段的不斷提高，擬動力試驗和地震模擬振動臺試驗技術開始應用于填充墻框架的抗震性能研究。關國雄等根據填充墻框架模型的振動臺試驗結果指出，結構屈服時的最大層間位移角為1/141，并引入反映墻體變形模量降低系數β和反映框架與填充墻之間連接減弱系數αc這兩個系數來估計不同破壞狀態下框架填充墻結構的層間剛度。

但由于缺少針對新型砌體填充墻框架的系統研究，目前關于填充墻框架的抗震設計要求仍是以20世紀80年代開展的黏土磚填充墻框架的研究成果為基礎。因此，很有必要通過進一步研究，合理確定新型填充墻框架的合理位移角限值，為規范的修訂提供背景資料，同時也可促進新型墻材在填充墻框架中的推廣應用。

三、研究展望

首先，在全國范圍的墻改政策的推動下，目前設計中仍主要沿用基于黏土磚填充墻的規定，使得新型墻體材料的性能優勢得不到充分發揮，在一定程度上阻礙新型砌體填充墻的推廣應用。因此，開展新型砌體填充墻框架抗震性能和設計方法研究，既可為今后新型填充墻框架結構的抗震設計提供依據，同時也有助于墻改、節能政策以及新型材料的推廣和應用。

其次，建筑物的性能水平是結構性能水平和非結構構件性能水平的綜合體現。填充墻作為框架結構中最重要且易遭受地震損壞的非結構構件，其在不同水平的設計地震作用下的性能，特別是不同性能目標下的變形容許值的研究就顯得至關重要。

最后，框架與填充墻的剪力分配隨填充墻與框架剛度比和填充墻所處性能狀態的不同而變化。由于填充墻的剛度和強度在地震作用過程中處于動態變化過程，填充墻框架中填充墻與框架各自不利地震內力的確定尚有待進一步試驗和理論研究。

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