帶填充墻RC框架結構抗震性能分析

蒲秀娟

填充墻框架結構是目前在民用住宅和商業建筑中廣泛采用的結構形式,填充墻起到圍護和分割空間的作用,通常在設計中,將其考慮為附屬結構。現行規范規定,在設計中,將填充墻考慮成荷載施加到框架主體結構中計算,并且考慮了填充墻對結構周期的影響,對結構的自振周期乘以折減系數來考慮填充墻的不利因素。根據近年來的震害分析和諸多學者關于填充墻框架結構的研究,這樣考慮填充墻是不完善的,與填充墻框架結構的實際受力和變形模式有較大差異,應該進一步分析。

1 結構破壞形式

由于結構豎向剛度不均勻或產生突變,易形成薄弱層。如:現在很多建筑物在地下幾層設置停車場或商場,這都需要大空間,則在這幾層大量減少了填充墻的布置,造成這幾層剛度減小,因此薄弱層的層位移遠大于相鄰層,甚至超過規范規定的最大層位移,發生因層位移過大或層轉角過大而結構破壞的情況。又因為水平荷載作用下,結構受到的剪力是隨高度增大而減小,因此底層薄弱層現象最明顯。經ANSYS建模分析,輸入Taft波,峰值0.8g,底層薄弱層結構的位移遠大于其他層位移,當頂層還未達到強的非線性變形,底層已進入強的非線性變形。

措施:在薄弱層增加柱子截面尺寸或增加墻體厚度,以補給因減少墻體數量而減少的剛度。

1.1 平面不規則產生的扭轉破壞

這是由于平面構件布置不對稱、均勻,以至于結構的質量中心和幾何中心不重合,在水平力作用下產生扭轉效應。

措施:平面布置盡量均勻,構件沿周邊分布越多,則增大了結構扭矩抵抗矩的力臂,結構的抗扭剛度和抗扭強度越大。

1.2 短柱破壞

現在建筑中為滿足美觀的要求,開窗面積越來越大,開通窗的情況更是普遍,然而這種結構形式改變了結構的受力和變形模式,與計算所采用的純框架模型有很大的差異。在做結構設計時,為滿足抗震設防的要求,構件都要滿足延性的要求,框架柱一般都設計為長柱,如果開通窗,窗上下部的墻體約束了柱的變形,使柱的計算長度變短,成為短柱,短柱的剛度較大,分配到的剪力較多,且短柱在地震作用下兩端易形成塑性鉸,使柱由原來的彎曲延性破壞變成了剪切脆性破壞(見圖1),這種破壞沒有征兆,且柱的破壞給結構帶來的影響嚴重,不滿足抗震的三水準設防要求。

措施:沿柱設置加密箍筋,并單獨分析是否滿足承載力要求。

1.3 短梁破壞

這種破壞主要發生在門窗洞口上部,洞口兩邊的墻體和梁共同工作,給梁以支撐的作用,限制了變形,減小了梁的計算長度,洞口上部的墻和梁共同工作,增加了梁的計算高度,成為深梁,這種梁也易發生剪切脆性破壞(見圖2)。

措施:按照規范設置洞口位置和開洞面積,不要過大,如果設計中遇到了短梁短柱應再次驗算,以防發生這種脆性破壞。

1.4 墻身破壞

在震害分析中,填充墻壓碎或墻體平面外倒塌也是比較普遍的(見圖3),雖然這種破壞不會使主體破壞或產生結構倒塌的嚴重事故,但是,墻體破壞所帶來的人員傷亡和財產損失也是很嚴重的,而且對震后維修影響較大。

措施:按照規范要求:墻長大于5 m時,墻頂與梁宜有拉結;墻長超過層高2倍時,宜設置鋼筋混凝土構造柱;墻高超過4 m時,墻體半高宜設置與柱連接且沿墻全長貫通的鋼筋混凝土水平系梁;墻體和框架設置拉結鋼筋、剪力鍵,增強其整體工作性能,改變傳力機理和破壞模式。

2 填充墻對結構抗震性能的影響

2.1 填充墻對結構剛度的影響

經過大量學者的理論和實驗證實,填充墻能增大結構的側移剛度。水平荷載作用下,結構的變形分為彎曲型變形和剪切型變形,通過兩種情況下力和位移的關系,可總結出比較合理的側移剛度公式:

其中,β為墻面變形模量的降低因素,β≤1,當為彈性時取號等;H和Hw分別為框架和填充墻的高度;k為填充墻的剪切系數,取k=1.2;Ae,Ie分別為填充墻水平截面的有效截面面積和有效截面慣性矩;αc為框架對側移剛度貢獻的大小系數。

由此式可看出填充墻框架結構的剛度是由填充墻和框架兩部分剛度組成的,填充墻早期剛度較大,能吸收較大的地震能量,但是其本身強度不高,先于柱破壞,隨著墻體的開裂,墻體對結構的剛度貢獻減小,因此,在考慮填充墻剛度時要乘以折減系數,規范推薦采用:

2.2 填充墻對結構周期的影響

由于填充墻和框架結構共同工作,減小了結構的側向位移,增大了結構的抗側剛度,放大了結構的地震作用,使結構自振周期縮短。實際計算填充墻框架的周期是可以按照能量法推導出的公式(4)來考慮:

2.3 承載力的影響

1)洞口的影響:當無開洞口的整面墻體和框架共同工作時,承載力可提高40%,隨著洞口開洞面積越大,承載力貢獻就越小。Benjamin和Williams將洞口設置在填充墻中心,洞口高度為1/3層高,跨度為1/3跨度時,承載力減少50%(見圖 4)。

本文建立單層單跨模型進行ANSYS有限元非線性分析(見圖5),模型采用分別考慮不同的開洞形式和開洞率對結構極限承載力的影響。結果表明隨著洞口面積的增大,結構的極限承載力越低;同樣開洞率情況下,開門洞比開窗洞承載力更高(見圖6)。

2)墻體材料也會影響到承載力:Parducci和Mezzi通過對不同種類填充墻材料的結構承載力影響分析,表明實心砌塊的承載力高于空心砌塊的承載力。Dawe通過試驗表明,在降低混凝土空心砌塊強度18%后承載力降低15%,降低砂漿強度后,結構的開裂荷載下降43%,極限荷載下降26%。

3)豎向荷載可提高結構的承載力,Stafford Smith在試驗中將豎向均布荷載作用在單層單跨鋼梁上,發現豎向荷載不超過填充墻豎向承載力的40%～60%時,結構水平承載力明顯提高,若豎向力過大,結構水平承載力反而降低。Valiasis和Stylianidis也通過實驗得到近似的結論。

4)墻體的配筋率對結構承載力有影響:Jurnia通過實驗分析得到,當砌體豎向與水平向配筋率分別為0.24%和0.054%時,結構承載力提高0.47倍。

5)梁柱線剛度比和墻體厚度對結構承載力影響不大。

3 結語

1)設計中要綜合考慮填充墻的有利和不利因素。2)在結構布置時,要滿足抗震要求,在平面和豎向都要均勻布置。3)設計中避免形成短梁短柱,如果不可避免要單獨分析。4)加強墻體和框架的連接,設置構造柱,水平系梁,加強共同工作性能,防止在小震和中震時墻體破壞和平面外破壞。5)適當增加墻體的配筋率。6)改變傳力路徑,適當增大結構豎向力,有利于結構抗側力。

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