填充墻在框架結構抗震性能方面的影響研究

毛 銳，李兆惠，李 可

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽621010;2.四川省建筑設計院，四川成都610036)

2008年5月12日發生在汶川的8.0級大地震造成了巨大的生命和財產損失，也帶給了人們沉痛的經驗和教訓。通過對汶川大地震震害的分析，發現了很多框架結構中由于填充墻的原因而造成破壞。目前的框架結構設計通常只考慮填充墻的重力以及填充墻對結構周期的影響。然而，在側向力作用下，填充墻的“剛度效應”和“約束效應”會對結構的抗震性能造成影響。填充墻在豎向分布不均勻會導致結構存在薄弱層;填充墻在水平面內分布不均勻可能造成“扭轉效應”;窗下填充墻對附近框架柱的約束作用導致“短柱效應”［1］。因此，在設計中若忽略填充墻剛度貢獻則存在較大的安全隱患。本文運用大型有限元分析軟件ANSYS對框架結構進行分析計算，通過計算結果的對比，分析了填充墻在框架結構抗震性能方面的影響［2］。

1 計算模型的建立

1.1 計算模型平面布置

計算模型選取某六層框架結構房屋，第一層層高為5 m，以上各層均為3 m，抗震設防類別為乙類，框架柱截面尺寸為500 mm×500 mm，框架梁為250 mm×500 mm，樓板厚度為120 mm。結構中鋼筋均采用Ⅱ級鋼筋，混凝土剪力墻墻體縱、橫向配筋率均為0.5%。各種計算模型平面示意圖如圖1。

圖1 計算模型平面示意圖

1.2 計算單元參數

本文三維實體模型中墻體采用Shell63單元，框架柱和框架梁采用Beam188單元。文中的混凝土構件根據《建筑結構荷載規范》［3］、［4］中關于材料屬性的規定，鋼筋混凝土構件采用剛度EI等效的整體式模型［5］。其具體參數如表1。

計算模型采用三維有限元模型，采用的方法為由低圖元向高圖元建模。在網格劃分中，本文劃分成的單元均為四面體。圖2～圖5為整體模型單元劃分以及邊界條件示意圖。

表1 各構件的單元選用及相關參數

1.3 計算模型的選取

1.3.1 傳統框架模型

模型只建框架柱、框架梁和樓板，填充墻視為線荷載加在梁上，不考慮填充墻的剛度，模型如圖2。

1.3.2 等效單桿模型

等效單桿模型是將填充墻視為與墻材性相同的桿單元，對角斜撐桿鉸接于框架平面，與填充墻厚度相同，有效寬度取對角線長的1/10。此斜桿只承受壓力不承受拉力，形成斜撐桿與框架共同工作的抗側力體系。等效單桿模型簡圖如圖3。

1.3.3 等效三桿模型

等效三桿模型模擬實際的框架填充墻結構，可以反映框架梁、柱的剛度、變形和內力分布特點，以及填充墻約束框架側向變形時所發揮的對角支撐作用。等效三桿模型如圖4，支撐面積計算公式如式(1):

圖2 傳統框架模型

圖3 等效單桿模型

圖4 等效三桿模型

1.3.4 填充墻元模型

填充墻元模型是用有限元的方法對框架結構中的填充墻進行模擬。這種計算模型除能較好地反應整體的結構性能，這種方法需要進行大量的計算和時間，由于仿真條件的限制，此種方法的計算也無法完全反映實際的結果。填充墻元模型簡圖如圖5。

1.4 模態分析

本文運用ANSYS中的子空間法，對上述4種有限元分析模型進行模態分析，得到了各種模型的前6階陣型的周期，見表2。

2 結論

圖5 填充墻墻元模型

表2 各模型不同振型周期對比

(1)通過對四種模型的計算，填充墻等代成斜支撐后剛度減小，而周期也隨之增大。

(2)將填充墻等代為斜桿支撐后，等效單桿模型與傳統框架模型的周期比值為0.7左右;等效三桿模型與傳統框架模型的周期比值為0.6左右;填充墻元模型與傳統框架模型的周期比值為0.4左右。故對傳統計算方法中周期折減系數在本算例中應取0.4～0.7。

(3)在設計中忽略填充墻剛度貢獻會存在較大的安全隱患;而在設計中考慮的周期折減系數應該由框架結構中的填充墻具體數量具體分析，不應概而論之。

［1］淡浩，張瀑，魯兆紅.填充墻剛度對框架結構抗震性能影響的定量分析初探［J］.四川建筑科學研究，2010(5)

［2］童岳生，錢國芳.磚填充墻鋼筋混凝土框架房屋實用抗震計算方法［J］.建筑結構學報，1987(1)

［3］GBJ11－89建筑抗震設計規范［S］

［4］GB50009－2001建筑結構荷載規范［S］

［5］呂西林，金國芳，吳曉涵.鋼筋混凝上結構非線性有限元理論與應用［M］.同濟大學出版社，1997:72